Использование ускорителей и явлений столкновения элементарных частиц с энергией высокого порядка для генерации электрической энергии. Проект «Электрон». Монография

И если тогда были установлены идеи Бойля о том, что существуют «простые тела» (химические элементы) и «совершенные смеси» (химические соединения) и любые «совершенные смеси» можно разделить на «простые тела», то в книге «Новая система химической философии» 1808 года, Джон Дальтон выдвинул первую мысль о том, что из веществ, к какому виду подлежит. Но перед этим, Лавуазье доказал, что масса постоянна, она никуда не исчезает и не появляется из ниоткуда. Также Дэви открыл целый ряд химических элементов: водород, кислород, азот, углерод, сера, фосфор, натрий и калий были открыты им в 1807 году, а уже в 1808 году им же были открыты такие элементы как кальций, стронций, барий и магний. Также были открыты железо, цинк, медь, свинец, серебро, платина, золото и ртуть.

Их открытие не заняло большего труда, поскольку многие из них выделялись из руд, выделялись из химических соединений. А уже вода, аммиак, углекислый газ и многие другие соединения считались уже совершенными смесями. И теперь, Дальтон располагая всем необходимым, решил определить атомные массы всех химических элементов, а также ввести их все в таблицы, то есть классифицировать. Итак, Дальтон ввёл для каждого химического элемента своё обозначение, к примеру, для водорода он ввёл значок круга с точкой в центре, для кислорода был свой знак – обычный круг, а для углерода был знак закрашенного чёрного круга и т. д. Чтобы вычислить массы атомов, Дальтон провёл некоторые эксперименты.

Изначально, он выпаривал воду, а на верхней части устанавливал вещества с которыми лучше реагировал водород, вычислив изменения как в массе вещества, с которым происходило взаимодействие или от объёма пара, Дальтон мог определить какая часть воды состоит из водорода, а какая из кислорода. Таким образом определив, что 1/8 часть от всей массы воды состоит из водорода, а 7/8 из кислорода, Дальтон решил, что кислород тяжелее водорода и присвоил водороду массу, равную 1, а кислороду 7. Такой же анализ аммиака показал для водорода 1, а для азота 5. Именно так проанализировав, Дальтон составил собственную таблицу химических элементов.

Стоит ли говорить, что хоть это и было первым шагом на пути познания, все эти утверждения были не верными. Но она держалась довольно долго и на её основе строились различные предположения. Одна из таких гипотез была опубликована в журнале «Философские анналы» со стороны лондонского врача Уильяма Праута и была посвящена идее того, что все атомы состоят из водорода. Но конечно, эта гипотеза была не верной как многие другие, предположения того времени.

И если тогда, атомная единица массы была взята как масса атома водорода, то сегодня точной единицей, считается 1/12 часть массы атома углерода и названа как а. е. м. или атомная единица массы. А химические элементы сегодня принято обозначать от первых двух или одной буквы их названия на латыни, к примеру, водород обозначается как H благодаря названию Hydrogenium («Порождающий воду» на латыни), Азот – N или Nitrogenium – «Рождающий селитру», железо – Fe или Ferrum, медь – Cu – Cuprum, углерод – C – Carboneum. Эта система была принята 3 сентября 1860 года после того как итальянский химик Станислао Канниццаро на Международном конгрессе в Карлсруэ предложил данной метод на своём выступлении.

После этого, было принято записывать химические соединения при помощи этих символов, а число атомов указывалось в нижнем правом углу, так к примеру соединение углерода и водорода (вода) записывается как H2O, аммиак – NH3, серная кислота H2SO4 и т. д. Данный метод весьма удобен, поскольку создаёт возможности для использования символьной записи и нет необходимости записывать все символы несколько раз, к примеру, для молекулы тростникового сахара – C6H12O6 (6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода). Вместо CCCCCCHHHHHHHHHHHHOOOOOO можно легко и просто записать С6Н12О6.

