Читать книгу Использование ускорителей и явлений столкновения элементарных частиц с энергией высокого порядка для генерации электрической энергии. Проект «Электрон». Монография - Ибратжон Хатамович Алиев - Страница 3

Квантовый мир элементарных частиц и атомного ядра удивителен по своей красоте, структуре и масштабам. И далее также будет рассмотрен этот мир во всех сложностях. Но первоначально необходимо понять саму суть первых шагов в открытии атома, той самой частички с которой всё и начиналось. Первая глава кардинально отличается от остальных глав поскольку она создана специально не только для высших умов, которые уже оперируют с довольно сложными понятиями, но и для юного поколения, только вступающего на путь этой удивительной науки. Поэтому в этой главе всё описано максимально просто и элементарно. Итак, без лишних слов, история величайшей атомной науки начинается…

С самых древних времён люди пытались определить структуру нашего мира, понять из чего же он состоит. Изначально, все эти вопросы были чисто философскими, по этой причине возникло такое понятие как атомизм, по этой теории, все вещества, объекты, тела состояли из неделимых частиц – атомов. Эта идея широко поддерживалась ещё в древности, впервые появившись в самых различных точках нашей планеты от древней Индии до Древней Греции и Восточного мира.

К примеру, в Древней Греции атомизм широко поддерживался также и Демокритом Абдерским, Левкиппом и другими. Противники идей атомизма могли лишь утверждать, что материя делится до бесконечности. Также учение Демокрита было основано и на идее того, что атомы не только неделимы, но их количество бесконечно, они не сотворены, и они вечны, а свойства объектов зависят от атомов. Большой вклад в идею атомизма внёс также, и философ Эпикур, а уже позже поэт Лукреций. Но если с утверждением самого понятия атома всё было ясно, поскольку атом переводится с древнегреческого как «неделимый», то есть атомы не могли делится, то с их формами были проблемы. Впервые идею о формах атома выдвинул Платон, предположив, что атомы имеют формы Платоновских тел или правильных многогранников как куб, пирамида, тетраэдр, додекаэдр, октаэдр и другие, то есть многогранники, грани которых равны между собой. Большого внимания атомизм заслужил после активных ссылок на эту идею самого Аристотеля, после чего эта идея начала распространяться по всему миру.

В восточном же мире, где выдающиеся мыслители и гении проводили свои исследования и совершали великолепные исследования в академии Маъмуна были также отдельные мнения на тему атомизма. В самой академии Маъмуна проводили свои эксперименты такие выдающиеся учёные как Абу Райхан Бируни, ибн Сина, Абу Наср ибн Ирак, Махмуд Худжанди, Ахмад ибн Мухаммад Хорезми, Ахмад ибн Хамид Найсабури и многие другие. Многие из них являются выдающимися учёными, если Абу Али ибн Хусейн ибн Абдаллах ибн Сина, также известный как ибн Сина или Авиценна в Европе создал «Канон врачебной науки и считается отцом медицины, то Абу Райхан Бируни – учёный-энциклопедист, который проводил исследования в области физики, математики, астрономии, естественных наук, истории, хронологии, лингвистики, индологии, наук о Земле, географии, философии, картографии, антропологии, астрологии, химии, медицины, психологии, богословия, фармакологии, истории религии и минералогии. Также он считается создателем первого глобуса, также первый человек измеривший радиус планеты используя тригонометрические закономерности, а также первым кто, предсказал наличие материка Америки.

На сегодняшний день сохранились письма Абу Райхана Бируни и ибн Сины, вместе с их трудами, где учёные вели дебаты также по теме строения материи. По предположению учёных, мир состоял из частиц меньшими чем атом, именно там можно увидеть предположения, что и считавшаяся тогда неделимой частица атома делима, но не до бесконечности. Что же касается их формы, то тогда велись предположения, что атомы имеют сферическую форму, поскольку сфера считалась некой идеальной моделью, следовательно, атомы должны быть такими.

Проходит время и делаются самые различные открытия. Но про идеи Эпикура, впрочем, как и про атомизм забывают, поскольку идеи Эпикура противоречили христианским учениям и церковь запрещала её использование, как и утверждение того, что атомы существуют. Но французский католический священник Пьер Гассенди возродил идею атомизма, несколько изменив понятие того, что атомы были созданы Богом. А уже после защиты атомизма со стороны химика Роберта Бойля – выдающегося химика и автора труда «Скептический химик», а также со стороны сэра Исаака Ньютона, который сам по себе почитался как выдающийся учёный, атомизм был принят к концу 17 века.

Приведём цитаты самого сэра Ньютона на эту тему из перевода его трудов: «Мне представляется, что Бог с самого начала сотворил вещество в виде твёрдых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры, такую форму и такие другие свойства и создал их в таких относительных количествах, как ему нужно было для той цели, для которой он их сотворил. Эти первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем те тела, которые из них состоят, – настолько тверды, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются вдребезги, так как нет такой силы, которая могла бы разделить на части то, что сам Бог создал неразделимым и целым в первый день творения. Именно потому, что сами частицы остаются целыми и неизменными, они могут образовывать тела, обладающие той же самой природой и тем же строением во веки веков; ведь если бы частицы изнашивались или разбивались на части, то зависящая от них природа вещей изменилась бы. Вода и земля, составленные из старых, изношенных частиц и осколков, отличались бы по строению и свойствам от воды и земли, построенных из ещё целых частиц в начале творения. Поэтому, для того чтобы природа могла быть долговечной, все изменения тел природы могут заключаться лишь в перемене расположения, в образовании новых комбинаций и в движений этих вечных частиц… Бог мог создать частицы вещества обладающими разными размерами и может разной формой, поместить их на разных расстояниях друг от друга, наделить их, быть может, разными плотностями и разными действующими силами. Во всём этом я, по крайней мере, не вижу никаких противоречий… Итак, по-видимому, все тела были построены из вышеупомянутых твердых непроницаемых частиц, которые были в первый день творения размещены в пространстве по указанию Божьего разума».

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…