Физика без преград. Увлекательные научные факты, истории, эксперименты

№ 63

Все склеится, все перемешается. Явление диффузии

Вы когда-нибудь рисовали акварелью или гуашью? Наверняка помните, как макали покрытую краской кисть в баночку с водой, в воде появлялись красочные разводы, а потом, после нескольких часов рисования, вода приобретала однородный «серо-буро-малиновый» цвет?

Или еще пример – «парфюмерный». Дама перед выходом на улицу воспользовалась духами. Она брызнула ароматной жидкостью только на свои волосы, но еще несколько часов спустя, после того как она ушла, в комнате ощущался явственный аромат духов.

Или – вы разбираете документы в старом архиве, где папки с бумагами были сложены в стопки на протяжении десятков лет. Желая прочитать несколько страниц, вы с трудом отделяете одну от другой…

Все эти примеры объединяет одно. Это примеры так называемой диффузии. В переводе с латыни слово «diffusio» означает «распространение», «растекание». Им обозначают взаимное проникновение мельчайших частиц одного вещества между молекулами или атомами другого вещества. В наших примерах молекулы краски начали перемешиваться с молекулами воды, молекулы духов распространились среди молекул воздуха, а бумажные листы, пролежавшие спрессованными много лет, тоже начали понемногу «проникать» друг в друга… Интересно, что этому процессу подвержены даже металлы: если крепко прижать два куска металла один к другому, то у них тоже начнется процесс диффузии – правда, протекать он будет очень, очень медленно. А в жидкостях и газах диффузия обычно протекает очень быстро, заканчиваясь полным перемешиванием «участников процесса».

Впервые полное описание процессов диффузии дал немецкий физик Адольф Фик (1829–1901)

№ 64

И что они суетятся? Броуновское движение

В 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун (Браун) (1773–1858) занимался изучением физиологии растений, в частности строением пыльников. Он обратил внимание на то, что пыльцевые зерна, располагавшиеся в растительном соке, находились в непрерывном движении, хотя, казалось бы, никакая сила извне на них не воздействовала!

Правда, Броун не довел до конца свои наблюдения – это сделал француз Луи Жорж Гуи (1854–1926). Он пришел к выводу, что интенсивность «броуновского движения» (именно так обозначили открытое шотландским ученым явление) не зависит ни от освещенности, ни от электромагнитного поля… И решил, что движение вызывается «тепловым движением молекул». То есть движение «броуновских частиц» – мелких «кусочков» вещества – вызвано тем, что об них ударяются окружающие их молекулы. (В ранних исследованиях ученые просто не видели молекул из-за несовершенства техники.) Если частичка невелика, то под ударами окружающих ее молекул она будет метаться то в одну, то в другую сторону. На рубеже XIX–XX веков исследователи отметили, что движение частиц ускорялось при нагревании.

И к середине ХХ столетия теория о броуновском движении была сформулирована: оно представляет собой беспорядочное движение микроскопических частиц вещества, взвешенных в жидкости или газе, под влиянием теплового движения частиц этой жидкости или газа. Броуновское движение наглядно иллюстрирует теорию о хаотическом движении атомов и молекул.

«Броуновское движение» и рассмотренный нами ранее процесс диффузии неразрывно связаны

№ 65

Сколько атомов в молекуле? Хороший вопрос

Демокрит – «отец атомарной теории» – предполагал, что атомы имеют разнообразную форму и могут сцепляться друг с другом при помощи чего-то напоминающего крючочки и петельки. На самом же деле чаще всего атомы объединяются силами своих «составных частей» – электронов. Электроны, способные взаимодействовать, представляют собой нечто вроде крошечных магнитиков – они-то и обеспечивают сцепление. Такую связь называют ковалентной. В случае другого вида – ионной связи – атомы как бы обмениваются электронами, и в итоге возникает достаточно прочная связь. Способность атома эту связь обеспечивать именуется валентностью.

Что же касается количества атомов в молекуле, оно может быть разнообразно, например, в молекуле воды их всего три. Но это не предел – в составе молекулы ДНК их миллиарды!

№ 66

Электроны пляшут! Ядро и оболочки атома

Как вы уже знаете, еще в конце XIX века Дж. Томсон выделил в составе атома еще более мелкие частички – электроны. У каждого атома есть ядро и оболочка. Ядро образуют нейтроны и протоны (о них разговор у нас впереди), а оболочка составлена из электронов – поэтому ее именуют еще электронным облаком. Почему атом не разваливается? Почему все его «составные части» не разлетаются в разные стороны? Дело в том, что ядро за счет содержащихся в нем протонов имеет положительный заряд, а у электронов он отрицательный.