Если с обозначениями уже всё ясно, то остаётся одно очень интересное следствие. При учёте того, что 1 атомная единица массы равняется 1/12 атома углерода, то это даёт возможность вычислить массы всех химических элементов используя соединения с углеродом. Для лучшего объяснения, приведём пример. Пусть имеется некоторое соединение углерода и водорода, если воздействовать на его при помощи электрического тока или нагревать его, то можно, если оно твёрдое расплавить, если жидкое выпарить и получить конечный объём углерода и водорода. Из соотношения их масс и объёмов, можно определить сколько атомов водорода приходится на один атом углерода, а уже из соотношения их масс, можно вычислить массу водорода. Так если разделить соединение метан на составляющий углерод и водород, то получается в 4 раза больше, в объёме, водорода, чем углерода, благодаря чему можно сделать вывод, что на 1 атом углерода, приходится 4 атома водорода и получается соединение CH4. А что касаемо масс, то в данном соотношении получается, что масса 1 атома водорода равна почти 1/12 массы атома углерода или 1,00811 а. е. м. Ровно таким же методом можно определить массы для всех остальных атомов (Табл. 1.1).

Но чему же точно равняется это значение в 1 а. е. м.? Если ответить на этот вопрос, то можно найти массы всех остальных типов атомов, заодно доказать их реальность. Но ни один из атомов, даже самый большой из них невозможно увидеть ни в каком микроскопе на тот момент. Положение спасает открытие, сделанное в 1828 году английским ботаником Робертом Броуном. Когда Роберту Броуну привезли новый микроскоп, он оставил его в саду, а на утро, на «столике» микроскопа образовались капли росы, а сам Броун забыл их протереть и автоматически посмотрел в микроскоп. Какое же было его удивление, когда он увидел, что частички пыльцы, находящиеся в капле росы хаотично двигаются. Частицы не живые и не могут двигаться сами по себе. Этого просто не могло быть. Но затем, когда это движение было зафиксировано появились некоторые предположения и гипотезы, объясняющие это явление.

Возможно, это движение объяснялось тем, что в самой капле имеются потоки из-за разности давлений и температур, как к примеру, движение пылинок в воздухе. Ведь если такое движение есть у микроскопических объектов, значит оно должно быть и у частиц с большим размером, как у пылинок. Ведь движение пылинок объясняется именно потоками воздуха. Но эта идея не подтвердилась, потому что частицы не двигались в одном направлении. Ведь в потоке или течении струи воздуха, воды или другой среды, частицы должны двигаться только в одном направлении, а движение микроскопических частиц в броуновском движении, не зависит друг от друга.

В таком случае, возможно это движение результат окружающей среды? От внешних звуков, сотрясений стола и других объектов? Это утверждение опроверг уже французский физик Гуи. Проведя ряд экспериментов, он сравнил хаотичное броуновское движение с движением в глухом подвале в деревне с движением посреди шумной улицы. Движения, конечно сказывались, но сказывались только на всей капле целиком, а не на самом броуновском движении частиц. Притом, такое же движение было и в газах, как и в жидкостях, ярким примером такого движения являются движения частичек угля в табачном дыме. Для визуального примера можно сравнить две картины. То как образуется и расплывается табачный дым в воздухе и картина в воде, после того как в неё капнуть каплю краски или красителя.

Объяснение всему этому даёт Карбонель, именно он объясняет, что частицы попадают под толчки со всех сторон, что и вызывает их такое хаотичное движение. И чем частицы меньше, тем их движение становится активнее, поскольку толчки отбрасывают их всё сильнее, а если тела большие, то и число толчков со всех сторон так или иначе становится почти равным, поэтому мебель, здания и сами люди не вибрируют сами по себе и не наблюдается броуновского движения. Также выясняется, что насколько температура больше, настолько больше и скорость этих частиц.

Эта картина становится ещё более ясной, когда Рихард Зигмонди, удалось изобрести свой ультрамикроскоп, на основе которого уже можно было увидеть ещё более мелкие частицы. И их движение уже не было простым движением, это было мельканием, прыганьем и всплеском, описал бы сам Зигмонди. Но чтобы лучше разглядеть эту картину, помог метод Сведберга, который уменьшал время прохода света в микроскоп, благодаря чему удавалось зафиксировать именно точно указываемый момент, то есть можно было сфотографировать это движение. И при уменьшении промежутка времени, делая всё меньше и меньше, стало возможно дойти до того момента, когда частицы на фотографии просто застывали на месте.

И наконец, настаёт 1908 год, когда окончательно было установлено, что атомы существуют, имеют массу и являются основными единицами вещества, а соединяясь друг с другом образуют молекулы – частички любого сложного соединения, будь то вода, кислота, человеческое тело и т. д.

