Бодх Атомная физика и всё такое
| Вид материала | Документы |
- Программа по физике для 10-11 классов общеобразовательных, 75.87kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплина «физика» Кафедра общей и экспериментальной, 611.05kb.
- Физика. Раздел “Атомная физика, 52.71kb.
- Календарный план занятий по дисциплине физикА (разделы Оптика, атомная и ядерная физика), 163.74kb.
- 4. Атомная энергетика, 5.38kb.
- Программ а курса “Атомная физика” Микромир, 42.19kb.
- Тематическое планирование учебного материала по физике в 10 кл Учебник: Г. Я. Мякишев,, 155.64kb.
- Программа по курсу «Атомная и ядерная физика», 28.5kb.
- Программа дисциплины р. 1 Атомная физика для студентов специальности 010501 «Прикладная, 95.53kb.
- 56. Атомная физика. Строение атома. Радиоактивность. Строение ядра, 83.3kb.
Бодх
Атомная физика и всё такое.
Атом
Что такое «модель»
Исторический срез
Электричество и электроны
Планетарная модель атома
Атом водорода
Атом – это пустое место
Нейтрон
Общая схема атома – самая грубая
Гелий и гелион. Массовое число атома. Атомное число
Нуклеосинтез
Какие элементы нам уже знакомы
Атомная масса и атомное число
Еще немного о массе энергии и энергии массы
Другие химические элементы
Несколько слов об «элементах»
Их так много, может они на самом деле «один и тот же»?
Электронвольты и ангстремы
Энергия
Вес и масса. И Луна
Астрономическое отступление: происхождение Луны и интересов.
Периодичность свойств и постепенность увеличения атомного ядра
Электроположительность и электроотрицательность
Химические связи. Валентность и ковалентность
Совместное владение электронами
Электронные оболочки
«Липкие молекулы». Водородная связь.
Силы Ван-дер-Ваальса
Потенциальная яма
Сильное взаимодействие
Сантиметры, граммы и секунды. И джоули. И прочее
Прочность ядер
Дополнительные сведения
Изотопы водорода. Дейтерий, протий и тритий
Ядерные реакции
Термоядерный синтез
Метастабильное состояние
Нейтронная звезда
Плазма
Камера Уилсона
Исключение из правил
Период полураспада
Радиоуглеродный метод
Медленные нейтроны
Отступление… из физики!
Измерение массы заряженных частиц
Магнетизм
Масс-спектрограф
Островки стабильности – земля Санникова
История Земли Санникова
Ядерные задачки
Волны
Интерференция электронов
Еще о медузах, слонах и звуках
Как измерили заряд электрона
Супер-сверх-мега-отступление
Универсальный принцип дополнительности
Химическая основа жизни
Поляризация
Спектр. Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи
Рентгеновские лучи
Радиоактивность
Отдельное «спасибо» от Дарвина
Фотоэффект. Кванты
Модель атома Бора
Квантование
Спектральный анализ
Кентавры
Матричная механика
Радар и диктатура пролетариата
Туннельный эффект
Желания радостные и механические
Неизменная изменчивость
Мезоны
Мезоновый зоопарк
Барионы и адроны. Барионный заряд
Мюоны. Космические лучи. Чудесные атомы будущего
Природа электрического поля
Античастицы. Аннигиляция
Взаимодействие с пустотой. Очередная нелепость?
Вероятность. Экспонента
Магнетар
Цепная реакция
Солнечный ветер. Гелиосфера
Линейный оператор. Эксперимент в математике
Множества
Физика и удовольствие от геологии
Кинетическая энергия: mv или mv2 ?
Список клёвых книг
* * *
Сложная ли наука – физика? А тем более – атомная физика?
Если преследовать цель стать профессионалом, защитить докторскую и стать академиком то да – это сложно. Но любой профессионализм достигается долгим трудом. Но всем ли это надо? Скорее – очень немногим, кто решил именно зарабатывать себе на жизнь этим трудом. Но ведь науке можно найти и другое применение, а именно – получение удовольствия. И тогда любую науку можно сделать простой.
