Книга: Астрономия на пальцах.

Глава 3. Люди сделаны из звездной пыли

<<< Назад
Вперед >>>

Глава 3. Люди сделаны из звездной пыли

В названии этой главы нет никакого преувеличения, это вовсе не поэтическая фраза. Это строгий научный факт – практически все химические элементы, из которых выстроено наше тело, произведены звездами. В нашей крови, например, есть железо, придающее крови красный цвет… В нас полно углерода, составляющего основу жизни… Есть фосфор, азот, хлор… На 70 % наше тело состоит из воды, то есть водорода и кислорода… Да внутри нас – почти вся таблица Менделеева!

А ведь изначально в молодой Вселенной были только простейшие вещества – водород да гелий. Откуда же взялись сложные химические элементы? Они наработаны в термоядерных реакторах, имя которым – звезды. И вот тут нам придется сделать небольшой экскурс в физику. Граждане и гражданки, которые читали мою книгу «Физика на пальцах», про это уже знают, а для остальных мне придется повториться. Повторенье – мать ученья. И оно не будет лишним даже для тех, кто упомянутую книгу читал.

Для того, чтобы понять Вселенную в макромасштабе, с ее огромными звездами, невообразимыми расстояниями и скопищами галактик, нам придется нырнуть в микромир – мир самых крохотных частиц. Потому что из них и состоит Вселенная.

Вы готовы совершить это увлекательное путешествие в глубины материи? Если да, ныряем! Только воздуху набрать не забудьте…

Вы, конечно, слышали об атомах. Атомы – самые мельчайшие неделимые частички вещества. Например, самая маленькая крупинка золота, которая только возможна. Почему я для примера выбрал золото? Не только потому, что золото (как и все прочие химические элементы) родилось в недрах звезд, но и потому, что я очень люблю золото. А кто не любит? Кроме того, золото – простое химическое вещество, такие вещества называют химическими элементами. Химических элементов, то есть простых веществ в мире меньше сотни. Они все собраны в особую табличку, которая называется таблицей Менделеева. Золото и все прочие металлы, а также углерод, азот, кислород, фосфор, сера и др. – это примеры простых веществ, то есть химических элементов.

Кроме простых веществ, коих меньше сотни, практически все, что вас окружает в комнате и в мире – это вещества сложные. Они сделаны из простых, то есть из химических элементов, и представляют собой сборные конструкции. Например, соль у вас на столе в солонке сделана из двух элементов – металла натрия и газа хлора (найдите их в таблице Менделеева). Химическая формула поваренной соли так и читается – «натрий хлор» (NaCl).

Вода сделана из двух простых газов – кислорода и водорода.

И если самая мелкая неделимая частичка простого вещества (химического элемента) называется атомом, то самая мелкая частичка сложного вещества, например соли или воды, называется молекулой.

Еще раз: самая мелкая неделимая частичка простого вещества – атом. Самая мелкая неделимая частичка сложного (сборного) вещества – молекула.

А почему я назвал ее неделимой, если она сборная? Ну, вот, например, молекула воды, то есть самая маленькая частичка воды, которая только возможна, собрана, как конструктор, из двух атомов водорода и одного атома кислорода (химики записывают это так: Н2О). Если она собрана, так ее и разобрать можно! А дядя-автор почему-то говорит, что молекула воды неделима.

Она неделима в том смысле, что если мы ее разберем, разделим, то это уже не будет вода. Это будут водород и кислород. Вы можете собрать из детского конструктора машинку. И это будет машинка. Но если вы свою машинку разберете, машинки уже не будет. А будут одни только детальки конструктора. Которые когда-то были машинкой.

Так и со сложными веществами – если их молекулу (мельчайшую частичку вещества) разделить, останутся только детальки, то есть атомы простейших химических веществ, элементов. Атомы химических элементов – это детальки мирового конструктора, из которого собрано практически все, что нас окружает. Трудно встретить в мире в чистом виде детальки, то есть химические элементы. Ну кольцо мамино золотое. Алюминиевая ложка или медная проволока. Кусочек свинца. Ртуть в градуснике. Газ неон в неоновой лампе… Еще постараться надо, чтобы простейшие вещества вокруг себя найти! Займитесь этим как-нибудь на досуге вместе с папой или мамой. А я вам в качестве подсказки дам табличку дядюшки Менделеева. В этой табличке собраны все простейшие вещества во Вселенной. Не так уж их и много, как видите. И многие из них вам наверняка знакомы. Поковыряйтесь там на досуге…


Знаменитая и самая лучшая в мире таблица дедушки Менделеева. Уважаемый был аксакал. Взял и смел все простейшие химические элементы (от слова «элементарный», то есть простой) в одну табличку на радость детям и химикам.

Ну и для того, чтобы у вас потом химия легче в школе пошла, я вам сразу приведу тут несколько примеров сложных веществ, а затем вернемся вновь на нашу проторенную колею.

Вот как устроена молекула воды (Н2О). В ней просто сцеплены друг с другом один атом кислорода и два атома водорода:

Н – О – Н

А вот как просто устроена поваренная соль для супа и картошки – один атом натрия и один атом хлора:

Na – Cl

Сахар любите? Молекула сахара устроена гораздо сложнее! Химическая формула сахара такова: С12Н22О11. То есть самая маленькая частичка сахара состоит из 12 атомов углерода, 22 атомов водорода и 11 атомов кислорода. Но как они расположены в пространстве?

