Тема 6.

Концепции квантовой механики.

Ядерная физика. Радиоактивность.

Ядерная энергия (микромир)

Как уже было сказано выше, на рубеже XIX и ХХ веков началась

третья революция в физике, и связана она была с тем, что классиче-

ская физика не могла объяснить ряд открытий, сделанных в конце

XIX века. Это были прежде всего открытые немецким физиком К.

Рентгеном неизвестные лучи (Рентген так и назвал их – Х-лучи), а

также обнаруженное французским физиком А. Беккерелем явление

Концепции современного естествознания

23

радиоактивности. Беккерель работал с солями урана и заметил, что

они, как и Х-лучи, зачерняют фотопластинку.

Исследования Беккереля были продолжены французскими уче-

ными супругами П. и М. Кюри, нашедшими в урановой руде, из ко-

торой они получали чистый уран, два новых химических элемента.

Первый супруги назвали радием, что по-латыни означает «лучи-

стый» (его излучение было действительно гораздо интенсивнее излу-

чения урана), а второй Мария Кюри, урожденная Склодовская, на-

звала в честь своей родины Польши полонием.

За эти открытия А. Беккерель и супруги П. и М. Кюри были удо-

стоены Нобелевской премии.

В 1900 г. немецкий физик М. Планк, работая над проблемой излу-

чения абсолютно черного тела, пришел к выводу, что энергия излу-

чается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями. Та-

кую порцию энергии он назвал квантом. Одновременно Планк вывел

формулу, связывающую энергию (Е) с частотой излучения или по-

глощения (н) и вычислил коэффициент пропорциональности, впо-

следствии названный константой Планка (h): Е=hн. Заметим, что

классическая физика вообще не могла объяснить природу излучения

и его взаимодействия с веществом. За свои пионерские работы М.

Планк был удостоен Нобелевской премии.

Итак, в начале ХХ века физикам стало ясно, что, что атом не явля-

ется неделимой частицей, кирпичиком мироздания. Возникла про-

блема внутреннего строения атома, появилось несколько моделей.

Первая принадлежала У. Томсону (он же лорд Кельвин). Атом был

представлен в виде шарика, внутри которого равномерно распреде-

лены положительные и отрицательные заряды. Модель просущест-

вовала недолго: величайший экспериментатор ХХ века Э. Резер-

форд, впоследствии лауреат Нобелевской премии, отец ядерной фи-

зики, опытным путем выяснил, что вся масса атома сосредоточена в

его центре, который заряжен положительно, он назвал этот центр

ядром; окружение ядра заряжено отрицательно. На основе этих экс-

периментальных данных Резерфорд предложил «планетарную» мо-

дель строения атома: подобно тому, как планеты вращаются вокруг

Солнца, вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрица-

тельно заряженные электроны. Модель была красива и эффектна, но

она противоречила законам классической физики, согласно которым

электроны должны были упасть на ядро.

Автор третьей модели датский физик Нильс Бор (лауреат Нобе-

левской премии, которого справедливо считают отцом квантовой ме-

Разумова Е.Р.

24

ханики) принял за основу модель Резерфорда, но при этом осущест-

вил дерзкую смену парадигм. Он выдвинул постулаты, в основе ко-

торых лежало смелое утверждение: в МИКРОМИРЕ, т.е. в мире объ-

ектов, меньших или равных по размерам атому, не действуют законы

классической физики. Согласно первому постулату, когда электрон

находится на постоянной, стационарной орбитали (так Резерфорд

назвал траекторию движения электрона), атом не излучает и не по-

глощает энергию. Излучение или поглощение энергии осуществля-

ются при резких перескоках электрона с одной орбитали на другую

(это второй постулат). По существу, постулаты Бора являются пара-

дигмами квантовой механики – раздела физики, изучающего внут-

реннее строение атома. Квантовая механика и ядерная физика, о

которой будет сказано далее, описывают МИКРОМИР. Боровская

модель атома была экспериментально подтверждена линейчатыми

атомными спектрами, лежащими в основе мощного современного

аналитического метода – спектрального анализа. Именно этим мето-

дом сначала на Солнце, а затем и в составе Земной атмосферы был

открыт химический элемент гелий. Линейчатые атомные спектры

получают при сжигании вещества и фотографировании пламени:

оказалось, что каждый химический элемент дает индивидуальную,

специфическую картинку, напоминающую штрих-код, причем каж-

дая линия соответствует частоте перескока электрона с одной орби-

тали на другую, что и подтверждало модель Бора.

Основные принципы квантовой механики

Следующей ступенью изучения микромира было открытие фран-

цузским физиком Луи де Бройлем, лауреатом Нобелевской премии,

принципа корпускулярно-волнового дуализма. Корпускула – латин-

ское название любой частицы, дуализм – это двойственность. Следо-

вательно, корпускулярно-волновой дуализм – это двойственность

волны и частицы. Следует заметить, что за 20 лет до этого мало кому

известный служащий патентного бюро в г. Берне А. Эйнштейн полу-

чил свою первую Нобелевскую премию за объяснение фотоэффекта,

открытого русским физиком А.Г. Столетовым – явления выбивания

электронов с поверхности металла пучком света. Еще в XIX веке Дж.

Максвелл предсказал, что свет – это электромагнитная волна. Но

согласно классической физике, волна не может выбивать электроны,

она может только отразиться от поверхности металла. А. Эйнштейн

предположил, что свет является не только электромагнитной волной,

Концепции современного естествознания

25

но и потоком частиц, которые Эйнштейн назвал фотонами. Л. де

Бройль распространил этот принцип на все частицы и волны, а

именно: любую волну можно представить как поток частиц, и соот-

ветственно любому потоку частиц можно сопоставить волну.

Принцип Л. де Бройля был экспериментально подтвержден от-

крытым вскоре явлением дифракции электронов. К тому времени

(конец 20-х годов ХХ века) уже было точно установлено, что электрон

является частицей, и У. Томсон измерил его массу и заряд. Эффект

дифракции характерен только для волн – это явление огибания вол-

ной препятствий. Таким образом, при определенных условиях элек-

трон может вести себя как частица, тогда как при других условиях

проявлять свойства волны.

Принцип дополнительности Н. Бора: получение эксперименталь-

ной информации об одних физических величинах, описывающих

микрообъект, ведет к неизбежной потере информации о других ве-

личинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнитель-

ными величинами являются, например, координата микрочастицы и

ее импульс, энергия частицы и соответствующий момент времени.

Следуя Бору, с физической точки зрения принцип дополнительности

объясняют влиянием физического прибора, являющегося макрообъ-

ектом, на состояние микрообъекта. Фундаментальным принципом

квантовой механики является также принцип неопределенности,

открытый немецким физиком В. Гайзенбергом, лауреатом Нобелев-

ской премии: любая физическая система не может находиться в со-

стояниях, в которых ее координаты и импульс одновременно прини-

мают вполне определенные, точные значения.

Двойственность волны и частицы математически выражена в виде

волновой функции (. - функция), предложенной австрийским физи-

ком Э. Шредингером, лауреатом Нобелевской премии, при выведе-

нии им основного уравнения квантовой механики. Квадрат волновой

функции равен вероятности нахождения микрочастицы в данной

точке.

Заметим, что на микроскопическом уровне нельзя точно предска-

зать результат эксперимента, а можно лишь рассчитать вероятность

различных результатов опыта, т.е. в микромире все явления носят

вероятностный характер, тогда как макромир построен на принципе

лапласовского детерминизма.

Таким образом, к концу 30-х годов ХХ века здание квантовой ме-

ханики было построено. Потребовалось на это менее 30 лет. Следую-

щим этапом познания микромира было создание ядерной физики,

Разумова Е.Р.