Я ставлю перед собой такую задачу – чтобы в процессе чтения моей книги любой человек, даже совершенно не знакомый с физикой, смог бы получать удовольствие от получения ясности. Я уверен, что можно так изложить материал, что читатель сможет очень ясно и точно представлять себе атомный мир, то есть получить глубокие и интересные знания на качественном уровне. Это означает, что ты будешь глубоко и ясно понимать – как там все устроено, но тебе потребуется дополнительное образование, если ты захочешь еще и заниматься вычислениями.
Настоящее удовольствие, настоящее творчество возможно только тогда, когда есть полная ясность. В процессе обучения в университетах люди никогда не добиваются ясности – они стремятся поскорее зазубрить и сдать экзамен и забыть. От этого не бывает удовольствия, а только отравление. Так что если ты ничего не знаешь о физике – порадуйся этому – у тебя есть возможность получить удовольствие. Мы начнем с самого простого, и будем постепенно усложнять и усложнять материал, при этом моя цель – сделать так, чтобы изложение всегда было легко понятным.
Нет никакой спешки. Никто тебя не гонит прочесть эту книгу за год или полгода или месяц – в общем ее можно читать хоть всю жизнь по параграфу в месяц, если именно такой темп приносит тебе наибольшее удовольствие. Удовольствие – главная цель. Удовольствие от ясности, от изумления от того – как устроен мир, от чувства тайны, красоты.
В книге я буду иногда прибегать к использованию идей и образов, взятых из других книг, популяризирующих физику, поскольку такие образы сами по себе не являются объектом авторской собственности.
Обычно физику начинают преподавать с механики, оптики, электричества, гидродинамики и так далее, и уже в самом конце приходят к атомной физике. Я не знаю – кто это придумал, и почему с тех пор все так и делают, но я считаю это очень неудачным. Я вряд ли окажусь исключением из правил, если скажу, что мне почти совсем неинтересна механика, гидростатика и прочее, в то время как атомная физика сразу же вводит изучающего в мир очень интересных явлений. Поэтому я хочу начать именно с атомной физикой, а уже потом – по желанию, ты можешь изучать и другие отрасли физики.
Один из первых читателей написал мне: «когда я читаю твою книгу, возникает легкость, хочется узнавать дальше. Удивительно, что у меня «ниоткуда» возникает интерес, а ведь я был совершенно уверен в том, что физика мне никогда не может быть интересна. А сегодня я проснулся с предвкушением и радостной мыслью о том, что «сегодня буду этим заниматься».
Да, таково свойство человека: ясность всегда приводит к появлению ярких интересов. Поэтому школьное и институтское образование – это без преувеличения убийство, полная кастрация интересов человека, ведь когда человек учится в школе и институте, в условиях этой бесконечной гонки независимо ни от чего и в соответствии с «учебным планом», по этим ужасающе серым и запутанным учебникам, ему вообще почти никогда и почти ничего не ясно, а что такое человек без ясности и без интересов? Это человек без интересной жизни, потенциальный мракобес, садист и мазохист, у которого деструктивные стремления многократно перевешивают созидательные и творческие инстинкты.
Вот если бы ВСЕ учебники сделать интересными! Да, я понимаю, что все-таки не каждому человеку так интересна физика, чтобы он прочел мою книгу от корки до корки, но ведь такие же живые и предельно понятные книги можно написать и по биологии клетки, органической и неорганической химии, геологии, материаловедению, ботанике, зоологии, анатомии… представь себе – перед тобой шкаф. Одна полка – сплошь тома физики, причем ты знаешь – если ты откроешь самую первую книгу, то будет так интересно и так понятно, что тебе трудно будет оторваться и не прочесть все 30-40 книг одну за другой. А на соседней полке – геология, а еще ниже – история, а там - археология… и везде – предельно понятно, интересно, захватывающе, информация выстраивается и запоминается легко, курсы во многом перекликаются, картина мира складывается в удивительной полноте и красоте, у тебя постоянно рождаются идеи, ты бросаешься их развивать и записывать, и если тебе надо углубить свои знания – ты открываешь специальную книгу по интересующей тебя теме, и понимаешь ее легко и быстро, ведь у тебя есть главное – глубокое понимание, которое с легкостью проникает в частности. Ну разве это не привлекательно? Я уверен, что рано или поздно я или сам сделаю все это, или с помощью тех, кто захочет поучаствовать в этом проекте, но рано или поздно эта часть новой культуры будет построена, и мир людей, стремящихся к озаренным восприятиям, станет еще богаче, светлее, радостнее.