А вот так, как на рисунке ниже.

Ну, собственно, вот мы всю химию и прошли почти что! Основы науки, так сказать, заложены в небольшую детскую голову. Но в ней, наверное, назрел вопрос:

– Дяденька! Вот неделимые молекулы, оказывается, можно разобрать на отдельные детальки-атомы, уничтожив собранное вещество. А атомы можно разобрать? Можно разломать простейшие химические вещества – элементы, эти детали мирового конструктора?


Молекула сахара, друзья мои. Довольно сложная конструкция, не правда ли?

Ах, какой хороший вопрос! Какой чудесный ребенок!

Конечно, можно! И результат будет тем же – при разборке атома элементарного вещества оно перестанет существовать как вещество. Останутся от него только совсем микроскопические деталюшки.

Какие?

Отвечаю. И здравствуй, микромир!..

Если разломать любое простейшее вещество из таблицы батюшки Менделеева, мы получим всего-навсего три детальки. Три детальки! Я вам расскажу, конечно, что это за детальки, но вы только вдумайтесь в поразительность этой информации! Нас с вами окружают тысячи тысяч разных веществ. В основном, это сложные, составные вещества, типа сахара, их молекулы собираются из веществ простых, элементарных, «неразборных». Их уже не тысячи, а всего несколько десятков, и все они представлены в таблице Менделеева. А эти элементарные вещества – детали мирового конструктора, в свою очередь, состоят из трех микродеталек. То есть, по сути, весь мир, который мы наблюдаем вокруг себя – мамы и папы, дома и кошки, шкафы и носки, собаки и валенки, игрушки и деревяшки, какашки и промокашки[2], козявки и слитки золота, вода и воздух… короче, все это сделано всего лишь из трех крохотных деталюшек в разных сочетаниях.

Ну, разве что солнечный свет не состоит из них.

Но о том, что такое свет, мы поговорим чуть позже.

Итак, что же это за три детальки такие, из которых сделано все-все-все? Первая деталька называется электрон.

Вы, наверное, слышали это слово. Тот самый электрический ток, который мы успешно добываем из розетки, вставляя туда вилку электроприбора, представляет собой поток электронов, текущий по металлическим проводам, как вода по трубе. Электрончики бегут внутри электроприбора и свершают полезную работу, примерно так же, как совершает полезную работу поток воды в реке, крутя колесо водяной мельницы.

Электроны – самые маленькие и легкие частички. Их главная особенность – электрический заряд. Что такое электрический заряд? Это просто свойство частицы притягиваться или отталкиваться от другой частицы, которая тоже имеет заряд.

Существует два типа заряда – положительный (плюс +) и отрицательный (минус -). Эти плюсы и минусы обычно пишут на батарейках, обозначая с какого конца батарейки положительный заряд, а с какой отрицательный. Если у двух частичек заряды одинаковые (обе заряжены положительно или обе заряжены отрицательно), частички отталкиваются друг от друга. Если заряды разные (одна частичка заряжена положительно, другая отрицательно), частички притягиваются друг к другу.

А если одна частица заряжена, а другая не заряжена или обе не заряжены? Тогда электрического взаимодействия между ними не будет.

Все электроны заряжены отрицательно. Такое у них свойство. А вторая частица, вторая деталька мирового конструктора – протон – заряжена положительно.

Поскольку заряд является свойством частицы, его нельзя у частицы отнять, невозможно «разрядить» электрон оставив его без заряда, а заряд куда-то унести, как невозможно отнять у красного мячика его «красноту» и отдельно от мячика ее унести. Отдельно от вещества заряда не бывает! Заряд всегда овеществлен, он олицетворен в электроне (минус) и протоне (плюс). Если какое-то тело заряжено отрицательно, значит в нем избыток электронов. А если положительно – избыток протонов.


На рисунке все прекрасно видно: одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно заряженные – притягиваются.

Протон имеет по величине такой же заряд, что и электрон, но он гораздо больше электрона. Электрон в сравнении с протоном все равно, что воробышек по сравнению с орлом или, скажем, Земля по сравнению с Солнцем. Протон почти в две тысячи раз тяжелее электрона. И поскольку частицы эти имеют разный по знаку заряд, они притягиваются. Но это вовсе не значит, что электрон падает на протон и лежит на нем, блаженно улыбаясь и покряхтывая от радости. Никогда! Электрон начинает кружиться вокруг протона, как планета вокруг звезды.

Может возникнуть вопрос: а что означает фраза «заряд электрона равен по величине заряду протона»? Это значит, что, если протон притянет электрон, и тот начнет вокруг протона кружиться, их заряды уравновесятся, скомпенсируются и получившаяся конструкция будет электронейтральной, то есть для внешнего наблюдателя она не будет нести никакого заряда. И эта конструкция, представляющая собой пузатый протончик с кружащимся вокруг него тщедушным электрончиком, не будет электрически взаимодействовать с другим нейтральным веществом так сильно, как это делает заряженное вещество.

А, кстати, что это за конструкция такая у нас получилась из двух деталюшек микромира – одного протона и одного кружащегося вокруг него электрона? Это водород! Газ такой. Водородом когда-то надували дирижабли. Самый легкий газ на свете. Первый номер в таблице старика Менделеева. Первый химический элемент. Простейшее вещество!

