Ник. Горькавый
Драконоборцы. 100 научных сказок
Почему итальянец Маркони не нашёл поддержки у себя в Италии и создал британскую компанию по производству радио?
Хвастаясь умом своих великих соотечественников, надо признавать недальновидность своих правительств и неповоротливость общества, которые не оценили в своё время талантливых людей.
Примечания для любопытных
Гульельмо Маркони (1873–1937) – выдающийся итальянский изобретатель, создавший массовое производство радиопередатчиков и радиоприёмников. Его компания первой осуществила трансатлантическую радиосвязь.
Генрих Герц (1857–1894) – великий немецкий учёный, открыватель радиоволн, которые долгое время носили имя «волн Герца».
Оливер Лодж (1851–1940) – видный британский физик, один из пионеров радиосвязи. Награждён медалью Фарадея.
Никола Тесла (1865–1943) – выдающийся американский изобретатель сербского происхождения. Создатель целого ряда новых электрических приборов и устройств. Благодаря своим талантам и эксцентричности, стал легендарной личностью в глазах широкой публики.
Александр Степанович Попов (1859–1905) – выдающийся российский учёный, профессор, пионер радиосвязи. В честь Попова названы астероид 3074 и кратер на обратной стороне Луны.
Малон Лумис (1826–1886) – видный американский изобретатель, дантист из Вашингтона. Один из пионеров радиосвязи. Осуществил в 1866 году радиосвязь на расстоянии более 20 км между двумя горными вершинами в Виргинии с помощью воздушных змеев.
Дэвид Хьюз (1831–1900) – видный американский учёный британского происхождения, один из пионеров радиосвязи.
Томас Эдисон (1847–1931) – выдающийся американский изобретатель и бизнесмен, получивший более тысячи патентов. Один из пионеров радиосвязи.
Карл Браун (1850–1918) – видный немецкий физик и изобретатель, один из пионеров радиосвязи и телевидения. В 1874 году открыл принцип действия кристаллического диода, а в 1899 году запатентовал выпрямитель тока, основанный на кристалле. Лауреат Нобелевской премии (1909).
Эдуард Бранли (1844–1940) – видный французский учёный, профессор Парижского института, один из пионеров радиосвязи.
Яков Наркевич-Йодко (1848–1905) – видный белорусский учёный, врач и профессор электрографии и магнетизма. Один из пионеров радиосвязи.
Джагадиш Бозе (1858–1937) – видный индийский учёный, один из пионеров радиосвязи.
Ландель де Мура (1861–1928) – видный бразильский изобретатель и католический священник, один из пионеров радиосвязи. В 1900 году продемонстрировал передачу человеческого голоса по радиосвязи, но бразильское правительство отказало ему в поддержке.
Загадочная история о легендарном электрическом волшебнике Тесле
Дзинтара, которая возвратилась из поездки, была рада вернуться и к чтению вечерних сказок. Она позвала детей, открыла книгу и начала таинственным голосом:
– В истории развития электрической цивилизации есть один выдающийся исследователь, окутанный облаком легенд.
Он родился в ночь с 9 на 10 июля 1856 года во время ужасной грозы, которая разрывала тьму ночи мощными электрическими разрядами. Акушерка стала причитать, что молнии при рождении ребенка являются плохой приметой, и заявила:
– Это будет дитя темноты!
– Он будет ребёнком света! – возразила акушерке мать.
Мальчик Никола вырос, но, когда ему исполнилось 17 лет, он тяжело заболел.
…В 1873 году эпидемия холеры свирепствовала в сербских селениях, отправляя на кладбище каждого десятого жителя. Дом православного священника Милути-на в Госпиче тоже был погружён в скорбь. Сын Никола не вставал с кровати уже 9 месяцев. Врачи отказались от него как от безнадёжного больного. В один из приступов болезни, который мог стать смертельным, отец зашёл в комнату Николы, и, несмотря на отчаяние, сказал ему:
– Ты выздоровеешь! – хотя и сам не верил в это.
Никола посмотрел на отца. Он вырос в семье священника, и мать его была дочерью священника. Естественно, что любящие отец и мать с детства уготовили для Николы, единственного мальчика в семье, судьбу священнослужителя. Эта перспектива давила на юношу как чёрная туча. После окончания школы перед ним стоял тяжёлый выбор – ослушаться отца с матерью или покорится родительской воле.