Соответственно, ядро и оболочка притягиваются друг к другу, но не склеиваются намертво по причине того, что электроны находятся в постоянном движении, как бы водят хоровод вокруг атомного ядра. Сам же атом в итоге остается электрически нейтральным, так как протоны и электроны уравновешивают друг друга.

№ 67

Загадочный Икс. Что такое «рентгеновский луч»?

В 1895 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) совершил очередной переворот в науке. Он ставил опыты с так называемой катодной трубкой (баллон с двумя электродами) и обнаружил лучи, которые обладали способностью пронизывать практически все предметы, которые взволнованный исследователь помещал в поле их действия: доски, листы картона, алюминиевые пластины… Но самым удивительным было то, что, вытянув руку между источником лучей и световым экраном, Рентген смог во всех подробностях рассмотреть скелет кисти.

Открытые лучи исследователь назвал «Х-лучами», желая таким образом подчеркнуть их необычность и загадочность. Опубликовав несколько работ, которые, впрочем, не раскрыли окончательно природу загадочного «Икса», Рентген занялся другими исследованиями. А суть открытия пояснили в 1912 году физики Вальтер Фридрих (1883–1968) и Пауль Книппинг (1883–1935). Их вывод был таков: рентгеновские лучи – не что иное, как электромагнитные колебания, во многом схожие с обычным светом, но обладающие значительно большей частотой и меньшей длиной волны. Этим и объясняются их удивительные свойства.

«Х-лучи» имели (и имеют до сих пор!) огромное значение для медицины, физики, техники. Диагностика заболеваний, борьба с контрабандой, экспертиза произведений искусства – во всех этих областях с рентгеновскими лучами связано немало интересных историй. В начале ХХ века изобретение Рентгена активно использовалось для проверки военной техники и качества материалов.

В 1901 году Вильгельм Рентген стал первым в истории Нобелевским лауреатом в области физики

Рентгенография применяется для диагностики

№ 68

Невидимая, удивительная, мощная. Открытие радиоактивности

Не всегда слово «радиация» следует воспринимать негативно. Радиация в широком смысле – это распространение в пространстве энергии в виде волн и частиц. Ведь само слово в переводе с латыни означает просто «сияние»! Обычное тепловое, ультрафиолетовое или световое излучение тоже, по большому счету, является «радиацией». Наиболее опасно так называемое ионизирующее радиоактивное излучение, которое вызывает разрушение белка, гибель клеток и их злокачественное перерождение. И в целом в науке и повседневной жизни принято называть «радиацией» именно ионизирующее излучение, хотя по сути это не совсем верно.

Радиоактивностью же именуется способность веществ источать ионизирующее излучение. Радиоактивность может быть естественной и искусственно созданной при помощи разнообразных реакций.

К категории ионизирующих излучений принято относить альфа-, бета-, гамма-излучение. Последнее наиболее опасно, и, что интересно, главным источником этого излучения является Солнце. Но от агрессии светила Землю защищает слой атмосферы – опасные лучи не достигают земной поверхности.

В 1898 году супружеская пара исследователей – Пьер Кюри (1859–1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) обнаружили особые свойства тория, а чуть позднее выделили новые химические элементы – полоний и радий. Их друг и единомышленник Антуан Беккерель (1852–1908) занимался исследованиями урана. Обнаруженную способность вещества быть источником излучения они и назвали радиоактивностью. Этому открытию было суждено сыграть огромную роль в истории ХХ века.

Мария Склодовская-Кюри стала первой и пока единственной женщиной – дважды Нобелевским лауреатом в истории

Чтобы получить 0,01 грамма радия, Мария Кюри за четыре года вручную перемыла 8 тонн урановой руды.

№ 69

Иногда они распадаются. Радиоактивный распад

Эрнест Резерфорд в ходе своих опытов предполагал, что радиоактивность связана с распадом атомов, если точнее – с распадом атомных ядер. Во время этого процесса происходит активный выброс излучения.

В начале ХХ века в Великобритании было проведено несколько исследований, которые приблизили человечество к пониманию того, что представляет собой процесс ядерного распада и какие страшные силы таятся в этом явлении, которое даже невозможно рассмотреть невооруженным глазом!

Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди (1877–1956) в своей статье «Теория радиоактивных превращений» заявили: даже если радиоактивный элемент на первый взгляд пребывает в покое и не подвергается никаким воздействиям, он может находиться в состоянии самопроизвольного распада. Свои умозаключения они зафиксировали в законе радиоактивного распада, который описывает зависимость интенсивности радиоактивного распада от количества радиоактивных атомов в образце и от протекшего времени. Причем все данные были добыты экспериментальным путем и представлены также в работах «Сравнительное излучение радиоактивности радия и тория» и «Радиоактивное превращение». Вскоре в научном обороте появились термины «время жизни атома» и «период полураспада».

Это исследование не только произвело переворот в науке (ведь на тот момент большинство ученых не сомневались в неделимости атома!), но и подтолкнуло к очередным исследованиям – уже в области ядерной физики. А там недалеко было и до использования ядерной энергии в военных целях.

На рубеже XIX–XX веков было установлено, что газ гелий может являться продуктом радиоактивного распада, то есть одни элементы «порождают» другие!

№ 70

Прирученный зверь. Ядерные реакции

Ядерная реакция происходит в том случае, если ядро атома сталкивается с какой-либо другой частицей. Уже в первой четверти ХХ века ученые, ставя опыты, «бомбардировали» разнообразными частицами ядра и получали весьма интересные результаты.

В 1938 году немецкие ученые Отто Ган (1879–1968), Фриц Штрассман (1902–1980) и Лиза Мейтнер (1878–1968) проводили опыты по воздействию на ядро урана нейтронами. Они заметили, что в результате урановое ядро разделилось на два новых! Это явление было названо расщеплением. Но самым удивительным было то, что в ходе деления ядра также выделялось несколько новых нейтронов. Ученые заявили, что обнаружили «цепную ядерную реакцию». Суть ее в том, что вначале под воздействием нейтрона расщепляется урановое ядро и образуются новые нейтроны. Они, в свою очередь, вызывают деление еще двух ядер… И так далее. Очень важно было то, что в ходе подобных реакций выделялась колоссальная энергия.

Практически сразу стало понятно, что совершенное открытие может как поднять человечество на новый уровень, так и приблизить его к гибели. Ведь энергию ядерной реакции можно как поставить на службу человеку, так и создать на ее основе оружие массового уничтожения. Мы с позиции людей XXI века уже знаем, что, к сожалению, удержаться от искушения не удалось и «мирным атомом» дело не ограничилось. Сможет ли человечество вовремя остановиться на пути агрессивного использования ядерной энергии?

При расщеплении всего 0,5 грамма урана выделяется энергия, сопоставимая с той, которую можно получить при сгорании 150 литров нефти

№ 71

Мелочь пузатая: протоны и нейтроны

Надо сразу уточнить, что понятие «делимости-неделимости» того или иного элемента достаточно условно: атом тоже когда-то считался неделимым, но наука постоянно обогащает нас новыми открытиями.

Давайте познакомимся с составными частями атомного ядра: протонами и нейтронами.

Когда Эрнест Резерфорд открыл атомное ядро, практически ни у кого из ученых не возникло сомнений, что оно, как и сам атом, скорее всего тоже имеет сложную структуру. И к 1919 году Резерфорд опытным путем доказал – атомное ядро тоже можно разложить на составляющие, одной из которых является протон (от греч. «первый», «основной»). Причем химически протон тождествен ядру атома водорода: ученый установил, что ядро атома водорода обнаруживается при расщеплении ядер множества других элементов.

Ученик Резерфорда, Джеймс Чедвик (1891–1974), в 1932 году открыл новую частицу, не обладающую электрическим зарядом, – нейтрон (его назвали так именно за его электрическую нейтральность). Вновь открытый «жилец» атомного ядра обратил на себя внимание именно тем, что никак не реагировал на электромагнитное поле. За это открытие ученый в 1935 году был удостоен Нобелевской премии по физике.

Интересно, что протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу, которая почти в 1800 раз выше, чем масса электрона. Кстати, для обозначения сил, связывающих протоны и нейтроны в ядре, ввели особое понятие – «сильное взаимодействие». У него совсем небольшой радиус действия, но оно очень выражено.

