Сантиметры, граммы и секунды. И джоули. И прочее.

Выше было написано, что заряд протона равен 4,8×10^-10 . Значит, заметил один проницательный хвост, это неверно, что заряд протона равен «+1»?

Я взял линейку и ухватился за этот хвост. Длина хвоста оказалась равной 56 сантиметрам. Но когда я сообщил ему этот результат, он со мной не согласился. Оказывается, в мире хвостов сантиметрами не пользуются, им они ни к чему. Там пользуются единицей измерения, которая так и называется – один хвост, или, короче, просто «один». Так что, возразил он, длина моего хвоста равна единице. Я не стал с ним спорить, дал ему банан и он покинул мой мир.

В нашем крупномасштабном, большом макромире мы пользуемся системой, которая имеет обозначение «СИ». В нее входят такие привычные понятия, как метр (мера длины), килограмм (мера массы), секунда (мера времени), ампер (мера силы электрического тока), кельвин (мера температуры), моль (единица измерения количества вещества – не массы, а именно количества, т.е. например количества молекул), кандела (мера силы света), кулон (мера количества электричества). Все эти единицы измерения имеют «независимую размерность», то есть ни одна из них не может быть получена из других. Это означает, что если мы знаем длину хвоста, то никаким образом отсюда не сможем узнать его массу, а зная только массу, длину и температуру хвоста, мы не можем узнать – какой силы свет он испускает.

В микромире нам удобно пользоваться системой, которая называется «СГС», и тут длина измеряется в сантиметрах, масса в граммах, а время в секундах. Остальные меры измерения берутся в зависимости от того, как это нам удобно – главное, не забыть потом пересчитать все это в те единицы измерения, которые нам удобны.

В макромире мы используем «кулон» для единицы измерения количества электричества. Один кулон определяется, как количество электричества, проходящего за одну секунду через поперечное сечение проводника при силе тока в один ампер. И для того, чтобы спроектировать настольную лампу, эти единицы измерения удобны. Но что, если мы будем измерять в кулонах электрический заряд отдельных электронов и атомов? Это возможно. Например, электрический заряд электрона – то есть предельно маленький в природе – равен «−1,60217653×10⁻¹⁹» кулона. Это удобное число? Удобно складывать его, умножать, вычитать? Ужасно неудобно. Поэтому решили, что для простоты мы введем новую единицу измерения количества электричества, и в качестве этой единицы возьмем собственно вот этот один хво…, то есть заряд электрона. И обозначать эти единицы измерения мы будем буквой «e». Вот и получается:

−1,60217653×10⁻¹⁹ Кл = -1е

Занимаясь вычислениями в физике, необходимо внимательно смотреть, чтобы при подстановке в формулы не ошибаться, и ставить именно те единицы измерения, в которых ведутся расчеты. Поскольку сейчас я хочу дать только общее представление об атомной физике, а не научить делать сложные расчеты, то мы и не уделяем пристального внимания вопросам вычислений. Но постепенно мы научимся и вычислять. В формулах предыдущего параграфа мы оперировали единицами системы СГСЭ (разновидность системы СГС), значит и величину заряда мы должны измерять не в кулонах и не в единицах «е», а в специальных единицах, принятых с СГСЭ. Эта единица так и называется: «ед. СГСЭ» - не слишком благозвучно. И поэтому если быть точным, то надо было написать так:

Заряд протона равен 4,8×10^-10 ед.СГСЭ

Прочность ядер.

Физики для удобства вводят некоторую среднюю характеристику прочности ядра атома, которую называют «энергией связи нуклона в ядре», и которая равна полной энергии связи, деленной на число нуклонов в ядре. Для обозначения энергии связи нуклона используем символ «E₁». Для гелия E₁ = 28,3/4 = 7,1 МэВ.

Экспериментально обнаружено, что для более тяжелых ядер энергия связи нуклона вначале возрастает (то есть ядра становятся прочнее), достигает своего максимума в 8,5 МэВ примерно в середине таблицы Менделеева для элементов, расположенных вблизи олова, и затем начинает равномерно уменьшаться до значения 7,6 МэВ для ядра урана. Это можно пояснить такой аналогией: если в некоторой конструкции ставить стену за стеной и соединять их арками, прочность будет расти. Если продолжать добавлять к имеющимся аркам кирпич за кирпичом, конструкция будет становиться громоздкой и ее прочность начнет уменьшаться. Где-то в районе олова прочность нуклонной конструкции подходит к своему максимальному значению, так как конструкция из такого количества нуклонов становится слишком громоздкой, и с добавлением новых нуклонов начинает уменьшаться. Синтезированные искусственно ядра и вовсе нестабильны и тут же рассыпаются. Для того, чтобы конструкция из множества нуклонов стала вновь стабильной, необходимо полностью изменить устройство ядра – вместо сложенной вместе кучки должно появиться что-то другое. Можно вспомнить, что высокие башни, сделанные из ажурных, как паутина, конструкций, прочнее сплошных – при равной массе сплетенные конструкции могут быть в несколько раз выше. Может быть и человеку удастся когда-нибудь не просто добавлять в ядро нуклон за нуклоном, а строить из них прочные ажурные конструкции?

Для сравнения скажем, что энергия химической связи между двумя атомами водорода в молекуле водорода равна 4,5 эВ, то есть в полтора миллиона раз меньше, а для испарения воды, то есть для преодоления притяжения между молекулами воды, достаточно затратить и вовсе всего лишь 0,1 эВ.

Дальше нас ждет самое, пожалуй, интересное – ядерные реакции, модель атома Бора, квантовая механика, корпускулярно-волновой дуализм, радиоактивность и многое-многое другое, что в полной мере выросло и окрепло в начале двадцатого века.