Стоя на пороге смерти, юноша высказал свою самую заветную мечту:
– Может, мне и удастся поправиться, если ты позволишь мне изучать инженерное дело…
Отец торжественно пообещал, глотая слёзы:
– Ты поступишь в лучшее учебное заведение Европы!
Возможно, именно эти слова, сбросившие с мальчика груз тёмного будущего, помогли ему выздороветь.
– Почему-то все родители уверены, что они лучше детей знают, как нужно жить… – пробормотал Андрей и покосился на мать.
Та помедлила, хотела что-то сказать, но потом лишь вздохнула и продолжила историю:
– Никола Тесла поступил в технический университет в городе Граце. Сначала он занимался физикой и математикой, но потом оказался очарован электричеством.
– Помните – молнии в ночь его рождения? – отметила Галатея.
– Когда профессор продемонстрировал студентам электродвигатель на постоянном токе, Никола заявил, что такие двигатели несовершенны и что для электрических машин нужно использовать переменный ток. Профессор обругал Николу Теслу перед всем курсом и прочитал целую лекцию о невозможности использования переменного тока в электродвигателях.
Университетское образование Теслы закончилось, когда его отец умер. Финансовая поддержка двух его дядей позволила юноше продолжить обучение в Пражском университете ещё в течение одного семестра, но вскоре ему пришлось искать работу.
Тесла устроился в телеграфную компанию Будапешта, которая занималась и проведением телефонных линий. В голове молодого человека теснились различные идеи, всплывали схемы новых диковинных электрических устройств, которые использовали переменный ток и такую удивительную штуку, как вращающееся магнитное поле. Тесла мечтал поехать в Америку и заставить мощь Ниагарского водопада служить людям. Интересно, что мать Теслы сама была незаурядным изобретателем – и сконструировала немало полезных устройств для своей кухни.
– Значит, не только желудок, но и голова Теслы немало почерпнули на кухне своей матери, – сказал Андрей. – Детские впечатления – самые прочные!
– Но простому телеграфисту не полагалось выдумывать ничего нового. Тогда Тесла устроился в европейское отделение компании знаменитого изобретателя Эдисона и в свободное от работы время сконструировал электродвигатель нового типа, который успешно работал. Один из администраторов компании, восхищённый талантами молодого Теслы, дал ему рекомендательное письмо к самому Эдисону – и Никола отправился за океан, в Нью-Йорк.
Эдисон прохладно отнёсся к новому сотруднику, у него было слишком много собственных идей и он смело критиковал электродвигатели на постоянном токе, которые создавала компания Эдисона. Эдисон, глубоко уверенный в своих конструкциях, сказал молодому Тесле, что если тот сможет улучшить устройства, разработанные самим Эдисоном, то он выплатит ему 50 тысяч долларов – сумму по тем временам огромную, эквивалентную миллиону современных долларов. Несколько месяцев Тесла работал без устали и практически без сна – и вскоре представил более двух десятков усовершенствований машин Эдисона, а также пару новых устройств. Эдисон одобрил все улучшения Теслы, но в ответ на предложение выплатить обещанное заявил, что эмигрант Тесла плохо понимает американский юмор. В качестве компенсации Эдисон предложил поднять зарплату Тесле на… 10 долларов в неделю. Оскорблённый Тесла немедленно уволился.
За год работы у Эдисона молодой изобретатель приобрел определённую известность – и другая фирма предложила ему разработать новые лампы для уличного освещения. Он сделал их, но фирма отказалась платить, попробовав всучить вместо платы свои акции, что не устроило Теслу. Так он оказался на улице и несколько месяцев перебивался случайными заработками и даже рытьем канав. Тесла спал где придётся, ел что найдёт – и нередко голодал. Наконец, в 1887 году знакомый инженер помог добыть Николе финансирование – и организованная Теслой новая компания по изготовлению уличных ламп быстро разбогатела, так как заказы на новые качественные лампы стали поступать со всех сторон.
Теперь Тесла мог использовать прибыль компании для реализации своих научных идей. Он снял под лабораторию дом на Пятой авеню, недалеко от здания компании Эдисона, – и между двумя изобретателями развернулась острая конкурентная борьба, вошедшая в историю науки как «война токов». Фактически главный спор шёл вокруг того, какой ток – постоянный или переменный – перспективнее для практического использования. Эдисон отличался невероятной работоспособностью, но Тесла нисколько не уступал ему в этом. Он отдыхал всего четыре часа в сутки, причем спал только два часа, а два часа просто размышлял.