Итак, Жан Перрен – французский физик решает изучить атомы и находит очень даже удивительный способ сделать это. Он берёт каплю «гуммигута», кусочки резиновой смолы или жёлтой краски, если угодно. Растерев этот кусок в воде как кусок мыла, он получал желтоватую воду. Но когда он брал каплю и рассматривал её в микроскоп, то получалось, что гуммигут не совсем пропал, а просто разделился на тысячи и тысячи мелких частичек разных размеров. Перрен решил, что если они разных размеров и все это гуммигутовые частички, значит имеют различные массы, следовательно, их можно отделить использовав центрифугу. То есть если вращать эту жидкость, то более тяжёлые частички логично отделят к стенке, а более лёгкие останутся.

И с увеличением скорости сила увеличивается не дважды, а во столько же раз, во сколько увеличилась скорость, из-за второй степени в формуле центростремительного ускорения. Следовательно, господин Перрен, легко мог утверждать, что может отделить сильным вращением тяжелые частички от лёгких и использовал он для этого центрифугу, тот самый аппарат, который не расплёскивая всю жидкость вращал с определённой частотой. Перрен использовал центрифугу, которая таким образом вращалась 2500 раз в минуту. И даже тогда лишь в маленькой части центра образовывались места с однородными частичками, а остальные отлетали к краям. Поэтому господину Перрену приходилось по нескольку раз так использовать центрифугу. Даже с учётом того, что эта центробежная сила, даже на радиусе в 15 см, уже превосходила силу тяжести (силу притяжения Земли) в 1 000 раз. В чём можно убедиться, учитывая, что сила тяжести определяется произведением (умножением) массы на ускорение падения любого объекта g, которое одинаково для всех объектов и равняется 9,81 м/с2 (метров в секунду в квадрате). А исходя из того, что совершается 2500 оборотов в минуту, можно вычислить, что угловое ускорение по (1.1).

Остаётся лишь вычислить отношение и получить результат (1.2).

Получаемое число действительно больше 1 000, то есть сила на расстоянии всего 15 см уже больше силы притяжении всей планеты в 1 046,9 раз. Таким образом, в конце концов, Перрену удалось получить воду только с указанными диаметром частиц – 0,5 (5 из 10 частей), 0,46, 0,37, 0,21 и 0,14 микрона (1 тысячная доля миллиметра или 10—6 м, что соответствует делению 1/1000000). Ну и наконец, получив такие жидкости только с определённым типом частиц гуммигута (такие жидкости называются эмульсиями), Перрен решил поэкспериментировать и понаблюдать за ними в микроскопе. Наблюдая за ними повернув всю кюветку на бок, Перрен заметил, что эти частички уменьшаются с увеличением высоты. Если вначале они заполняли равномерно или хаотично всю жидкость, то затем они уменьшались с высотой, ровно также как уменьшается воздух в верхних слоях атмосферы. А это уже была мысль! Если это сравнить с уменьшением воздуха на больших высотах, то можно установить закономерность. Но чтобы это проверить Перрен решил сосчитать эти зёрнышки на каждой высоте.

Увы, фотографировать их не получалось, ведь фотографии получались слишком не чёткие из-за малого размера в менее чем 0,5 микрон и Перрен по нескольку раз измерял число частиц гуммигута на разной высоте, поскольку частички двигались, не получалось точного подсчёта, поэтому Перрену приходилось даже на одной высоте считать несколько раз, а потом говорить среднее число. Так в один раз, он провёл расчёт на высоте 5, 35, 65 и 95 микрон. И получалось, что число частиц на высоте 35 микрон было равно почти половине числа частиц на высоте 5 микрон, а высоте 65 – половине 35 и т. д. А это уже прекрасно попадало под закон уменьшение атмосферного давления (силы давления кислорода на нашу планету) с высотой, которую ещё 17 столетии определил Блез Паскаль, знаменитый французский учёный. Он измерял количество кислорода, при помощи барометра Торричелли, устройства для измерения давления, принцип которой состоит в том, что при нормальном давлении воздуха сверху, ртуть в трубке находится на определённой высоте, когда давление становится меньше, ртуть может подниматься, а если давление увеличивается, то наоборот – спадает, если же давления нет, как и притяжения – то это некое подобие невесомости. Вычислив разницу в слоях атмосферы, Паскаль ещё тогда определил, что кислород уменьшается с увеличением высоты на каждые 5 км. Но почему здесь уменьшение частиц гуммигута в 2 раза только с 5 до 35, а в атмосфере с 5 до 10, даже если не учесть масштабы?