Понятно, что раз водород стоит в таблице Менделеева под номером один и является наипростейшим по сборке веществом, то все остальные номера сложнее устроены. Как сделать следующий элемент в таблице – газ гелий? И почему мы до сих пор не упомянули о третьей микродетальке вселенского конструктора? Их же три должно быть! А мы вон буквально походя, почти случайно, буквально для примера притяжения зарядов собрали целый водород. И никакая третья деталька не понадобилась.

Уверяю вас: больше этот номер не пройдет! Больше никакого вещества в таблице Менделеева без третьей детальки мирового конструктора собрать не удастся.


Водород и гелий. Два самых простых вещества в таблице Менделеева. Водород – один протон и один электрон. Гелий – два протона и два нейтрона, составляющих ядро атома, а вокруг болтаются две электронных «планетки».

Третья деталька называется нейтрон. По весу и размеру он практически такой же, как протон, только у нейтрона нет электрического заряда. Поэтому он так и называется – нейтрон, от слова «нейтральный».

Зачем он нужен, нейтрон?

И как с его помощью собирать элементарные вещества из таблицы химических элементов имени старичка Менделеева?

Сейчас все расскажу, ничего не скрою… Значит, берем пинцетом из коробочки с надписью «нейтроны» 2 нейтрона, а из коробочки с надписью «протоны» 2 протона. И соединяем их вместе, в одну кучку. Эта кучка из четырех частиц называется атомным ядром. То есть ядро атома у нас уже есть, осталось дособирать «скорлупу». А «скорлупа» – это болтающиеся вокруг ядра электроны. Надень на ядро атома электронную шубу из вращающихся электронов – и будет готов атом!

У атома водорода ядро состоит из одного-единственного протона. Вокруг него болтается по орбите один-единственный электрон. Следующее вещество – гелий. Мы его уже почти собрали, изготовив шаловливыми ручками ядро из двух протонов и двух нейтронов. Теперь запускаем вокруг него электроны и… а, кстати, сколько их надо запустить? Ну, поскольку, в ядре гелия находится два протона, то есть его положительный заряд равен двум единичкам, то две единички таких же отрицательных зарядов нам и надо закрутить вокруг ядра, чтобы уравновесить, скомпенсировать плюсовой заряд минусовым и сделать электронейтральное в целом вещество. Практически все вещества вокруг нас электронейтральны, и током не бьются, так что наша задача ясна.

Принцип построения ясен – в таблице Менделеева номер химического элемента соответствует числу протонов в его ядре. Номер первый – водород. Один протон. Гелий – № 2. Значит, два протона (и в довесок еще два нейтрона). Литий у нас в табличке идет под номером 3. Соответственно, в его ядре три протона (и как балластный довесок три нейтрона). И так далее.

Возникает вопрос… И даже целых два! Во-первых, зачем нужны нейтроны? Почему бы не собирать атомные ядра только из одних протонов? И второй вопрос, поинтереснее – если одинаково заряженные частицы отталкиваются, то почему атомное ядро, состоящее из положительно заряженных протонов, не разлетается к чертовой матери в разные стороны?

Не в бровь, а в глаз! Протоны должны разлетаться! Но не разлетаются… Отчего?

Хитрая природа для этого предусмотрела еще один вид взаимодействия в микромире. Первый вид взаимодействия частиц мы с вами уже прошли – это электромагнитное взаимодействие, когда одноименно заряженные частицы отталкиваются, а разноименные притягиваются. Не забыли? Отлично… А второй вид взаимодействия называется сильным взаимодействием. Потому что оно сильнее, чем отталкивание положительно заряженных протонов. Плюсовые протоны хотят разлететься из ядра, но что-то им не дает. Это «что-то» и есть сильное взаимодействие. Оно короткодействующее, то есть работает только и исключительно на коротких расстояниях, в отличие от сил электромагнитных, которые работают на любых расстояниях, правда, ослабевая с удалением. Иногда сильное взаимодействие по-другому называют ядерным взаимодействием, потому что именно оно связывает частицы в ядре атомов.


Чтобы включилось короткодействующее сильное взаимодействие, нужно приложить недюжинные старания, преодолеть пружину электромагнитного отталкивания и зацепить протоны крючками ядерных сил.

Ситуация выходит довольно хитрая. На больших расстояниях протоны, как и положено приличным частицам, имеющим одинаковый зарядовый знак, отталкиваются. Причем чем сильнее их сближаешь, тем сильнее сопротивление этому безобразию. И надо приложить очень большие усилия, огромную энергию, чтобы сблизить протоны до соприкосновения. Но если такую энергию приложить, присходит чудо какое-то – протоны вдруг сцепляются между собой мертвой хваткой.

Ну а как на практике сблизить протоны, если у нас нет таких крепеньких микроскопических мужичков, как на картинке? Ну, например, можно разогнать частицы в ускорителе частиц по направлению друг к другу до такой огромной скорости, чтобы, сближаясь, они не успели затормозиться пружиной электромагнитного отталкивания и врезались друг в друга. Вот тогда короткие крючки ядерных сил сцепят протоны.