– Ему хватало всего двух часов сна? – удивилась Галатея, которой и восьми не хватало.
– Он утверждал, что – да. Но Тесла признавался, что днём засыпает на короткое время, чтобы «перезарядить батарейки».
Тесла создавал новые электрические устройства, патентовал их – и приступал к новым проектам. В итоге он выиграл у Эдисона «войну токов». Вместе с Теслой выиграло и всё человечество: наша электрическая цивилизация немыслима без переменного тока, который так упорно пропагандировал Тесла. Подавляющее большинство линий электропередач и множество электромоторов работает на переменном токе, как и лампы в домах и на улицах, – так что сейчас весь мир освещается благодаря Тесле.
Вскоре крупный промышленник Вестингауз выкупил у Теслы 40 патентов по 25 тысяч долларов каждый. Всего Тесла получил за свои разработки миллион долларов, что по тем временам было фантастическим состоянием. Но деньги мало интересовали Теслу, и он отказывался от выгодных предложений, если они мешали ему творить и не приносили удовлетворения. Он чувствовал и понимал поведение капризного электрического тока так, как, пожалуй, никто из живущих на Земле людей.
– Он стал укротителем электрического дракона! – воскликнула Галатея. – Недаром тот так бушевал во время рождения Теслы!
– Тесла поставил перед собой грандиозную задачу: добиться передачи по воздуху не просто радиосигнала или звука, а большого количества электрической энергии, достаточной, например, для горения электрических ламп. Он был уверен, что можно передавать электроэнергию с помощью самой Земли и даже фокусировать эту энергию в любой точке мира. Если бы ему это удалось, то линии электропередач, которые сейчас окутывают мир густой сетью, стали бы не нужны…
– Лампы горели бы без проводов! – взвизгнула от восторга Галатея, глаза которой горели не хуже электрических лампочек.
– Но ведь до сих пор электроэнергия для ламп и моторов передаётся только по проводам, – сказал Андрей.
– Да, потому что Тесла не добился своей цели. И мы до сих пор не знаем – решаема ли такая задача в промышленных масштабах. Тесла зажигал лампы без проводов на расстоянии 40 километров! Но, когда он задумал создать систему, которая бы распространяла электричество по всему миру без проводов, финансист Морган отказался поддержать этот проект. «А куда мы поставим электрические счётчики для взимания платы?» – спросил он изобретателя.
– То есть такая мировая электрическая система действительно возможна? – спросил Андрей. – Нужен только второй гениальный Тесла, чтобы создать её?
Дзинтара пожала плечами и сказала:
– Спустя сто лет появились небольшие устройства, которые заряжают свои батареи без проводов – так, как предлагал Тесла. Но, как биолог, я подозреваю, что такая мощная беспроводная энергетическая система потенциально может наносить вред здоровью людей.
Кроме этого, Тесла разработал электродвигатель, который работает на переменном токе, генератор переменного электричества и множество других полезнейших устройств, которые ускорили промышленную революцию в конце XIX и начала XX века. Двигатель Теслы широко используется до сих пор и считается одним из десяти величайших научно-технических достижений человечества.
Фотографическая память и прекрасное пространственное воображение позволяли ему создавать проекты своих устройств полностью в голове – и только потом переносить их на бумагу.
Тесла приобрёл широкую известность как инженер-электротехник: его выступления на собраниях американских инженеров пользовались большим успехом. Председатель одного из таких собраний пошутил, что когда-то Бог сказал: «Да будет свет!» – и мир осветился, но он мог сказать просто: «Да будет Тесла!» – и Тесла бы сам принёс свет людям.
Ещё большую популярность Тесла снискал у широкой публики: в глазах людей, мало что смысливших в электрических схемах. Высокий – 188 см и худой – 64 кг, Тесла был воплощением сумасшедшего учёного. Его элегантная тощая фигура была известна многим нью-йоркцам; его экстравагантные привычки привлекали внимание света; его эффектные эксперименты с многометровыми молниями вокруг огромных заряженных шаров восхищали народ и порождали массу слухов.