Иногда протоны и нейтроны объединяют общим названием – нуклоны (от латинского «nucleus» – «ядро»)

№ 72

Новая «зверушка»: предположение о кварках

С развитием сложной техники у человека появилась возможность проникать все глубже и дальше в структуру частиц, о существовании которых раньше никто даже не подозревал. Становилось ясно, что электроны, протоны, нейтроны – это лишь небольшая часть всех тех удивительных явлений, которые принято объединять условным названием «мелкие частицы». И в 1960-х годах американский физик Марри Гелл-Манн (род. в 1929) ввел новую «точку отсчета» – кварк и упорядочил всю систему субатомных частиц (то есть тех, которые мельче атома и входят в его состав). Он предположил, что большинство составляющих атомного ядра можно разложить на комбинации из трех разных кварков. За это ученый в 1969 году был отмечен Нобелевской премией. Теория о кварках была подтверждена опытами его коллег, когда стало возможным сделать макроснимок протона.

№ 73

Большой, адронный: зачем нужен коллайдер?

В 2008 году прошли первые испытания Большого адронного коллайдера. Мир замер в ожидании: чего только не говорили! И что коллайдер «засосет весь мир в черную дыру», и что он «приблизит конец света»… Страху нагоняло и то обстоятельство, что коллайдер – действительно колоссальное сооружение. Грубо говоря, он представляет собой огромную кольцеобразную трубу, проложенную на глубине около 100 метров под территориями Франции и Швейцарии. Строили его ученые, инженеры, архитекторы и программисты со всего мира. Но зачем?

Адронным коллайдер называется потому, что название «адроны» носят некоторые элементарные частицы. И одной из функций коллайдера является изучение адронов и составляющих их кварков. Ученые намереваются с его помощью не только углубиться в изучение элементарных частиц, но и проверить некоторые теории относительно возникновения и развития Вселенной, в частности теорию Большого взрыва.

Длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м

Если вкратце обрисовать суть действия коллайдера, то можно сказать так: в нем частицы разгоняются до огромных скоростей и сталкиваются, а исследователи наблюдают за их поведением. Собственно, само слово «коллайдер» дословно и означает «сталкиватель». Контроль над экспериментом поддерживают в том числе мощнейшие магниты, которые не позволяют частицам повести себя так, «как им хотелось бы». Все происходящее фиксируется высокоточной техникой.

Кстати, этот коллайдер – далеко не первый в мире, просто он самый масштабный и, конечно, дорогостоящий. Но если говорить о науке в целом, то были в ее истории и более дорогие проекты.

Одной из целей работы коллайдера называют поиск бозона Хиггса, элементарной частицы, придающей массу всем остальным и служащей без преувеличения связующим звеном Вселенной

№ 74

Сижу за решеткой… Структура кристаллов

Вам доводилось бывать в геологических музеях? Наверняка вы видели, скольких восхищенных посетителей привлекают к себе кристаллы. Прозрачный горный хрусталь, разноцветный кварц… Их друзы – сочетания острых выступов и граней – напоминают украшения Снежной королевы! Но с точки зрения физики и геологии называть эти минералы кристаллами не совсем правильно. Лучше сказать, что они имеют «кристаллическую структуру». Что же это за структура такая?

Мы достаточно подробно рассмотрели разнообразные мелкие частицы, из которых состоят твердые тела, – атомы, молекулы и прочие. И вы уже знаете, что в жидкостях, газах и большинстве твердых тел частички располагаются беспорядочно. А вот кристаллы от всех прочих веществ отличает как раз то, что их атомы представляют собой не хаотичное скопление, а правильную геометрическую структуру, симметричную и стройную. Такое расположение именуется кристаллической решеткой. Причем у разных веществ кристаллической природы может быть свой, резко отличающийся от других рисунок решетки! Именно ее наличием объясняется тот факт, что большинство кристаллических тел имеют характерную форму – ее созданию и сохранению способствует как раз кристаллическая решетка.

Кристаллическая решетка

Кристаллы

Интересно, что в зависимости от расположения совершенно одинаковых атомов могут образоваться в итоге различные минералы. Так, из атомов углерода (просто по-разному расположенных) формируются и прозрачный алмаз, и непрозрачный, матово-черный графит.