26

т.е. установление внутренней структуры атомного ядра. Как уже бы-

ло сказано выше, отцом ядерной физики был Э. Резерфорд, открыв-

ший внутри атомного ядра положительно заряженные частицы –

протоны. В 1932 г. английский физик Дж. Чедвиг, впоследствии

лауреат Нобелевской премии, открыл в атомном ядре незаряженные

частицы, масса которых была почти равна массе протона, и назвал

их нейтронами. Немного раньше, в 1928 г. выдающийся английский

физик-теоретик П. Дирак, впоследствии лауреат Нобелевской пре-

мии, предсказал существование положительно заряженного антипо-

да электрона. Вскоре эта частица была экспериментально обнаруже-

на и названа позитроном. Это была первая из многочисленных от-

крытых далее элементарных частиц. К середине ХХ века их было

открыто уже более трехсот. Название «элементарные частицы» гово-

рило о том, что их считали пределом деления. Казалось, что мельче

уже ничего не существует. Однако в 1964 г. американским физиком

М. Гелл-Маном было высказано предположение о существовании

частиц, несущих дробный заряд, меньший заряда электрона. Их на-

звали кварками. Кварки – гипотетические частицы, из которых, как

предполагается, могут состоять все элементарные частицы, участ-

вующие в сильных взаимодействиях (адроны), прежде всего, прото-

ны и нейтроны. Различают шесть видов (или, как их называют фи-

зики, шесть «ароматов») кварков.

Таким образом, на сегодняшний момент (начало XXI века) именно

кварки являются мельчайшими «кирпичиками» мироздания.

Вернемся к явлению радиоактивности, с которого мы начали эту

главу. Радиоактивность, открытая А. Беккерелем, – это способность

ядер атомов тяжелых химических элементов (начиная с 84 номера

таблицы Д.И. Менделеева, т.е. с полония) к распаду с выделением

энергии и образованием ядер других химических элементов. Э. Ре-

зерфорд экспериментально доказал, что излучение, испускаемое ра-

диоактивными элементами, неоднородно: одна группа лучей откло-

нялась к отрицательно заряженному полюсу магнита (их Резерфорд

назвал альфа-лучами, очень скоро было установлено, что это поток

положительно заряженных ядер атомов гелия). Другая часть лучей

отклонялась к положительно заряженной пластине (бета-лучи, ока-

завшиеся потоком электронов). Превращения элементов, сопровож-

дающиеся испусканием альфа- и бета-лучей, были названы соответ-

ственно альфа- и бета-распадом. Лучи, не отклоняющиеся в магнит-

ном поле, Резерфорд назвал гамма-лучами, они оказались самым

высокоэнергетическим (и коротковолновым) видом из всех известных

Концепции современного естествознания

27

в природе разновидностей электромагнитного излучения. В 1940 г.

советские ученые Г.Н. Флеров и К.А. Петржак обнаружили спонтан-

ное деление ядер, сопровождающееся испусканием гамма-излучения

и не приводящее к превращению элементов. Оно характерно только

для самых тяжелых ядер, начиная с тория. Все сказанное выше от-

носится к естественной радиоактивности.

В 1934 г. французские ученые супруги Ирен и Фредерик Жолио –

Кюри (будущие лауреаты Нобелевской премии, дочь и зять М. и П.

Кюри) открыли искусственную радиоактивность, которая позволила

получать новые химические элементы, которые в природе отсутству-

ют. Все химические элементы, стоящие в таблице Д.И. Менделеева

после урана, получены методом искусственной радиоактивности, т.е.

путем бомбардировки известных химических элементов альфа-

частицами или нейтронами.

Цепные ядерные реакции

Эти реакции были открыты в 1939 г. итальянским ученым Э. Фер-

ми, бежавшим в США от итальянского фашизма. Выяснилось, что

при попадании в ядро одного нейтрона оно делится на две или три

части и при этом выделяется огромная энергия. При делении ядер

урана-235, кроме осколков, вылетают два–три свободных нейтрона,

которые при благоприятных условиях могут попасть на другие ядра

урана и вызвать их деление.