Но ведь у природы нет никаких ускорителей частиц, которые придумали и построили люди! А ядра атомов есть. И мы из них состоим! Значит, все-таки какой-то ускоритель у природы был, раз нас окружают сложные атомы, а не сплошной водород, состоящий из одного протона и болтающегося вокруг него электрона. Когда-то во вселенной действительно и был практически один водород, о чем мы еще поговорим. Но потом каким-то образом наработались сложные ядра химических элементов.

Каким? Что является тем природным ускорителем, который производит из элементарных частиц элементарные вещества таблицы Менделеева, из которых потом строятся молекулы, белки, витамины, слоны и крокодилы?

Этот ускоритель – звезды.

Звезда – это, как мы знаем, раскаленный газовый шар, первоначально состоящий практически из одного водорода. Водород является звездным топливом. Многие дети и даже некоторые взрослые знают, что водород – газ горючий и весьма взрывоопасный. Но в звездах он «горит» вовсе не так, как в привычном нам мире, поэтому слово «горит» я и взял в кавычки.

Что такое обычное горение – дров в костре, водорода в пылающем дирижабле, газа в газовой конфорке на кухне или же медленное-медленное горение съеденной нами пищи внутри нашего организма (отчего туловище разогревается и делается тепленьким, как печечка)? Что такое вообще горение? Горение – это окисление, то есть химическое соединение топлива с кислородом, который содержится в воздухе. Газ кислород вступает в химическую реакцию с топливом и, как говорят химики, окисляет его.

Костер – это бурная реакция окисления древесины, сопровождающаяся мощным выделением энергии – жаром и пламенем. Окисление пищи внутри топки нашего организма происходит гораздо медленнее и под контролем автоматики – так уж он устроен, наш организм: процесс окисления пищи внутри нашего тела протекает неспешно, без пламени, но с выделением тепла. Температура тела при этом поддерживается автоматически и равна 36,6 градуса. Можете градусником проверить, если не верите. (Иногда, правда, организм температуру немного повышает, чтобы бороться с заразой, «выжигая» таким образом микробов простуды.)

В этом смысле наше тело чем-то напоминает так называемый пиролизный котел. Такие котлы ставят иногда в деревенских домах для отопления. Они хитро устроены – чтобы дрова не сгорали быстро, резко повышая температуру дома до жаркой (а потом дом остывает и нужно опять корячиться, подкидывая дрова), горение в пиролизном котле осуществляется с малой подачей воздуха. Дрова там тлеют ме-е-едленно, не повышая температуру дома до неприятно жаркой, и при этом топливо не надо слишком часто подбрасывать в топку. Удобно! Умеренное горение – прямо как у нас в организме!

Для осуществления процесса сгорания пищи человеческий «котел» тоже засасывает в себя кислород через воздухозаборник, именуемый носом. Больше никаких причин для дыхания нет – только обеспечение топки организма окислителем. С той же целью засасывает воздух в двигатель любой автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Только в машине горит бензин, а внутри вас – колбаса.

Но звезды горят не так! Топливо там есть – водород. Но для обычного горения, то есть окисления, нужен кислород. А откуда он возьмется в звезде? Кислород сам по себе – сложный элементик.

Посмотрите в таблицу Менделеева, не поленитесь. Найдите кислород. У него номер 8. То есть в ядре кислорода содержатся 8 протонов и столько же нейтронов, а вокруг этого ядра кружатся 8 электронов. То есть кислород еще нужно как-то сделать, ведь вся изначальная вселенная при рождении состояла из смеси одних только элементарных частиц. Понятно, что водород при этом мог образоваться сам – электрончик просто притянулся к протончику и начал вокруг него кружиться, как планета вокруг звезды, – вот тебе и водород, здравствуйте! Но для того, чтобы получился кислород, надо уже приложить грандиозные старания и сблизить, преодолев силы отталкивания, аж целых 8 протонов! Нетривиальная задача!..

Так что все более-менее сложные химические элементы, сгруппированные добрым дядюшкой Менделеевым в одну табличку, были выработаны в ядерных реакторах звезд, и нигде больше. Мы чуть ниже разберем, почему и как это происходит, а пока ответим на вопрос, про который забыли, увлекшись печками и топками – зачем природе нужны нейтроны?

Почему нельзя было делать атомы из одних только протонов?

Электрончик, напомню, – очень легонькая частица, он меньше и легче протона почти в две тысячи раз! Нейтрон же по величине и массе практически такой же, как протон (их массы отличаются друг от друга буквально на один электрончик). Но нейтрон не имеет электрического заряда. Зато на него действуют ядерные силы. То есть нейтроны и протоны можно слепить в комочек атомного ядра, при этом нейтроны даже не будут сопротивляться этому сближению, так как, будучи электронейтральными, совершенно индифферентны к электромагнитному воздействию.

Так вот, несмотря на мощь ядерных сил, при накоплении в ядре положительного заряда (то есть увеличении числа протонов) их отталкивающая сила могла бы преодолеть ядерные силы, и ядро бы развалилось. Вот тут и вступают в игру нейтроны. Зарядом они не обладают, то есть в отталкивании не участвуют, но свою скрепляющую лепту в ядерные силы вносят. Они как бы «разбавляют» заряд ядра.