Когда в 1898 году на нью-йоркской выставке Тесла продемонстрировал радиоуправляемую лодку – она вызвала сенсацию. В публике высказывались различные мнения: лодка управляется волшебством, телепатией или маленькой обезьянкой, спрятанной внутри. Военные не заинтересовались радиоторпедами, которые предлагал им Тесла: его идея радиоуправляемых роботов, или телеавтоматов, как он их называл, опередила время на сто лет.
Тесле удалось исполнить свою мечту – он построил гидроэлектростанцию на Ниагарском водопаде.
Ему принадлежат 700 патентов в разных странах мира.
Он открыл рентгеновские лучи и получил рентгеновские снимки независимо от Рентгена.
Он создал радио и осуществил радиопередачу независимо от Маркони и других изобретателей.
Он был уверен, что принял в своей лаборатории сигналы с другой планеты.
Он утверждал, что разработал «лучи смерти», которые могут стать самым могущественным оружием в мире.
В пожилом возрасте он проходил в день около 15 километров, любил кормить голубей, а на излечение голубки со сломанным крылом потратил две тысячи долларов, причем сам сконструировал устройство, которое позволило ей поддерживать сломанное крыло. Он жил в отеле, никогда не был женат и не имел детей. Прогуливаясь, он считал шаги при ходьбе, обедая – рассчитывал объём тарелки с супом. Если его отвлекали от этого занятия, то пища не приносила ему удовольствия. Поэтому он предпочитал есть в одиночестве.
Он разговаривал на восьми языках.
Он очень не любил жемчуг и запах камфары.
Он элегантно одевался и всегда надевал к ужину белые перчатки. Ужинал он обычно в определённом ресторане и требовал, чтобы его обслуживал конкретный, уже знакомый ему официант. После холеры, которую он перенёс в юности, он опасался бактерий и был очень чистоплотен.
Последние 10 лет он, возможно, жил уже не в мире реальности, а в мире своих грёз, где многие его идеи осуществились.
Тесла по популярности мог поспорить с любой кинозвездой. Он не только изобретал полезные устройства – он вдохновлял людей своим талантом новатора. Он заложил фундамент современной электрической цивилизации, но умер небогатым и одиноким человеком, в возрасте 86 лет.
После смерти Теслы Федеральное бюро расследований опечатало его бумаги и пригласило эксперта, который бы оценил – насколько опасны открытия Теслы, включая его «лучи смерти». Эксперт не нашёл ничего интересного в устройствах и бумагах, хранимых в номере отеля, где жил Тесла, но многие поклонники таланта Теслы уверены, что секреты великого изобретателя с той поры были спрятаны в тайниках спецслужб.
За гробом Теслы шли тысячи людей, включая нескольких нобелевских лауреатов.
Его прах перевезён в Сербию и покоится в золотом шаре на мраморном постаменте в музее Теслы. Его именем названа единица магнитной индукции и первый массовый электромобиль.
В штате Нью-Йорк и в других штатах 10 июля отмечают День Теслы, а на перекрёстке 40-й улицы и 6-й авеню в Манхэттене висит знак «Перекрёсток Николы Теслы».
Многие современники считают Теслу «святым заступником электрической эры» и «человеком, который изобрёл XX век». Его имя окутывает облако легенд – ему приписывают создание машины времени, а также фантастических устройств для телепортации и телепатии. Некоторые считают, что Тунгусский метеорит 1908 года был одним из экспериментов Теслы по фокусированию энергии на больших расстояниях. О нём пишут многочисленные книги и снимают фильмы. Он стал легендарным электрическим волшебником.
Если вы исключительно трезвомыслящий человек и не верите в легенды, то, когда пользуетесь многочисленными плодами электрической цивилизации, включающие различные устройства и электромоторы Теслы, просто скажите ему: «Спасибо».
Постоянный ток – электрический ток, который не меняет со временем своё направление и величину.
Переменный ток – электрический ток, который меняет со временем своё направление (например, в обычной бытовой электросети – 50 или 60 раз в секунду, что означает частоту 50 или 60 герц) или свою величину. В авиации используется переменный ток в 400 герц, на железных дорогах – 16 или 25 герц.
Вращающееся магнитное поле – магнитное поле, которое, не меняя своей величины, меняет своё направление, вращаясь с постоянной угловой скоростью, как это делает, например, часовая стрелка.