Незадолго до смерти великий экспериментатор Э. Резерфорд на-

писал в одной из статей: «Вряд ли когда-либо работы по ядерной фи-

зике смогут найти практическое применение». Даже гении иногда

ошибаются. Через несколько лет, в 1942 г. заработал первый, постро-

енный Э. Ферми в США, ядерный реактор. Это была основа для бу-

дущих атомных электростанций, атомных ледоколов и подводных

лодок. Но работы по ядерной физике принесли человечеству не

только пользу. Полным ходом сначала в США и Германии, а затем в

Советском Союзе начались разработки, связанные с ядерным оружи-

ем. В США эти работы возглавил бежавший из фашистской Герма-

нии Р. Оппенгеймер, в СССР – И.В. Курчатов. Есть сведения о том,

что немецкие ученые, оставшиеся в фашистской Германии, во главе

с В. Гайзенбергом саботировали создание ядерного оружия в Герма-

нии, направив технические разработки по тупиковому пути. В 1945

США сбросили ядерные бомбы над городами Хиросимой и Нагасаки.

По существу, это было первое испытание ядерного оружия, никакой

Разумова Е.Р.

28

стратегической необходимости в этих бомбардировках не было. Вско-

ре (в 1949 г.) ядерная бомба появилась в СССР, в 1953 г. в нашей

стране была создана и испытана первая термоядерная бомба. Мир

вступил в эпоху гонки ядерных вооружений, что грозило не только

тотальной гибелью человечества и вообще всего живого, но также

создало серьезные экологические проблемы захоронения ядерных

отходов. Кроме того, человечество еще не научилось грамотно рабо-

тать с ядерной энергией. Трагическим примером этого является

Чернобыльская катастрофа – самая крупная техногенная авария ХХ

века. Тем не менее, за АЭС, несомненно, стоит будущее, поскольку

запасы углеводородов на Земле кончаются (об этом будет сказано

позже), а запасы радиоактивных элементов в недрах достаточно ве-

лики.

Чем же опасна радиоактивность для живых организмов? Прежде

всего, огромной энергией, разрушающей эритроциты (красные кро-

вяные клетки), в результате чего развивается лейкемия; кроме того,

уничтожаются половые клетки, что приводит к бесплодию. Наконец,

радиоактивное излучение вызывает неконтролируемый рост клеток,

т.е. раковые опухоли.

Как защититься от радиоактивного заражения? Во-первых, обра-

щаться с радиоактивными веществами имеют право только специ-

ально обученные для этого люди, прошедшие соответствующую под-

готовку. Транспортировать эти вещества следует только в свинцовых

контейнерах, а работать с ними – в специально предназначенных

для этого костюмах.

Степень поражения живого организма зависит от дозы облучения,

т.е. отношения радиоактивной энергии, попавшей на живой орга-

низм, к его массе. Соответственно, при одинаковых величинах энер-

гии, чем больше масса, тем меньше опасность гибели организма.

Таким образом, физика микромира была создана менее чем за

полвека, ее творцами стали ученые многих стран, и почти все их дос-

тижения были отмечены высшей наградой в научном мире – Нобе-

левской премией.

Открытие и исследование явления радиоактивности принесло че-

ловечеству не только несомненную пользу – познавательную и прак-

тическую (АЭС), но нанесло и очевидный вред в виде создания ядер-

ного оружия и последующего радиоактивного загрязнения окру-

жающей среды.

Концепции современного естествознания

29

Контрольные вопросы по Теме 6:

1. Что такое квант? Кто ввел этот термин в науку?

2. В чем сущность постулатов Бора?

3. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?

4. Что такое радиоактивность?

5. Почему радиоактивность опасна для живых организмов?

Литература: 4, 7, 10, 11, 13, 16, 21.