И сразу можно ответить на еще один интересный вопрос: а почему элементарных химических веществ (химических элементов) всего несколько десятков? Понятно, что сложных веществ, которые нас окружают – миллионы! Их молекулы конструируются из атомов – этих деталек мирового конструктора. Но почему самих деталек всего несколько десятков, почему в таблице Менделеева не тысяча элементов или хотя бы не несколько сотен?

Придумаем, например, элемент под номером 500! В нем должно быть 500 протонов, кинем туда для «разбавления» штук пятьсот нейтронов, запустим вокруг получившегося ядра 500 электрончиков и будем сидеть да радоваться. Но нету такого элемента в мире! Не существует он!

Почему?

Потому что существовать такой элемент не может из-за короткодействия ядерных сил. Они ведь, как мы знаем, работают на очень коротком расстоянии. А в больших ядрах, состоящих из десятков протонов и десятков нейтронов, крайние протоны, находящиеся по разные стороны ядра, уже располагаются так далеко друг от дружки, что короткодействующие ядерные силы между ними не работают, не дотягиваются. А дальнодействующие электромагнитные исправно расталкивают. Поэтому большие ядра неустойчивы, а сверхбольшие и вовсе не могут существовать. Оттого в нашем мире столько атомов химических элементов, сколько их в таблице Менделеева. Ученым удалось в лабораториях создать несколько штучек сверхтяжелых атомов на несколько мгновений (потом они распались), но в природе их нету. Ну и слава богу, нам же легче, учить меньше…

Теперь я с тревогой жду от вас самого сложного вопроса: «Все это, конечно, хорошо, что вы нам тут рассказываете, мужичок. Но осталась одна непонятка! Если отрицательно заряженный предмет притягивается к положительно заряженному, то почему электрон не падает на протон?»

Ах, какой больной вопрос!

Вот если магниты, например, сблизить одноименными полюсами, они будут отталкиваться, а если разноименными – притянутся и честно стукнутся друг об друга с приятным звуком. Почему то же самое не происходит с электрическими зарядами – отчего электрон, который притягивается к протону, не падает на него, а начинает вокруг него кружиться?

Если вы зададите этот губительный вопрос родителям, скорее всего они не ответят. Но есть также вероятность, что папа начнет фантазировать и попробует привлечь для ответа аналогию. Он может сказать, например, такое:

– Дорогой мой любимый ребенок! Как ты знаешь, планеты тоже притягиваются к Солнцу, но на него не падают. И Луна к Земле притягивается, но нам на голову не падает. Потому что она кружится вокруг Земли. Вот и электрон тоже кружится и не падает…

В том, что касается планет, папа, конечно, прав. Да, планеты друг к другу притягиваются. И не только планеты. Вообще любые предметы, имеющие массу, притягиваются друг к другу. Земля к Солнцу притягивается, человек к Земле – и именно поэтому мы по нашей планете спокойно ходим, а не улетаем в мировое пространство. А споткнувшись, больно падаем, расшибая коленки. Потому что притягиваемся!

Это называется гравитация. Слышали такое слово?.. И это уже третий тип физического взаимодействия, который мы теперь знаем! Первый – сильное (ядерное) взаимодействие. Второй – электромагнитное. Третий – гравитационное.

Гравитационное взаимодействие самое слабое из перечисленных. Мальчик, играющий на полу, притягивается к маме, стоящей в дверном проеме и пытающейся заставить его собрать игрушки и идти в кровать. Но сила их взаимного притяжения так слаба, что легко компенсируется силой трения между их телами и полом. Вы, надеюсь, знаете, что такое сила трения? Если нет, спросите у любого из родителей, это должна знать даже мама. В конце концов, не все же мне вам объяснять, пусть что-нибудь расскажут и родители, а то переложили на меня все заботы о воспитании собственного чада!..

Короче, очень слаба гравитация, поэтому ребенка и не волочет по полу в направлении более массивной мамы. Но почему тогда мы так больно притягиваемся к Земле и потом ходим с зелеными коленками? Почему мы вообще ходим по ней, а не улетаем в космос, если слаба сила гравитации?

Сила гравитации зависит от массы тяготеющих друг к другу тел. Земля очень тяжелая. Она по сравнению с вашей мамой имеет просто гигантскую массу. Оттого и притягивает нас всех к себе. Солнце имеет массу еще большую. Поэтому сила притяжения Земли и Солнца достаточна для того, чтобы удерживать их вместе в одной системе.

А вот в микромире из-за микроскопических масс частичек сила гравитации совсем уж ничтожна. Электрон, как частица, имеющая массу, притягивается к протону. И даже к другому электрону! Но поскольку силы гравитации в сравнении с электромагнитными силами ничтожны, ими в микромире можно совершенно спокойно пренебречь.

Однако в макромире, мире планет и звезд, из-за большой массивности небесных тел тяготение между ними проявляется очень сильно. И планеты кружатся вокруг светил, а Луна вокруг Земли только потому, что они притягиваются, тяготеют друг к другу гравитационно. Но папа был совершенно неправ, когда проводил аналогию между электроном, который кружится вокруг протона, и Землей, которая кружится вокруг Солнца. Потому что электрон не падает на протон совсем по другой причине, нежели это происходит в планетарных и звездных системах. Луна не падает на Землю, а Земля на Солнце по иным обстоятельствам. Сейчас мы их разберем.