Интерес и ясность – мощные озаренные восприятия (ОзВ), которые сильно резонируют с большим количеством других ОзВ и радостных желаний. Моя цель - построение новой культуры людей, стремящихся к ОзВ, прочь от тупости и негативных эмоций, я бы даже сказал – эволюция Homo sapiens в Человека Озаренного, и создание курсов наук будет одним из кирпичиков нового мира.
Читая тот или иной параграф, у тебя могут возникнуть вопросы по тем темам, которые упоминаются во время изложения. И это вполне естественно – ведь я не могу излагать сразу все вопросы одновременно. Я вынужден каких-то вопросов касаться кратко и неполно, возвращаясь к ним позже. Я предлагаю тебе делать так: не тормозиться на этом месте, если сама тема параграфа тебе понятна, выписывать возникающие попутные вопросы, и затем постепенно вычеркивать те из них, на которые ты получишь ответ в процессе последующего чтения. Если какие-то вопросы остаются неясными – пиши мне на bodh@yandex.ru - и я постараюсь внести в книгу дополнительные разъяснения. Также ты можешь искать ответы на эти вопросы в других источниках, ведь сколько бы вопросов у тебя не возникло, найти на них ответы и понять эти ответы тебе будет намного легче после чтения моей книги.
Не забывай пользоваться поиском по тексту – например в программе Word это сочетание кнопок «Ctrl+F».
Атом
Атом – это минимальная порция химического элемента, которая несет в себе его химические и физические свойства. Если мы возьмем кусок любого элемента – скажем, натрия (порядковый номер 11-й в таблице Менделеева – легко запомнить, если представить две боковые вертикальные палочки в букве «N» как единички), то мы можем дробить его на все более и более мелкие кусочки, растирать в пыль, потом дробить на еще более мелкие кусочки, и все они – даже самый наимельчайший – будут обладать химическими и физическими свойствами натрия, то есть вступать в одни и те же химические реакции с другими веществами, иметь одну и ту же температуру кипения и плавления и так далее. Продолжая дробить кусочки, мы, наконец, рано или поздно доберемся до атома натрия.
(Каждый элемент имеет свое собственное буквенное обозначение. Натрий обозначается латинскими буквами «Na»).
Если каким-то образом нам удастся раздробить атом натрия, тогда получившиеся кусочки уже будут иметь химические и физические свойства других элементов – это уже не будет натрий.
Что такое «модель»
Для начала мы введем самое простое описание того, как выглядит атом – это описание называется «модель атома». Необходимо ясно понимать, что «атом» и «модель атома» - это принципиально разные вещи. Если не понимать этой разницы, то ты никогда не сможешь глубоко понимать физику, поэтому необходимо разобраться с этим с самого начала.
Никто не может уменьшиться до размера атома и посмотреть на него своими глазами – как он устроен. Атом слишком, слишком маленький. Например, человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода. Еще можно представить себе размеры атома из такого сравнения: если яблоко увеличить до размеров Земли, то атом стал бы как раз размером с яблоко.
Так как атомы такие маленькие, то и доказали их существование не так давно. Только в 1911 году новозеландец, работавший в Кембридже, Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома, о которой речь будет ниже. Сейчас уровень наших технологий таков, что в туннельный микроскоп мы можем увидеть отдельный атом, но по некоторым причинам, которые станут ясны позднее, мы не можем даже с помощью очень-очень мощного микроскопа рассмотреть атом так же ясно, как свой волос или бактерию. Поэтому на самом деле никто не знает – что же на самом деле из себя представляет атом. Тем не менее, мы можем изучать поведение атомов, даже не зная в точности - как они устроены. Мы можем сталкивать их друг с другом, можем сталкивать их с другими частицами, можем их нагревать, разгонять до высоких скоростей, помещать в разные электрические и магнитные поля и так далее. То есть мы можем кое-что делать с атомами и смотреть – как они при этом себя ведут. И на основании анализа этого поведения мы можем представлять себе – как именно устроены атомы, то есть создавать модели их устройства, воображаемые схемы.
