Так что все более-менее сложные химические элементы, сгруппированные добрым дядюшкой Менделеевым в одну табличку, были выработаны в ядерных реакторах звезд, и нигде больше. Мы чуть ниже разберем, почему и как это происходит, а пока ответим на вопрос, про который забыли, увлекшись печками и топками – зачем природе нужны нейтроны?
Почему нельзя было делать атомы из одних только протонов?
Электрончик, напомню, – очень легонькая частица, он меньше и легче протона почти в две тысячи раз! Нейтрон же по величине и массе практически такой же, как протон (их массы отличаются друг от друга буквально на один электрончик). Но нейтрон не имеет электрического заряда. Зато на него действуют ядерные силы. То есть нейтроны и протоны можно слепить в комочек атомного ядра, при этом нейтроны даже не будут сопротивляться этому сближению, так как, будучи электронейтральными, совершенно индифферентны к электромагнитному воздействию.
Так вот, несмотря на мощь ядерных сил, при накоплении в ядре положительного заряда (то есть увеличении числа протонов) их отталкивающая сила могла бы преодолеть ядерные силы, и ядро бы развалилось. Вот тут и вступают в игру нейтроны. Зарядом они не обладают, то есть в отталкивании не участвуют, но свою скрепляющую лепту в ядерные силы вносят. Они как бы «разбавляют» заряд ядра.
И сразу можно ответить на еще один интересный вопрос: а почему элементарных химических веществ (химических элементов) всего несколько десятков? Понятно, что сложных веществ, которые нас окружают – миллионы! Их молекулы конструируются из атомов – этих деталек мирового конструктора. Но почему самих деталек всего несколько десятков, почему в таблице Менделеева не тысяча элементов или хотя бы не несколько сотен?
Придумаем, например, элемент под номером 500! В нем должно быть 500 протонов, кинем туда для «разбавления» штук пятьсот нейтронов, запустим вокруг получившегося ядра 500 электрончиков и будем сидеть да радоваться. Но нету такого элемента в мире! Не существует он!
Почему?
Потому что существовать такой элемент не может из-за короткодействия ядерных сил. Они ведь, как мы знаем, работают на очень коротком расстоянии. А в больших ядрах, состоящих из десятков протонов и десятков нейтронов, крайние протоны, находящиеся по разные стороны ядра, уже располагаются так далеко друг от дружки, что короткодействующие ядерные силы между ними не работают, не дотягиваются. А дальнодействующие электромагнитные исправно расталкивают. Поэтому большие ядра неустойчивы, а сверхбольшие и вовсе не могут существовать. Оттого в нашем мире столько атомов химических элементов, сколько их в таблице Менделеева. Ученым удалось в лабораториях создать несколько штучек сверхтяжелых атомов на несколько мгновений (потом они распались), но в природе их нету. Ну и слава богу, нам же легче, учить меньше…
Теперь я с тревогой жду от вас самого сложного вопроса: «Все это, конечно, хорошо, что вы нам тут рассказываете, мужичок. Но осталась одна непонятка! Если отрицательно заряженный предмет притягивается к положительно заряженному, то почему электрон не падает на протон?»
Ах, какой больной вопрос!
Вот если магниты, например, сблизить одноименными полюсами, они будут отталкиваться, а если разноименными – притянутся и честно стукнутся друг об друга с приятным звуком. Почему то же самое не происходит с электрическими зарядами – отчего электрон, который притягивается к протону, не падает на него, а начинает вокруг него кружиться?
Если вы зададите этот губительный вопрос родителям, скорее всего они не ответят. Но есть также вероятность, что папа начнет фантазировать и попробует привлечь для ответа аналогию. Он может сказать, например, такое:
– Дорогой мой любимый ребенок! Как ты знаешь, планеты тоже притягиваются к Солнцу, но на него не падают. И Луна к Земле притягивается, но нам на голову не падает. Потому что она кружится вокруг Земли. Вот и электрон тоже кружится и не падает…
В том, что касается планет, папа, конечно, прав. Да, планеты друг к другу притягиваются. И не только планеты. Вообще любые предметы, имеющие массу, притягиваются друг к другу. Земля к Солнцу притягивается, человек к Земле – и именно поэтому мы по нашей планете спокойно ходим, а не улетаем в мировое пространство. А споткнувшись, больно падаем, расшибая коленки. Потому что притягиваемся!
Это называется гравитация. Слышали такое слово?.. И это уже третий тип физического взаимодействия, который мы теперь знаем! Первый – сильное (ядерное) взаимодействие. Второй – электромагнитное. Третий – гравитационное.
Гравитационное взаимодействие самое слабое из перечисленных. Мальчик, играющий на полу, притягивается к маме, стоящей в дверном проеме и пытающейся заставить его собрать игрушки и идти в кровать. Но сила их взаимного притяжения так слаба, что легко компенсируется силой трения между их телами и полом. Вы, надеюсь, знаете, что такое сила трения? Если нет, спросите у любого из родителей, это должна знать даже мама. В конце концов, не все же мне вам объяснять, пусть что-нибудь расскажут и родители, а то переложили на меня все заботы о воспитании собственного чада!..