Тунгусский метеорит – событие 30 июня 1908 года, которое вызвало ослепительную вспышку, повалило деревья на площади в 2000 квадратных километров, но не оставило никакого кратера. Специалисты считают, что это был каменный астероид размером около 50 метров, разрушившийся высоко в атмосфере, как и каменный Челябинский болид диаметром в 20 метров, но среди неспециалистов бродит огромное количество фантастических гипотез, включая неудачную посадку корабля инопланетян и удачный опыт Теслы по передаче энергии на расстояние.
Сон химика Менделеева об электрических атомах
Химик Менделеев после открытия своей знаменитой таблицы стал популярен – настолько, что это его стало раздражать. Вот и на этом званом обеде к нему пристали какие-то барышни вместе с журналистами:
– А правда, что вы сделали своё открытие во сне? Проснулись и записали уже готовую таблицу?
Химик тяжёло вздохнул в ответ – ну что сделаешь с этими легкомысленными людьми? – и ответил:
– Я над ней, может быть, двадцать лет размышлял, а вы думаете – раз и готово…
Навязчивые посетители давно ушли, а пожилой учёный погрузился в воспоминания, машинально поглаживая густую седоватую бороду. Он вспоминал своё детство в Тобольске и долгую поездку в Санкт-Петербург, где получил университетское образование. Но этого молодому хваткому сибиряку было мало, и он, начав карьеру с должности школьного учителя в Симферополе и Одессе, написал диссертацию и стал в 23 года приват-доцентом Санкт-Петербургского университета. А потом были годы исследований – в России и в Европе, обустройство лаборатории с изготовлением нужных Менделееву точнейших приборов, множество экспериментов и тысячи прочитанных книг и статей.
План исследований у молодого учёного был глобален: связать химические свойства элементов с их физическими свойствами, в первую очередь с массой, объёмом и силой взаимодействия атомов. Годы и годы ушли на рассматривание и анализ карточек, на которых были записаны свойства известных элементов. Никакой сон не помог бы, если бы не было этих долгих лет…
Проблема классификации химических элементов по свойствам и весу атомов заключалась в том, что далеко не все химические элементы в то время были открыты, а для тех элементов, что были открыты, физические параметры нередко определялись с большой ошибкой. И молодому учёному нужно было сначала уловить скрытый ритм химических свойств элементов, а потом понять – если какие-то элементы не укладываются в найденную закономерность, то является ли это признаком ошибочности данной закономерности или признаком неправильно определённых свойств химических элементов?
Гениальность и смелость Дмитрия Ивановича Менделеева, достигшего к 1869 году, времени открытия своего Периодического закона, 35-летнего возраста, как раз в том и выразились, что он верно уловил гармонию в периодичности химических свойств элементов, а параметры тех элементов, которые ей не соответствовали, он смело исправил. Для этого нужно твёрдо верить в открытый закон! Например, в те времена атомный вес урана считался равным 120 единицам.
– А что такое единица атомного веса? – спросил Андрей.
– Это одна двенадцатая массы атома углерода. Так как ядро углерода имеет массу 12 и состоит из шести протонов и шести нейтронов, то получается, что за единицу принимается величина, близкая к массе одного нуклона в ядре, то есть протона или нейтрона. Возвращаясь к урану: Менделеев взял и увеличил его массу со 120 до 240 единиц! Впоследствии оказалось, что уран имеет среднюю массу в 238.
– То есть Менделеев, исходивший из теоретических соображений, оказался гораздо точнее, чем все экспериментаторы? – удивился Андрей.
– Да, хорошая теория должна обладать способностью к верным предсказаниям. Учёный исправил параметры девяти элементов: например, известную атомную массу тория учёный изменил с 174 до 231; массу индия исправил с 75,6 на 113,4; массу церия поднял с 92 до 140. Все эти и ряд других сдвигов в параметрах элементов потом полностью подтвердились. Более того – таблица Менделеева позволила не только правильно разместить известные элементы, она также указала на пропуски или пустые клетки в таблице.
– А в этих пустых клетках должны были находиться ещё не открытые элементы? – догадалась Галатея.
– Верно. На основе открытых периодичностей свойств химических элементов Менделеев детально описывал возможные характеристики ещё не открытых элементов, указывал их атомный вес и химические свойства.
Учёный писал: «Без Периодического закона мы не имели никаких поводов предсказывать свойства неизвестных элементов, даже не могли судить о недостатке или отсутствии тех или других из них. Открытие элементов было делом одного наблюдения… Закон периодичности открывает в этом последнем отношении новый путь».