А всё дело в частицах, ведь в атмосфере – кислород, а здесь частички гуммигута, насколько причём большие, что их можно увидеть в микроскоп, их диаметр 0,21 микрон. Также закон изменяется и для азота, и для углекислого газа и т. д. из-за разности масс молекул. И если считать э4ту эмульсию как маленькую атмосферу, то уже можно вычислить настоящую массу атома! Проделать этот расчёт не так уж и сложно, высота, на которой плотность кислорода становится в 2 раза меньше – 5 км, а для гуммигута – 30 микрон. А 5 км в 165 000 000 раз больше, чем 30 микрон, следовательно, 1 такой шарик гуммигута с диаметров в 0,21 микрона в 165 000 000 раз больше молекулы воздуха. А подсчитать массу этого гуммигутового шарика проще простого.

Отношение массы 1 кубического метра гуммигута (в объёме куба с размерами в 1 метр ширины, 1 метр высоты и 1 метр длины) на его массу, такое же, как и у этого шарика гуммигута и равно 1 000 кг/м3 (килограмм на кубический метр) или 103 кг/м3 (10 в кубе). А объём сферы для шарика гуммигута, также находится просто. Ведь для того, чтобы вычислить объём сферы, необходимо круг прокружить в пространстве, то есть умножить на его площадь, площадь второго круга и тогда получится и заодно вычесть ту часть круга, где такой «оборот» прошёлся 2 раза. В итоге получается формула, выводимая наподобие формулы для площади круга (1.3).

Такой объём соответствует массе, с учётом силы Архимеда, то есть силой, которая выталкивает из воды, поскольку частички гуммигута находятся в воде, а не в воздухе составляет примерно 10—14 грамм. И если это зерно больше молекулы кислорода в 165 миллионов раз, следовательно, масса атома кислорода составляет 5,33*10—23 грамм. А это уже, как можно узнать из сравнений масс водорода и кислорода (с учётом, что в молекуле кислорода 2 атома, поскольку это газ) в 32 раза больше чем масса водорода, следовательно, масса атома водорода составляет 1,674*10—27 кг, то есть в 1 грамме водорода уже содержится 597 371 565 113 500 597 371 565 114 атомов водорода! И так, можно было уже сравнивать массу атома с а. е. м., получив, что масса атома водорода составляет 1,007825 а. е. м. Именно таким образом Перрен смог сделать казалось бы невозможное – взвесить атомы и молекулы и теперь атомы и молекулы были не сказкой, а настоящей наукой с точными расчётами, формулами и указаниями!

И даже Освальд, ярый противник атомистической теории, в предисловии к своему курсу химии написал: «Теперь я убеждён, что в последнее время мы получили опытное доказательство прерывного, или зернистого, строения материи – доказательство, которого тщетно искала атомистическая гипотеза в продолжении сотен и тысяч лет. Совпадение броуновского движения с требованиями этой гипотезы даёт право самому острожному учёному говорить об опытном доказательстве атомистической теории вещества. Атомистическая гипотеза сделалась, таким образом, научной, прочно обоснованной теорией».

И наконец, можно было смело утверждать, что всё в этой вселенной от планет и звёзд, до нас с Вами, до всего, что видит глаз состоит из атомов, но насколько верным было это утверждение? И возможно, учёным предстояло найти и другие частицы…

Изображения к 1 главе

Рис. 1.1. Демокрит – один из первых авторов идеи атомизма

Рис. 1.2. Левкипп – один из первых людей, поддержавших и развивавших атомизм

Рис. 1.3. Эпикур – философ, вложивший большой вклад в теорию атомизма

Рис. 1.4. Платон – предполагал, что атомы имеют формы платоновских тел

Рис. 1.5. Абу Райхан Беруни – являлся сторонником атомизма и полагал, что атом также делим, но не бесконечно

Рис. 1.6. Абу Али ибн Хусейн ибн Абдаллах ибн Сина – также известен как Авиценна, сторонник теории атомизма

Рис. 1.7. Пьер Гассенди – возродил идею атомизма

Рис. 1.8. Роберт Бойль – учёный защитивший атомизм в своей выдающейся работе «Скептический химик»