Короче, очень слаба гравитация, поэтому ребенка и не волочет по полу в направлении более массивной мамы. Но почему тогда мы так больно притягиваемся к Земле и потом ходим с зелеными коленками? Почему мы вообще ходим по ней, а не улетаем в космос, если слаба сила гравитации?
Сила гравитации зависит от массы тяготеющих друг к другу тел. Земля очень тяжелая. Она по сравнению с вашей мамой имеет просто гигантскую массу. Оттого и притягивает нас всех к себе. Солнце имеет массу еще большую. Поэтому сила притяжения Земли и Солнца достаточна для того, чтобы удерживать их вместе в одной системе.
А вот в микромире из-за микроскопических масс частичек сила гравитации совсем уж ничтожна. Электрон, как частица, имеющая массу, притягивается к протону. И даже к другому электрону! Но поскольку силы гравитации в сравнении с электромагнитными силами ничтожны, ими в микромире можно совершенно спокойно пренебречь.
Однако в макромире, мире планет и звезд, из-за большой массивности небесных тел тяготение между ними проявляется очень сильно. И планеты кружатся вокруг светил, а Луна вокруг Земли только потому, что они притягиваются, тяготеют друг к другу гравитационно. Но папа был совершенно неправ, когда проводил аналогию между электроном, который кружится вокруг протона, и Землей, которая кружится вокруг Солнца. Потому что электрон не падает на протон совсем по другой причине, нежели это происходит в планетарных и звездных системах. Луна не падает на Землю, а Земля на Солнце по иным обстоятельствам. Сейчас мы их разберем.
Итак, почему одно тяготеющее тело не падает на другое? А кто вам сказал, что не падает? Очень даже падает! Яблоко, упавшее с яблони, прекрасно падает на землю. Мальчик, упавший с яблони, прекрасно падает рядом с яблоком возле яблони и начинает грызть яблоко. Метеориты и астероиды, прилетевшие из космоса, отлично падают на Землю. Тяготеющие друг к другу массы прекрасно могут соприкасаться друг с другом или, что то же самое, падать друг на друга. Можно сказать, что яблоко упало на Землю, а можно сказать, что Земля упала на яблоко, а можно сказать, что они упали друг на друга, поскольку взаимно притянулись друг к другу, просто яблоко пролетело больший путь навстречу Земле, чем Земля сдвинулась навстречу яблоку, так как Земля в миллиарды раз массивнее яблока.
Но почему тогда Луна не падает на Землю, как яблоко? Почему искусственный спутник Земли – например, спутник связи – будучи запущенным на орбиту, не падает с этой орбиты вращения обратно на Землю?
Падает! В том-то и дело! Постоянно, каждое мгновение падает!
Но никак не может упасть.
Потому что имеет «боковую» скорость. На картинках ниже видно, как и почему это происходит.
Если мы выстрелим снарядом из пушки параллельно поверхности земли, он пролетит какое-то время и упадет. Потому что его притягивает. Расстояние пролета зависит от скорости. Скорость V2 больше скорости V1. А скорость V0 вообще равна нулю, и тело спокойно падает вниз.
Если огромная пушка стоит на высокой горе, снаряд пролетит еще дольше, потому что земля как бы убегает от него «вниз» из-за кривизны поверхности.
Если этот «загиб» поверхности планеты продолжить, и землю «закруглить» и превратить в Землю, то снаряд так и будет вращаться вокруг нее. И никогда не упадет. Тут все дело в скорости! При маленькой скорости (V1 и V2) снаряд, конечно, свалится на поверхность. Но скорость можно поднять до столь высокой (V3), при которой снаряд не сможет упасть: притягивающая поверхность планеты все время будет убегать от него из-за кривизны. Такую скорость, при которой спутник вращается вокруг нашей планеты, называют первой космической скоростью. Она равна примерно 8 км/сек.
А если скорость снаряда еще больше увеличить (V4), так снаряд и вовсе улетит от Земли, хотя та его по-прежнему притягивает.
В общем, из объяснений к картинкам ясно, почему одно тело хоть и притягивается к другому, но не обязательно падает на него. Может и просто мимо пролететь, если скорость достаточно велика, только траектория чуть искривится в сторону притягивающего тела. А может так случиться, что более массивное тело вовлечет в свою орбиту менее массивное, и тогда маленькое станет вращаться вокруг большого.
Теперь понятно, почему не всегда маленькое тело входит в соприкосновение с большим, хотя они и тяготеют друг к другу?
Так вот, с электронами все совсем не так! И дело тут в особых свойствах микромира, которые вовсе не напоминают свойства макромира. Подробнее об этом написано в книге «Физика на пальцах», и я рекомендую вам ее купить и с удовольствием прочесть. А здесь я вынужден без долгих объяснений ограничиться краткой констатацией факта: электрон далеко не всегда ведет себя как маленькая частичка, то есть как крохотный заряженный шарик, каким его обычно рисуют в учебниках и книгах!