Итак, почему одно тяготеющее тело не падает на другое? А кто вам сказал, что не падает? Очень даже падает! Яблоко, упавшее с яблони, прекрасно падает на землю. Мальчик, упавший с яблони, прекрасно падает рядом с яблоком возле яблони и начинает грызть яблоко. Метеориты и астероиды, прилетевшие из космоса, отлично падают на Землю. Тяготеющие друг к другу массы прекрасно могут соприкасаться друг с другом или, что то же самое, падать друг на друга. Можно сказать, что яблоко упало на Землю, а можно сказать, что Земля упала на яблоко, а можно сказать, что они упали друг на друга, поскольку взаимно притянулись друг к другу, просто яблоко пролетело больший путь навстречу Земле, чем Земля сдвинулась навстречу яблоку, так как Земля в миллиарды раз массивнее яблока.

Но почему тогда Луна не падает на Землю, как яблоко? Почему искусственный спутник Земли – например, спутник связи – будучи запущенным на орбиту, не падает с этой орбиты вращения обратно на Землю?

Падает! В том-то и дело! Постоянно, каждое мгновение падает!

Но никак не может упасть.

Потому что имеет «боковую» скорость. На картинках ниже видно, как и почему это происходит.


Если мы выстрелим снарядом из пушки параллельно поверхности земли, он пролетит какое-то время и упадет. Потому что его притягивает. Расстояние пролета зависит от скорости. Скорость V2 больше скорости V1. А скорость V0 вообще равна нулю, и тело спокойно падает вниз.


Если огромная пушка стоит на высокой горе, снаряд пролетит еще дольше, потому что земля как бы убегает от него «вниз» из-за кривизны поверхности.


Если этот «загиб» поверхности планеты продолжить, и землю «закруглить» и превратить в Землю, то снаряд так и будет вращаться вокруг нее. И никогда не упадет. Тут все дело в скорости! При маленькой скорости (V1 и V2) снаряд, конечно, свалится на поверхность. Но скорость можно поднять до столь высокой (V3), при которой снаряд не сможет упасть: притягивающая поверхность планеты все время будет убегать от него из-за кривизны. Такую скорость, при которой спутник вращается вокруг нашей планеты, называют первой космической скоростью. Она равна примерно 8 км/сек.

А если скорость снаряда еще больше увеличить (V4), так снаряд и вовсе улетит от Земли, хотя та его по-прежнему притягивает.

В общем, из объяснений к картинкам ясно, почему одно тело хоть и притягивается к другому, но не обязательно падает на него. Может и просто мимо пролететь, если скорость достаточно велика, только траектория чуть искривится в сторону притягивающего тела. А может так случиться, что более массивное тело вовлечет в свою орбиту менее массивное, и тогда маленькое станет вращаться вокруг большого.

Теперь понятно, почему не всегда маленькое тело входит в соприкосновение с большим, хотя они и тяготеют друг к другу?

Так вот, с электронами все совсем не так! И дело тут в особых свойствах микромира, которые вовсе не напоминают свойства макромира. Подробнее об этом написано в книге «Физика на пальцах», и я рекомендую вам ее купить и с удовольствием прочесть. А здесь я вынужден без долгих объяснений ограничиться краткой констатацией факта: электрон далеко не всегда ведет себя как маленькая частичка, то есть как крохотный заряженный шарик, каким его обычно рисуют в учебниках и книгах!

И это касается всех микрочастиц.

Когда микрочастица попадает куда-то, например, электрон, выпущенный из специальной электронной пушки летит внутри вакуумной трубки, из которой откачан воздух (чтоб не мешался), а потом ударяется в препятствие – скажем, в противоположный конец запаянной вакуумной трубки – он стукается в него в одной конкретной точке, соответствующей размеру электрончика. Если противоположный конец вакуумной трубки превратить в экран, намазав его специальным веществом, которое может светиться после удара электрона, то мы увидим, что после попадания в экран электрончика, на экране засветится одна точка.

Но когда электрон находится в полете, про него нельзя сказать, что это микрочастица и что он летит с определенной скоростью по определенной траектории, занимая в каждый момент времени определенное место! Нет! Пока электрон не «прореагировал» с другой микрочастицей, например с частицей экрана, он частицей не является. Он является волной, туманным облачком вероятности, он нигде не локализован, не сосредоточен, то есть занимает гигантский (по сравнению с его локальным размером) объем.

Понять это с налету непросто, потому что очень непривычно. Как это – электрон является волной? А вот так – является, и все тут! К этому нужно просто привыкнуть, и тогда возникнет иллюзия понимания: когда электрон находится в свободном полете, он волна и занимает большой объем. А когда шибанулся обо что-то – частица. И это касается не только электрона, но и любого другого объекта микромира. Повторюсь: подробнее об этих интригующих тайнах мироздания вы можете прочесть в вышеупомянутой книге.

Итак, отчего же электрон, мощно притягиваясь к протону, не падает на него? Да потому что летящий электрон, как мы выяснили, занимает огромный объем, это, по сути, целое электронное облако. Волнующееся облачко электронного тумана. И это облачко гораздо больше, чем ядро атома. Потому оно в него и не помещается, а находится вокруг ядра, максимально к нему притянувшись.