Рис. 1.9. Исаак Ньютон – великий учёный, также ставший сторонником атомизма

Рис. 1.10. Джон Дальтон – один из первых сторонников возрождения атомизма, а также создатель одной из первых таблиц по классификации

Рис. 1.11. Таблица Дальтона

Рис. 1.12. Уильям Праут – полагал, что всё в мире состоит из водорода

Рис. 1.13. Станислао Канниццаро – предложил обозначать химические элементы их латинскими наименованиями, введя современную символику

Рис. 1.14. Роберт Броун – первооткрыватель Броуновского движения

Рис. 1.15. Периодическая система Дмитрия Ивановича – то, что некогда хотел создать Дальтон

Рис. 1.16. Рихард Зигмонди – изобретатель ультрамикроскопа

Рис. 1.17. Жан Перрен – человек, доказавший существование атомов определив их вес

Глава 2. Внутри атома и особенности ядра

Атом долгое время считали неделимым, само его название означает «неделимый», но со временем, всё же пришлось согласится с тем фактом, что атом делим и имеет структуру, не смотря на то, что прошло достаточно много времени. Описание дальнейших ступеней развития физики атомного ядра и элементарных частиц тесно граничит с разными математическими операциями, подробные описания которых уже не будут приведены, как и многие упрощения к общим теориям, что сильно увеличило бы объём информации, а некоторые «азы» уже были описаны в предыдущей вводной главе. В данной же главе будут описываться явления радиоактивности с использованием анализа при помощи полного математического аппарата.

Мир элементарных частиц, микрообъектов и квантов удивителен по своему строению, образу существования и законам. Познавая структуру материи, неизбежно приходится принять тот факт, что структура любой материи в близи сама по себе представляет собой отдельный мир, как уже говорилось. Сегодня уже широко известна теория атомизма, которая полагала, что все на свете состоит из мельчайших частиц – атомов. И если впервые эти идеи начинались еще со времен Левкиппа, Платона, Аристотеля и многих других ученых древности, во времена которых эти мысли в основном не выходили за пределы философских умозаключений. Впрочем, как во времена таких великих ученых как Абу Райхан Бируни, Абу Али ибн Сина, Аль-Хорезми, Ахмад Аль-Хорезми и других ученых Востока.

Так было даже время, когда атомизм даже был запрещен. И наконец, когда сам сэр Исаак Ньютон наряду с другими учёными защитил эту грандиозную идею, ее начали признавать и начались активные исследования в этой области. Но для полной победы и доказательства действительности существования атомов, нужно было предъявить какие-либо экспериментальные доказательства. Многие ученые как Джон Дальтон, Дмитрий Иванович Менделеев, Жан Перрен и многие другие пытались провести этот эксперимент, пока наконец, Жан Перрен не провел свой эксперимент с гуммигутовой эмульсией. Проведя аналогию изменения числа частичек гуммигута с изменением атмосферного давления по высоте, Перрен смог впервые определить вес атома.

А после того, как атом полностью был признан существующей частицей, начались работы по определению его структуры. И теперь после ряда исследований и экспериментальных подтверждений таких гениальных ученых экспериментаторов и теоретиков как Джон Томпсон, Эрнест Резерфорд, Нильс Бор и многих других была определена структура атома. И сегодня доказано не только при помощи косвенных экспериментов, но и с помощью прямых экспериментальных доказательств, ярким примером которых является сегодня наличие настоящей фотографии атома, что атом имеет четкую и ясную структуру.

Но как же можно прийти к этой структуре? На этом вопросе стоит остановится несколько более подробно. Как известно, все объекты электризуются, обмениваются зарядами, но где же они расположены? Если зарядами обладают все тела, в том числе и диэлектрики (хоть и малыми), следовательно, заряды имеются в структуре вещества. Вещество как уже было доказано состоит из молекул, а те из атомов, следовательно, заряды находятся внутри атомов.

И история открытия структуры атома начинается в 1897 году, когда Джозеф Джон Томпсон открывает электроны, при изучении электрического тока в газах. То есть когда в трубке, в которой имелись два электрода – катод и анод пропускался ток, то катод испускал некоторые лучи, так называемые «катодные лучи», честь точного определения типа этих лучей и принадлежит господину Томпсону, который отклоняя их в магнитном поле, а также ускоряя в электрическом поле, установил, что это ничто иное как некоторые частицы, испускаемые катодом, с отрицательным электрическим зарядом, благодаря чему они и были названы электронами.