Из чего состоят атомы
Может показаться странным, что физики начали приходить к единому мнению относительно существования атомов именно в то время, когда становилось все более очевидным, что атомы не являются неделимыми частицами, какими их считал Демокрит, а, напротив, обладают сложной внутренней структурой. Однако ничего удивительного в этом нет: научные представления, как правило, формируются не в результате каких-то решающих экспериментов, прямо доказывающих существование того или иного явления или свойства, а в ходе продолжительного исследования этого явления во всех его взаимосвязях. Успехи, достигнутые физикой XX в. в понимании мира атомов, в большей степени обусловлены изучением составных частей атомов и их влияния на свойства атомов, нежели наблюдением за поведением атомов, находящихся в веществе. Более того, некоторые свойства твердых тел невозможно понять без знания структуры атомов.
Так, электрические свойства металлов удалось объяснить, только исходя из того, что электрон — одна из составных частей атома — способен существовать в твердых телах и не будучи связанным с отдельными атомами. Однако при этом трудно было узнать что-либо о свойствах самих электронов. Сведения об электронах и других составных частях атома были вначале получены на основе непосредственного исследования строения атома. Мы можем назвать, по крайней мере, два случая, когда атомы распадаются на составные части, которые существуют сами по себе, так что их удается изучать независимо от «целого» атома. Некоторые атомы обладают способностью распадаться самопроизвольно, без какого-либо внешнего воздействия. Это явление, открытое в 1896 г. Антуаном Анри Беккерелем, называется естественной радиоактивностью. Кроме того, распад атомов на части можно вызвать искусственно, сталкивая движущиеся с большими скоростями атомы между собой.
В подобных экспериментах возникают «осколки» атомов (как при разбивании обычных предметов), которые, по-видимому, более устойчивы, чем исходные атомы. Как выяснилось еще в начале нашего столетия, при этом образуются осколки всего нескольких определенных типов — они похожи друг на друга, в отличие от осколков разбитого стакана. Естественно было, поэтому предположить, что осколки изначально присутствуют в атоме и при «разбивании» атома не создаются вновь, а лишь высвобождаются. Впрочем, в дальнейшем мы увидим, что это, казалось бы, разумное предположение нельзя распространять на все взаимодействия атомов; в особенности это касается взаимодействия на субатомном уровне. Чтобы атомы при столкновениях распадались, их кинетические энергии должны превышать ту, которую они обычно имеют в земных условиях. Если бы это было не так, «целые» атомы редко встречались бы на Земле, так как они постоянно сталкиваются между собой. В звездах, где температуры очень высоки и поэтому атомы обладают колоссальными энергиями, «целые» атомы, как правило, отсутствуют. Кроме того, при столкновении атомов, движущихся с большими скоростями, часть их кинетической энергии передается образующимся осколкам, которые в результате покидают вещество и поэтому их легче обнаружить. Когда же продукты распада движутся медленно, они могут быть захвачены другими атомами прежде, чем нам удастся их обнаружить.
Для того чтобы атомы приобрели большую энергию, их нужно ускорить. Легче всего ускорить электрически заряженные атомы, которые можно получить, пропустив электрический ток через газ. Поскольку в нормальном состоянии атомы электрически нейтральны, появление у них электрического заряда означает, что «нечто» либо прибавляется к ним, либо отнимается у них. Но это еще почти ничего не говорит нам о природе зарядов и о том, являются ли они составными частями нейтральных атомов. Электрически заряженный атом, или ион (положительный), в электрическом поле ускоряется в направлении действия электрической силы. Если начальная скорость иона мала и сила действует на него какое-то время, то приобретенная им скорость будет всецело обусловлена действием этой силы и направлена в ту же сторону, что и сила. Другими словами, кинетическая энергия иона определяется работой по ускорению заряда, совершенной электрической силой.
Если сила постоянна по величине, то работа, соответствующая изменению кинетической энергии и она, будет пропорциональна пути, на протяжении которого действует сила, и величине силы. С другой стороны, произведение силы на путь пропорционально разности потенциалов (обычно измеряемой в вольтах (В)), которую проходит заряд. Во многих случаях можно считать, что изменение кинетической энергии движущегося заряда компенсируется изменением потенциальной энергии тех зарядов, которыми создаются электрические силы. Изменение кинетической энергии заряда зависит также от его величины. Как мы увидим в дальнейшем, заряд иона обычно равен всего одному или нескольким зарядам электрона (заряд электрона принимается за единицу). Работа, совершаемая над единичным зарядом при прохождении им разности потенциалов в 1 В, составляет 1эВ (электрон-вольт). В соответствии с законом сохранения энергии эта работа равна кинетической энергии заряда, приобретенной им при прохождении данной разности потенциалов. Такая единица энергии очень удобна при описании атомных процессов, поскольку, для того чтобы атомы при столкновении разрушились, обычно достаточно энергии в несколько электрон-вольт.