Большинство пространственных групп кристаллов – то есть способов расположения их кристаллических решеток – были описаны русским ученым Евграфом Федоровым (1853–1919)

№ 75

Жидковато будет! Кристаллы, но… жидкие

В 1888 году австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер (1857–1927) открыл интересные образования – жидкие кристаллы. Само это словосочетание казалось абсурдом: ведь уже было известно, что кристалл – это твердое тело, причем не просто твердое, а обладающее строгой структурой! Но Рейнитцер доказал: эти вещества на самом деле сочетают в себе упорядоченность составляющих их частиц и текучесть. Примером таких веществ являются, например, холестерики – соединения холестерина со стероидами.

Характерной чертой жидких кристаллов является их способность менять цвет под воздействием повышения или понижения температуры. Это позволяет использовать их в качестве разнообразных индикаторов: например, чувствительный жидкий кристалл сразу «даст сигнал» о неисправности какого-либо элемента в механизме, отреагировав на разницу температур.

Не только физика

№ 76

Земля – не шар

Еще Пифагор и Аристотель, за много лет до нашей эры, говорили о том, что Земля имеет форму шара, и даже приводили доказательства. Тогда им почти никто не верил, но через много веков сей факт был доказан на практике: известный путешественник Магеллан обогнул нашу планету, совершив первое кругосветное путешествие в истории.

Только все свыклись с мыслью, что живут не на плоскости, стоящей на спине трех китов, а на шаре, как Ньютон снова внес путаницу: он заявил, что Земля – это эллипсоид, приплюснутый со стороны полюсов. Как и во многих других случаях, ученый оказался прав. В районе экватора на вращающуюся Землю действует центробежная сила, поэтому там планета немного шире.

Сегодня ученые называют землю геоидом – эта геометрическая фигура придумана специально для отражения формы нашей планеты. Геоид – это что-то вроде помятой груши (с впадинами и выпуклостями), слегка вытянутой со стороны Северного полюса и приплюснутой со стороны Южного.

Что же придает планете столь неправильную форму? Ученые доказали, что дело в неоднородности земных недр. В некоторых местах образовались выпуклости в виде горных массивов, перетянувшие на себя массу; там, где массы не хватает, имеются впадины, заполненные водой, – моря и океаны. Южный полюс покрыт льдом, он плоский и приплюснутый. На Северном находится океан, на который влияет притяжение других небесных тел, заставляя его немного выпячиваться. По сути, отклонения от шарообразной формы невелики, но они имеют большое значение для геодезии, астрономических исследований и спутниковой навигации.

Трудно идти совершенно прямо по земле, которая шарообразна. – Янина Ипохорская

№ 77

А кстати, что такое Космос? Вселенная глазами ученых

Где начинается космос? Не так далеко, как можно было бы подумать. Граница между земной атмосферой и началом космического пространства находится на высоте 100 км над уровнем моря. На самом деле никакой границы там, конечно, нет, атмосфера, по мере удалении от земли, разряжается постепенно. Эта условная линия разделяет сферы влияния авиации и космонавтики. Ниже этой отметки возможны полеты на самолетах, выше – только на космических аппаратах, развивающих высокие скорости.

Космосом называют все пространство Вселенной, расположенное за границей атмосферы Земли и других небесных тел. Плотность расположения объектов в космосе довольно низкая, между планетами, звездами и галактиками пролегают невообразимо огромные пустые пространства. Самая пустая часть космоса – межгалактическое пространство. В промежутках между галактиками нет практически ничего, кроме космической пыли и очень разряженного газа.

Греческий термин «космос» (порядок, миропорядок) определялся гипотетически замкнутым вакуумом вокруг Земли – центра Вселенной

Межзвездное пространство находится внутри галактики, в нем тоже есть немного газа и пыли, магнитные поля, космическое излучение и загадочная темная материя, которую еще называют галактическим клеем – за то, что она удерживает объекты галактики вместе.

Самая близкая к нам часть космоса – межпланетное пространство, то, что находится внутри Солнечной и других звездных систем. Здесь, кроме всего, что есть в любой части Вселенной, имеется электромагнитное излучение, исходящее от центральной звезды и окружающих ее планет. К сожалению, кроме пыли, в Солнечной системе можно встретить и космический мусор – следы деятельности человека на орбите.

Космос вовсе не далек. До него всего час езды – при условии, что твоя машина может ехать вертикально вверх. – Фред Хойл

На каждого живущего на Земле приходится 24 Галактики в наблюдаемой Вселенной – всего 170 миллиардов Галактик!

№ 78

Сложная система. Галактика и ее элементы