Базируясь на своём законе периодичности, Менделеев предсказал наличие десяти ещё не открытых химических элементов: скандия, галлия, германия, гафния, полония, астата, технеция, протактиния, рения и франция. Все они были впоследствии открыты, что стало настоящим триумфом Периодического закона Менделеева.
Дзинтара раздала детям красивые цветные листки с таблицей.
– Возьмите таблицу Менделеева и внимательно посмотрите на неё. Она рекордсмен по информационной ёмкости: эта таблица, умещающаяся на одной странице, рассказывает невообразимо много о тайнах нашего мира. Таблицу Менделеева, как и физическую карту Земли, можно рассматривать бесконечно долго.
– Мама, а почему химические элементы проявляют такую периодичность? – спросила Галатея.
Дзинтара призадумалась, а потом молча потянулась к вазе, заполненной разными ягодами, и стала что-то сортировать.
Вскоре на столе выросли три кучки: тёмно-красных вишен, полупрозрачного желтоватого винограда и ягод чёрной смородины.
– С помощью этих ягод мы сейчас смоделируем набор элементов, из которых создан наш материальный мир. Пусть вишни означают протоны, виноградинки – нейтроны, а мелкие ягоды смородины – электроны.
Дзинтара взяла прозрачные стаканы и расставила их в ряд. В первый стакан она бросила одну вишенку, во второй – две, в третий – три.
– Каждый стакан – это ядро какого-то химического элемента. В таблице Менделеева больше сотни элементов, но мы не будем брать сотню стаканов – ведь нам важно понять общий принцип строения ядер химических элементов. В каждый следующий стакан мы кладём на одну вишенку больше, так что количество вишенок в стакане будет означать его порядковый номер в общем ряду.
– Значит, заряд каждого элемента будет всё время нарастать! – сказал Андрей.
– Верно, – согласилась Дзинтара. – Электрический заряд ядра каждого элемента, измеренный в зарядах протона, который равен заряду электрона, строго равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева – и растёт вместе с ним. Масса ядра тоже увеличивается с порядковым номером, но по более сложной функции.
Дело в том, что все протоны заряжены положительно и отталкиваются друг от друга. Чтобы склеить их вместе, нужны нейтроны – частицы, очень похожие на протоны, но не обладающие электрическим зарядом. Протоны и нейтроны притягиваются друг к другу за счет мощных сил, которые так и называют – ядерными. Нейтроны нужны, чтобы «сцементировать» атомные ядра. Нейтроны склеиваются с протонами ядерными силами – и делают ядро стабильным, не радиоактивным.
Дзинтара указала на стакан с одинокой вишенкой.
– Этот единственный протон – ядро водорода, он стабилен и не нуждается в поддержке нейтроном. Зато если у этого элемента, гелия, – Дзинтара указала на следующий стакан с парой вишен, – составить ядро всего из двух протонов, то оно окажется очень нестабильным. Если мы добавим в ядро гелия один нейтрон, – Дзинтара бросила в стакан виноградинку, – то получим стабильный изотоп гелия – гелий-3. Если добавить ещё один нейтрон, то получится отличное, очень крепкое ядро гелия-4, которое настолько прочно, что может рассматриваться как отдельная элементарная частица – альфа-частица, – ведь именно она вылетает из многих радиоактивных ядер.
– А что будет, если к вишнёвому ядру водорода добавить виноградный нейтрон? – Галатея указала пальцем на стакан с одной вишней.
– Мы получим тяжёлый водород – дейтерий, который будет стабильным. Присоединение второго нейтрона дает тритий – сверхтяжёлый и нестабильный водород, с периодом полураспада двенадцать лет.
Но давайте обсудим третий элемент – литий, в состав ядра атома которого входят три протона. Чтобы ядро лития стало стабильным, нам нужно добавить ему три или четыре нейтрона. Ядра, которые содержат одинаковое количество протонов, принадлежат одному химическому элементу, но если у них разное число нейтронов, то говорят, что элемент имеет несколько изотопов. Поэтому литий с тремя протонами имеет два стабильных изотопа – с тремя и четырьмя нейтронами.
Дзинтара бросила в стакан три виноградинки, а потом – ещё одну.
– Для стабильности ядра требуется нейтронов больше, чем протонов, или, как минимум, столько же – это правило неукоснительно выполняется во всей таблице Менделеева, за исключением водорода.