Странно, правда? Ранее мы писали, что электрон в тысячи раз мельче и легче протона. И это было правдой. А теперь мы узнали, что электрон во много-много раз больше протона. И это тоже правда. Таковы чудеса микромира. Когда электрончик локализован, воткнулся куда-то, про него можно сказать: это крохотная частица такого-то малюсенького размера. А если он в свободном полете, это сильно размазанная по пространству волна, которая занимает огромный объем, и электрон одновременно находится во всем этом объеме. Поэтому электронное облачко и сосредоточено вокруг протона.

И здесь хотел бы я написать, что нет такой силы, которая могла бы втиснуть электронное облачко в протон… Но не могу! Не могу я так написать! Это будет нечестно. Потому что в нашей Вселенной иногда встречаются отдельные места, где подобный кошмар происходит. Это ад просто, что творится в таких местах! Приготовьтесь к жуткому рассказу, и надеюсь, что вы читаете эту книгу не темной ночью, а ясным днем, когда страхи не так сильно овладевают маленьким детским тельцем.

Короче, места такие называются нейтронными звездами. Это довольно тяжелые, массивные звезды, в конце жизненного цикла они постепенно гаснут, израсходовав топливо, их температура, то есть скорость частиц горячего газа падает, и частицы, которые ранее мельтешили, как безумные, расталкивая друг друга, начинают под действием гравитации стремиться к центру тяжести, то есть к центру звезды. Звезда обваливается сама в себя, все более уплотняясь. Раньше она была огромна и простиралась в пространстве на десятки тысяч километров. А схлопнувшись, стала шариком размером в какой-то десяток километров в диаметре! Это происходит из-за огромной массы звезды. Она столь массивна, что ее гравитационные силы необыкновенно велики. Они просто чудовищны! Они чудовищны настолько, что начинают буквально загонять электроны в протоны.

И знаете, что получается, если электрон гравитационным прессом невероятной силы затолкать в протон? Получится нейтрон! Нейтральная частица, в которой отрицательный заряд электрона скомпенсирован положительным зарядом протона.

И тогда выходит, что вся огромная звезда состоит не из привычного нам вещества – водорода, гелия и других химических элементов, которые успели наработаться в звезде в результате ядерных реакций, а из одних нейтронов. Потому и называется нейтронной.

Это очень странная звезда! По сути, не звезда уже, а гигантское атомное ядро без протонов. Сплошной нейтронный комок. Плотность этой звезды равна плотности атомного ядра. А, между прочим, плотность ядра огромна, она в 100 миллионов раз выше плотности обычного вещества! Один кубический сантиметрик такого вещества, окажись он на Земле, весил бы 150 миллионов тонн!

Это удивительно, не правда ли? И можно даже спросить: а откуда ж такая плотность вещества? Почему ядерное вещество, то есть ядра атомов такие плотные, а обычное вещество, в которых эти ядра тоже есть, не такое тяжелое?

Да потому что обычное вещество практически пусто внутри! Вся тяжесть привычного нам вещества, состоящего из атомов, сосредоточена в атомных ядрах. Ядра эти занимают совсем мало места по сравнению с размером атома. А электроны, которые, словно облачка, парят вокруг ядер, практически ничего не весят и находятся довольно далеко от ядер. Если атомное ядро увеличить до размеров футбольного мяча, то сам атом будет размером со стадион. Размер атома – это диаметр его крайних электронных орбит, а они расположены довольно далеко от ядра.

То есть атом внутри, как я уже сказал, практически пуст. Есть капелюшечка плотного вещества (протоны и нейтроны) в самом центре, а вокруг – размазанная облачком микроскопическая электронная масса.

Вещество нашего мира, из которого мы состоим и которое нас окружает, внутри почти пустое, поэтому оно привычной нам плотности. А вот ядерное вещество из сбитых вплотную друг к другу нейтронов и протонов, не «разбавленное» шубой электронов, очень плотное!

И вот теперь, маленько разобравшись с микромиром и его обитателями, мы должны приступить к прояснению главного вопроса, коему и посвящена данная глава – о том, откуда взялись во Вселенной химические элементы, из которых строится жизнь.

Мы еще поговорим о том, откуда взялась сама Вселенная, а сейчас просто констатируем факт, который уже упоминали – в ранней горячей Вселенной поначалу существовали только элементарные частицы. Встречаясь с протонами, электрончики притягивались к ним, образуя простейшее химическое вещество – водород. Иногда к протону ласково пристраивался пронырливый нейтрон. В этом нет ничего удивительного, поскольку нейтрон электронейтрален и не отталкивается от протона, а значит, легко может войти с ним в соприкосновение и сцепиться при помощи сильного взаимодействия (ядерные силы).

Поскольку ранняя Вселенная была горячая, иногда случалась и более редкая встреча – сталкивались два протона, один из которых или даже оба имели к тому времени «на борту» нейтрон. Вы уже знаете, что, поскольку протоны положительно заряжены, они отталкиваются друг от друга, и для того, чтобы их сблизить до соприкосновения, чтобы включились короткодействующие ядерные силы, нужно затратить большую энергию. Или, что то же самое, протоны должны иметь огромные скорости, чтобы силы электростатического отталкивания не успели их затормозить, и они все же врезались бы друг в друга. Бабах!

