146
значения и изменяется скачкообразно в ходе квантового перехода из одного стационарного состояния в другое. При этом, как и предполагал Бор, испускается или поглощается квант света (фотон) определенной частоты. Кроме того, все атомы под-
чиняются принципу корпускулярно-волнового дуализма. Это означает, что, например, движение электронов в атоме можно рассматривать и как перемещение материальных частиц по траектории, и как сложный волновой процесс.
Строго говоря, электроны в атоме представляют собой не частицы в обыденном понимании (например, мельчайшие шарики с отрицательным зарядом, образ которых подсказывают стереотипы повседневного опыта), а нечто вроде электронных облаков. Такие облака имеют различные формы и как бы рассеяны вокруг ядра. Наибольшая их плотность сконцентрирована ближе к атомному ядру, так что планетарная схема атома Резерфорда отражала реальную картину соотношения ядра и электронов очень условно и приблизительно. В сложных атомах могут существовать несколько электронных слоев и оболочек. Электронные облака (орбитали) имеют различные пространственные формы: сферическую, форму объемной восьмерки, форму двойных перпендикулярно расположенных восьмерок и др.
Близкие к ядру электроны отличаются устойчивым положением. А вот наиболее удаленные от ядра электроны неустойчивы и имеют низкую энергию отрыва от атома. Покидая его, они превращают атом в положительный ион. Согласно принципу Паули, электроны распределяются вокруг ядра по квантовым состояниям, которые определяются четырьмя квантовыми числами, т. е. специальными характеристиками. Это означает, что в одном состоянии может быть только один электрон, а в раз-
147
личных слоях и оболочках может быть только определенное количество электронов.
В ближайшем к ядру слое может быть только 2 электрона; во втором и третьем слоях – по 8 электронов (в оболочках их будет 2 и 6); в четвертом и пятом слоях – по 18 электронов (в оболочках – 2, 6, 10); в шестом и седьмом слоях – по 32 электрона (в оболочках – 2, 6, 10, 14). Электроны внешних слоев, особенно если их много, легко покидают атом и устанавливают внешние связи с другими атомами. В результате таких связей образуются сложные химические структуры, называемые молекулами. Таким образом, свойства электронов на внешних оболочках отвечают за химические связи элементов таблицы Менделеева.
Первое время после открытия протона и нейтрона физики считали эти частицы неделимыми. Однако спустя некоторое время было установлено, что они тоже являются составными. По современным представлениям протоны и нейтроны состоят из микрочастиц, получивших название кварков. Многие физики предполагают, что электроны и кварки, а также некоторые другие микрочастицы, могут претендовать на роль истинно элементарных частиц мироздания.
Выше мы отметили, что связь электронов с ядром атома обеспечивают электромагнитные силы – отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженному ядру атома. А что же удерживает нуклоны в ядре атома, ведь не все из них имеют электрический заряд? Оказывается, за связи протонов и нейтронов в ядре отвечает сильное ядерное взаимодействие. Оно намного мощнее, чем силы электростатического отталкивания положительно заряженных протонов.
Сколько же существует разновидностей атомов в природе? В XIX в., когда Менделеев создавал свою периодическую си-
148
стему, было известно более 60 химических элементов. В 30-е гг. ХХ в. таблица Менделеева заканчивалась элементом № 92 (уран). В середине ХХ в. путем искусственного синтеза были получены новые элементы: нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, фермий и др. Позже удалось синтезировать еще несколько новых элементов.
Таким образом, современная таблица Менделеева состоит из 118 основных элементов или разновидностей атомов. Тем не менее, физики полагают, что и это совсем еще не предел. Однако ядра с числом протонов выше 110 очень нестабильны. Даже их искусственное синтезирование сопряжено с большими техническими трудностями. Поэтому вопрос о том, существуют ли такие атомы в природе в естественном состоянии, пока остается открытым.
После открытия сложной структуры атома физики предположили, что элементарными частицами являются электрон, протон и нейтрон. Однако постепенно выяснилось, что протон и нейтрон тоже имеют сложное строение, а различных микрочастиц в течение ХХ в. было открыто несколько сотен разновидностей. Все они по сложившейся традиции назывались элементарными, хотя более 90 % из них таковыми, по сути, не являлись, так как состояли из других частиц. Таким образом, поиск подлинно элементарных частиц в ХХ столетии явился одним из магистральных направлений развития физики микромира. Кроме того, остро обозначилась проблема классификации микрочастиц.
В самом общем виде для неклассической науки характерно разделение всех известных микрочастиц на две основные группы: субэлементарные (субъядерные) частицы и элементарные частицы. Первые из них имеют сложную внутреннюю структуру и сами состоят из других квантовых частиц (атомы, протоны,
149
нейтроны и др.). Вторые не обнаруживают внутренней структуры, поэтому на данном этапе развития науки считаются простыми (электрон, нейтрино, кварки и др.).
Для систематизации достижений неклассической физики ХХ в. построим наглядную схему устройства микромира с точки зрения уровней организации микрочастиц. При этом будем двигаться от наиболее сложных и относительно крупных частиц к простым и наименьшим частицам:
−молекулы состоят из атомов;
−атом состоит из ядра и электронов;
−ядро атома состоит из нуклонов – имеющих положительный электрический заряд протонов и электрически нейтральных нейтронов;
−протоны и нейтроны состоят из кварков, имеющих шесть основных разновидностей.
Кроме отмеченных существует особый класс частиц, называемых частицами-переносчиками физических полей или взаимодействий. К ним относятся фотон, восемь видов глюонов, три вида тяжелых бозонов и гипотетическая частица гравитон.
Необходимо подчеркнуть, что на самом деле устройство квантового микромира выглядит намного сложнее этой крайне упрощенной схемы, и микрочастиц было открыто намного больше. Многие из них проявляются в физическом мире только во время взаимодействий, имеющих крайне высокие энергии, причем время протекания взаимодействий невероятно мало и составляет мельчайшие доли секунды.
Основными физическими характеристиками субэлементарных и элементарных частиц являются: масса покоя или масса движения, время жизни, заряд, спин (момент импульса или вра-
щения частицы). Все микрочастицы обладают свойством кор-
150
пускулярно-волнового дуализма, что означает экспериментально зафиксированное двойственное поведение этих микрообъектов в различных физических обстоятельствах. В некоторых случаях они ведут себя подобно частицам, в других – подобно волновой материи. Поэтому для них применяется один из базовых принципов квантовой механики – принцип дополнительности. Он означает, что в описании микрообъектов понятия «частица» и «волна» не исключают, а дополняют друг друга. С точки зрения здравого смысла и обыденного опыта это кажется невероятным. Тем не менее, философской диалектикой уже давно обосновано противостояние и единство противоположных свойств природных объектов. Вне такой противоречивой двойственности понимание сложных явлений и процессов оказывается практически невозможным. Это, в частности, убедительно подтвердила физика микромира.
Большим достижением неклассической науки ХХ в. явилась теоретическая разработка проблемы физических взаимодействий. В результате развития естествознания ученые пришли к выводу о том, что все известные в природе силы можно свести всего к четырем фундаментальным физическим взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому ядерному и сильному ядерному. Каждое из них имеет некоторые сходства и существенные отличия от других взаимодействий.
Важнейшее значение в этом контексте приобретает представление о сущности или механизме взаимодействия. Для неклассической науки характерно убеждение, что каждая из фундаментальных сил природы проявляется в виде особого физического поля, которое распространяется с конечной скоростью. Этот теоретический подход называется принципом близкодействия. Например, скорость распространения электромагнитного поля в космическом вакууме составляет около