Моделей атома можно придумать сколько угодно – можно вообразить себе, что они представляют собой что-то вроде солнечной системы, или бублик, или пудинг, или велосипед – что угодно. Но разные модели будут по-разному сочетаться с наблюдениями. Например, физик Томсон на заре исследований атомов предложил модель, в которой атом представляет собой нечто вроде пудинга, где вместо теста – равномерно размазанная положительно заряженная материя без каких-либо плотных и тяжелых комков, а в ней – что-то вроде мелких и легчайших изюминок отрицательно заряженных частиц. И в течение нескольких лет эта модель считалась вполне приемлемой. Но эксперименты, поставленные Резерфордом, выявили, что эта модель не может объяснить наблюдаемые эффекты, и именно поэтому Резерфорд придумал новую модель – планетарную, которая все объясняла очень хорошо.
С тех пор прошло много лет, были проведены сотни тысяч, миллионы опытов, в которых подтвердилось, что планетарная модель атома очень хорошо объясняет наблюдаемые эффекты. Конечно, эту модель пришлось усложнить и дополнить, развить, но общая ее схема осталась неизменной – представляя себе атом наподобие солнца с планетами, мы можем объяснить наблюдаемые явления. Поэтому мы считаем эту модель верной, или, во всяком случае, наиболее верной из всего того, что мы придумали, и все-таки это не значит, что атом и на самом деле такой, каким мы его себе представляем.
Исторический срез.
Каждый раз, когда в каком-либо тексте я встречаю фразу типа «это было в одна тысяча таком-то году, когда Резерфорд открыл…», я испытываю настойчивое желание пропустить ее, даже не пытаясь запомнить – в каком же там году это было. Просто я никогда не запоминаю эти даты, и, как мне кажется, никто не запоминает. И вот, когда я начал писать эту книгу, я с ужасом почувствовал, что, словно сомнамбула, начинаю писать… ту же самую фразу в первых же параграфах! Что же будет дальше?
Занеся мышь над несчастной датой, я приготовился ее уничтожить, но вдруг понял, что мне самому довольно интересно знать, что именно в 1911-м году Резерфорд предложил планетарную модель атома. Правда, этот интерес не имеет отношения к физике. Просто я представляю – что еще происходило в мире в том году, и испытываю некоторое наслаждение от этого. Мне нравится сопоставлять исторические события, происходившие примерно в одно и то же время – вот такой специфический «исторический секс». Ясный ход мысли, безупречные выводы, блестящие догадки, изящные решения – всё это приносит нам «интеллектуальное наслаждение», которое, я надеюсь, ты иногда испытываешь, и, надеюсь, испытаешь и при чтении этой книги. Ну так вот есть еще и историческое наслаждение. И чтобы поделиться возможностью его испытать, я коротко напомню несколько событий того самого – 1911 года:
*) в США основана корпорация IBM
*) убит Пётр Столыпин – премьер-министр России с 1906 года. Великий реформатор, произнесший слова, которые до сих пор не услышаны власть предержащими: «Вам нужны великие потрясения - нам нужна Великая Россия». Он же автор фразы: «Дайте государству двадцать лет покоя, внутреннего и внешнего, и вы не узнаете нынешней России». Ну что ж - прошло сто лет, а Россию мы по-прежнему узнаём…
Кстати об атомах: Менделеев принимал у Столыпина экзамен по химии и поставил ему пятерку!
*) получила Нобелевскую премию Мария Склодовская-Кюри - «За выдающиеся заслуги в развитии химии: открытие элементов радия и полония, выделение радия и изучение природы и соединений этого замечательного элемента». Мы еще встретимся на страницах этой книги и с Марией, и с радием.
Электричество и электроны
Для того, чтобы понимать дальнейшее, необходимо сказать хотя бы пару слов об электричестве, не вдаваясь в детали. Давно было замечено (это сделал еще Фалес Милетский в шестом веке до нашей эры), что если потереть шерстью янтарь, то к нему начинают прилипать мелкие бумажки и прочий мусор. А еще можно потереть шерстью стеклянную палочку. Если взять натертые таким образом стеклянную и янтарную палочки, то мы заметим, что две янтарные палочки отталкиваются друг от друга, и две стеклянные палочки тоже отталкиваются друг от друга, а если взять янтарную (или – что более доступно – эбонитовую) и стеклянную палочки, они будут притягиваться.