Так вот, поскольку молодая свежеиспеченная Вселенная была горячей, то есть скорости частиц в ней были высоки, такие «бабахи» периодически случались. А что это значит, если встречаются и сцепляются между собой два протона, один из которых (или оба) уже ранее сцепился с нейтроном? Получается комок из двух протонов и, допустим, пары нейтронов, а это – уже химический элемент № 2 из таблицы Менделеева. Он называется гелий. Понятно, что вероятность его образования меньше, чем обычного водорода, где электрончику достаточно всего лишь притянуться к протону – и дело в шляпе!

Считается, что ранняя Вселенная состояла примерно на 90 % из водорода и примерно на 10 % из гелия. Затем Вселенная остыла, то есть скорости частиц упали, и дальнейшие химические элементы образовываться уже не могли. Так бы и осталась наша Вселенная наполнена двумя простыми газами, если бы через некоторое время не начали образовываться новые жители космоса – звезды.

Под действием гравитации, то есть взаимного притяжения частиц друг к другу, атомы рассеянного по всей Вселенной газа стали постепенно-постепенно собираться сначала в гигантские туманности и облака, потом сгруппировались в более компактные протозвезды, а затем зажглись и стали звездами.

Почему зажглись?

Сила тяготения настолько сблизила атомы водорода между собой в гигантском газовом шаре, что из-за тесноты и мельтешения началась так называемая термоядерная реакция. Это реакция синтеза из водорода более тяжелых химических элементов. Когда протоны из-за огромной скорости сталкиваются между собой (а высокая скорость, как мы помним, нужна для преодоления силы отталкивания положительно заряженных протонов) и слипаются, сцепленные короткими крючками сильного взаимодействия, при этом выделяется довольно много энергии.

В каком виде выделяется эта энергия?

Она выделяется в виде излучения! В виде, друзья мои, обычного электромагнитного излучения! Вы прекрасно знаете, что такое излучение. Это свет. Это тепловое (так называемое инфракрасное) излучение. Это радиоволны. Это рентгеновские волны… Все перечисленное есть электромагнитные волны или, что то же самое, электромагнитное излучение. Которым светят звезды.

Вся наша Вселенная, таким образом, состоит из материи в виде частиц и электромагнитного поля в виде электромагнитных волн разного диапазона (радио, свет, рентген и пр.). И эти два великих вселенских актера – вещество и поле – играют свой мировой спектакль на сцене пространства… Тут у нас словечко новое появилось – «поле». Это чего такое? Поле – особый вид материи. Он не такой плотный, как вещество. Поле вообще, считай, ничего не весит, но оно окружает заряженные частицы – электроны и протоны. Именно посредством электромагнитного поля они и взаимодействуют – отталкиваются и притягиваются.

А какая разница между электромагнитным полем и электромагнитным излучением? А такая, как между океаном и волнами. По воде могут бежать волны. И по электромагнитному полю тоже могут бежать волны – электромагнитные. У них разная частота колебаний, и, в зависимости от частоты, мы эти волны по-разному воспринимаем: если частота низкая, это радиоволны, высокая – рентгеновские. Мы их производим и ловим приборами – антеннами, радиоприемниками, рентгеновскими аппаратами. Но некоторые частоты мы можем воспринимать непосредственно своими органами чувств – глазами – в виде света.


Шкала электромагнитных колебаний. Частоты указаны в килогерцах, мегагерцах и гигагерцах. Слева низкие частоты, справа высокие. Звезды, кстати, излучают во всех диапазонах, просто в каких-то сильнее, в каких-то слабее.

Так вот, при слиянии протонов и образовании таким образом нового атомного ядра, излучаются потоки электромагнитных волн разного диапазона – радиоволны, свет, тепло. Поэтому звезды светят и греют. Одновременно нарабатывая новые химические элементы.

Это понятно. Непонятно другое! Ну, вот допустим, в недрах звезд постепенно тратится водород и нарабатывается таблица Менделеева. Но мы-то здесь при чем? Мы-то живем не в горячей звезде. Мы-то живем на холодненькой планете, которая вместе с нами состоит из разных химических элементов и более сложных химических веществ! Как наработанные элементы попадают на планеты, точнее, как из них образуются планеты, на которых потом возникает жизнь – сначала биологическая, а потом и социальная, то есть разумная?

Вот умеете вы задавать вопросы! Молодцы, что сказать…

Отвечаю. Некоторые большие звезды в конце своего жизненного пути взрываются. Такие звезды называют новыми и сверхновыми. Мы о них еще подробнее поговорим, когда будем наблюдать за жизнью и смертью звезд. Взорвавшись, такие звезды раскидывают вокруг себя в пространство остатки водородного топлива и наработанные химические элементы. На месте звезды образуется так называемая туманность – огромное, протянувшееся на сотни миллионов километров облако. Которое постепенно под действием гравитации останавливает свой взрывной разлет и начинает вновь собираться к центру, все больше уплотняясь. В центре этого уплотняющегося образования на остатках топлива загорается новая звезда, а вокруг нее из наработанных химических элементов формируются планеты. Так возникла и наша Солнечная система.

Поэтому с полным правом можно сказать, что мы с вами состоим из пепла умерших звезд…

<<< Назад
Вперед >>>

Генерация: 0.626. Запросов К БД/Cache: 0 / 0
Вверх Вниз