Четырёхпротонное ядро бериллия нуждается для стабильности в пяти нейтронах, а пятипротонное ядро бора содержит пять или шесть нейтронов. Три следующих важнейших для жизни элемента: углерод, азот и кислород – достигают стабильности при минимальном количестве нейтронов, равном числу протонов, но сохраняют стабильность и при увеличении числа нейтронов на единицу или даже на двойку, как в случае кислорода. С ростом заряда ядра избыток числа нейтронов над числом протонов нарастает.
– Ведь протоны отталкиваются друг от друга, а нейтроны нет – так что чем их больше, тем ядру легче сохранять свою стабильность, – авторитетно заявил Андрей.
– Прочность ядер нарастает вместе с массой и достигает максимума на ядре железа. Потом ядерная прочность начинает падать – и после последнего стабильного ядра свинца с номером 82, в котором находится 82 протона и 125 нейтронов, уже никакая комбинация из нейтронов и протонов не может обеспечить устойчивость ядра.
– А какой номер клетки у радиоактивного урана? – спросила Галатея.
– Ядро урана содержит 92 протона и почти полтораста нейтронов.
Тут Андрея осенило:
– Теперь я понимаю, почему атомные электростанции производят так много радиоактивных отходов! Ядро урана с большим количеством нейтронов, поделившись пополам, дает два ядра из середины таблицы Менделеева, которым не нужно такое количество нейтронов! Радиоактивность таких новых ядер будет огромной!
– Ты сообразил быстрее меня, – признала Дзинтара. – В целом ядра химических элементов являются довольно простыми и прочными сгустками из протонов и нейтронов. Зато эти ядра служат основой для возникновения атомов, которые включают в себя электроны и оказываются гораздо более сложными конструкциями.
– Действительно, ядра атомов имеют положительный электрический заряд – значит, они должны притягивать к себе электроны везде, где только встретят их, – сказал Андрей.
– Верно, – согласилась Дзинтара. – Ядра химических элементов крайне редко можно встретить голыми, без электронов. В нормальных условиях атомы обычно содержат столько электронов, чтобы полностью компенсировать заряд ядра.
– Это значит, что в нейтральном атоме столько же электронов, сколько протонов в его ядре. А это число равно номеру химического элемента! – выпалила Галатея.
– Молодец! – сказала Дзинтара. – Ты хорошо разобралась. Это означает, что вокруг атома, например, свинца размещаются 82 электрона. Но, притягиваясь к ядру, они одновременно отталкиваются друг от друга, поэтому устойчивое размещение отрицательных электронов вокруг положительных ядер оказывается очень непростой задачей.
Дзинтара положила возле стакана с одной вишенкой одну ягодку смородины, а возле стакана с двумя вишенками и двумя виноградинками – две смородинки.
– Это модели атома водорода с одним электроном и атома гелия с двумя. Учёные знают, что эти элементы весьма различны по химическим свойствам: в ходе некоторых реакций у водорода можно отнять его собственный электрон, а можно присоединить к нему лишний. Например, при горении водорода в кислороде образуется вода с молекулой, состоящей из двух атомов водорода и атома кислорода. В молекуле воды кислород отнимает у атомов водорода по электрону, присоединяя их к своей электронной свите. Но и ядра водорода он не отпускает – ведь они заряжены положительно и притягиваются к отрицательно заряженному кислороду, получившему избыток электронов, – именно так и получается прочная молекула воды.
Зато у гелия очень трудно что-либо отнять – это такой скряга, который не хочет расставаться со своими электронами. Впрочем, и чужих электронов ему не надо. Это свойство гелия обеспечивает ему почти идеальную химическую инертность. Его так и называют: инертный газ, что значит – неповоротливый, не реагирующий ни на что.
В таблице Менделеева выделяют восемь групп элементов, которые проявляют периодичность. А знаете, почему их восемь? Потому что вокруг атомных ядер известно восемь уровней, где могут располагаться электроны. На первом уровне могут размещаться только два электрона…
Дзинтара нарисовала возле каждого из стаканов что-то вроде деревьев с восемью длинными ветками.
– Электроны водорода и гелия – это электроны первого уровня. Больше чем два электрона на первой или нижней ветке не поместятся. Поэтому, когда к ядру лития присоединяются три электрона, два из них садятся на самый низкой уровень, а третьему приходится помещаться на ветке повыше – на втором уровне.