Та сила, которая проявляется при натирании эбонита или стекла или янтаря и т.д. шерстяной тряпочкой, и была названа «электрической» силой. Термин «электричество» ввел ученый Уильям Джилберт в 1600-м году.
При поднесении мелкой бумажки к натертой палочке – даже не вплотную, а на расстоянии, возникает сила, которая притягивает бумажку. Отсюда естественно вытекает предположение, что пространство вокруг палочки чем-то наполнено – чем-то таким, что и оказывает влияние на клочок бумаги. И чем сильнее мы натираем палочку, тем интенсивнее возникающая сила, то есть пространство вокруг палочки становится более наполнено «этим самым». То, что возникает вокруг этих палочек – то, что в любой тоске окружающего пространства действует на электрически заряженные объекты, и назвали «электрическим полем», поскольку результатом существования «этого» является электрическая сила. Поскольку при сближении двух эбонитовых палочек они отталкиваются, а при сближении эбонитовой и стеклянной палочек они притягиваются друг к другу, то значит существует два типа поля. «Янтарное поле» условно назвали положительным (или «плюсом»), а «стеклянное» - отрицательным. Можно было назвать и наоборот – это совершенно все равно, это лишь способ отличать одно от другого.
Ты можешь прямо сейчас потереть свою пластмассовую расческу от волосы, и обнаружить, что теперь и расческа и волосы притягивают мелкие кусочки бумаги – вот ты и стала творцом электричества!
В XVIII веке Стивен Грэй обнаружил, что металлы способны проводить электричество, потом исследования продолжались, и наконец в 1897 году Томсон открыл электрон. В его статье, напечатанной в октябрьском номере физического журнала «Философикл мэгэзин» за 1897 год, впервые в науке утверждается, что электричество – это движение электронов – микрочастиц, несущих отрицательный заряд.
Термин «электрический заряд», или просто «заряд», и обозначает способность вещества создавать вокруг себя электрическое поле. Если потереть палочку сильнее, электрическое поле тоже станет сильнее, поскольку увеличится сила, притягивающая кусочки бумаги. Если потереть слабее – электрическое поле уменьшится. Впоследствии было обнаружено, что существует частица, которая имеет минимальный электрический заряд, то есть частица, которая создает предельно минимальное электрическое поле – меньше быть не может. Такая частица называется «электрон».
Необходимо ясно понять: «электрическое поле» НЕ состоит из электронов. Электрон - это частица, которая заряжена отрицательно. Мы говорим, что «вокруг электрона есть электрическое поле» - эта фраза означает то и только то, что в любой точке пространства вокруг электрона на любую другую заряженную частицу будет действовать сила электрического притяжения или отталкивания со стороны электрона.
Несколько лет назад я написал книгу про озаренные восприятия и про способы их достижения, а также о негативных эмоциях и том – как сделать так, чтобы перестать их испытывать. Нашлись люди, которые говорили примерно следующее: «посмотрите, он написал целую книгу об эмоциях и мыслях и ощущениях, но так и не потрудился дать им определение! Значит все это чушь». В качестве образца для подражания эти люди приводили… физику, мол вот – смотри – наука, в которой все определено. Я пытался объяснить: невозможно определить ни эмоцию, ни мысль, ни ощущение, ни желание, ни акт различения, потому что «определить» - это свести к уже известному, к уже определенному. А эти понятия – первичны, они ни к чему не сводятся. Но эта мысль с трудом находит себе дорогу в умах тех, кто настроен любой ценой разбить учение, которое им не нравится. И снова следовали ссылки – мол смотри, ведь в физике… Наверное это будет нелегко представить, и тем не менее в физике все в точности то же самое (как и в математике). Такие понятия, как длина, время, масса, электрический заряд и многие другие НЕВОЗМОЖНО определить, потому что эти понятия первичны и ни к чему другому, более простому, не сводятся. Поэтому определить эмоцию можно, указав на те явления, которые ей сопутствуют. То же самое – с электрическим зарядом. Мы указываем на некий круг явлений и говорим, что то, что является их причиной, мы назовем «зарядом».