Ник. Горькавый
Драконоборцы. 100 научных сказок
Дзинтара нужным образом разместила три ягоды смородины возле стакана, где лежало три вишни и четыре виноградинки. Дети смотрели на её ловкие руки, которые сортировали ягоды, и переводили глаза на карточки с таблицей Менделеева, где в каждой клетке, соответствующей отдельному химическому элементу, указывалось размещение электронов по разным орбитам вокруг ядра данного элемента.
– На втором уровне могут уместиться восемь электронов. Поэтому следующие за литием семь атомов размещают свои электроны именно на этом, втором уровне: бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор, неон. Последние три элемента особенно интересны: кислороду для заполнения второго уровня не хватает двух электронов, фтору – одного, а неон полностью заполнил второй уровень электронами. Эти особенности строения электронных оболочек определяют химические свойства данных элементов: кислород и фтор стремятся отобрать недостающие им электроны у любых встреченных ими атомов, заодно присоединить и сами эти атомы, «окислить» их, образовав молекулу «оксида» с одним атомом кислорода или «диоксида» – с двумя. Кислород – это самый распространённый окислитель, поэтому процесс окисления даже назвали по его имени.
– Может, это его назвали по процессу окисления? – предположила Галатея. – А нельзя ли привести какой-нибудь пример этого… окисления?
Дзинтара ответила:
– Конечно. Окисление железа, или образование ржавчины, является самым типичным примером соединения кислорода с металлом. Следующий элемент таблицы Менделеева, фтор, является самым сильным окислителем в природе, который может окислить все химические элементы, включая золото и платину. Исключением являются гелий и неон – инертность этих газов не может преодолеть даже агрессивный фтор.
Углерод имеет на втором электронном уровне четыре электрона, то есть можно с одинаковым основанием сказать, что его второй уровень наполовину пуст или наполовину полон. Эта особенность углерода позволяет ему создавать самые различные химические соединения, например отдавая сильному окислителю все четыре электрона – как в случае углекислого газа CO2, или отнимая у четырёх атомов водорода по электрону, образуя метан CH4. Это обилие химических соединений углерода сделало его основой жизни на нашей планете.
– А на других планетах? – полюбопытствовала Галатея.
– Вероятнее всего – и на других планетах, хотя некоторые фантасты рассуждают о возможности жизни не на основе углерода, а на основе других химических элементов. Но вряд ли такие формы жизни возможны.
– А почему так важно подсчитывать электроны на разных оболочках? – спросила Галатея.
– Давайте посмотрим на трёх соседей по таблице Менделеева – углерод, азот и кислород: массы их ядер очень близки, а их электрические заряды, то есть число протонов, отличаются всего на единицу. Но за счет другого расположения электронов мы получили совершенно разные по химическим свойствам элементы: углерод, который представляет собой твердое тело, и два газа с очень различными свойствами: слабо реагирующий с окружающим азот или кислород – сильнейший газ-окислитель.
Сотня химических элементов, ядра которых плавно меняют свои заряды и массы, благодаря разному строению электронных оболочек, скачками меняют свои свойства. Поэтому, если не разобраться со строением электронных оболочек атомов, то нельзя понять их способность к химическим реакциям. Именно электроны дают возможность сотне химических элементов соединяться в миллионы различных видов молекул, из которых построено всё вокруг нас, а также сконструированы мы сами. Химия – это фактически электрическая наука, которая базируется на движениях электронов и зарядов.
Менделеев открыл периодичность химических свойств элементов, глубокая причина которой заключается в том, что когда атомы начинают заполнять электронами новый уровень, то их химические свойства становятся очень похожими на свойства элементов с электронами на предыдущем уровне. Вот щелочной металл натрий, который настолько активно ищет, кому бы отдать свой единственный электрон на третьем уровне, что при падении в воду начинает с шипением расщеплять её, выдавливая из неё водород и присоединяя остаток к себе, образуя едкую щёлочь. Его химические свойства аналогичны свойствам других щелочных металлов – лития с одним электроном на второй оболочке и калия с одним электроном на четвёртой оболочке.
Хлор, которому не хватает для заполнения третьей оболочки всего одного электрона, является аналогом агрессивного фтора, а газ аргон, полностью укомплектовавший третий уровень электронами, является, как и неон, представителем инертных газов.
Но заполнение электронами четвёртой оболочки оборачивается сюрпризом: если кальций, следующий за щелочным калием, смог разместить на четвёртом уровне пару электронов, то следующий элемент – скандий – уже не смог разместить на внешнем уровне третий электрон. Новый электрон, притянутый выросшим зарядом ядра скандия, не удержался на растянутой четвёртой оболочке и провалился ниже – на третий уровень, потеснив восьмёрку тамошних электронов и став девятым на этой оболочке. Аналогичная ситуация произошла с электронами и последующих химических элементов. Так началось химически близкое семейство из десяти металлов: скандия, титана, ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля, меди и цинка.
– А почему они оказались химически близкими, хотя заряд ядра у них нарастает? – спросил Андрей, держа в руках таблицу Менделеева и внимательно рассматривая её.
– Потому что на химические свойства элемента, главным образом, влияет количество электронов на внешней оболочке – и у всех этих металлов на внешней, четвёртой оболочке расположено только по два электрона, за исключением хрома и меди, у которых уцелело на внешней оболочке вообще по одному электрону. Остальные электроны провалились на третий уровень, увеличив – к цинку – количество здешних электронов до 18-ти. Это число исчерпало возможности третьего уровня, и последующие электроны снова размещаются на четвёртом уровне – у галлия их там три, у германия – четыре. Эти изменения на самом внешнем электронном уровне снова начинают активно менять химические свойства элементов, причем восстанавливается аналогия с элементами предыдущей группы: бром, у которого не хватает одного электрона, близок по активности к хлору, а криптон с восьмёркой электронов на четвёртом уровне оказывается инертным газом, как и неон.
Двигаясь дальше по таблице Менделеева – а это очень увлекательное путешествие! – мы увидим периодичность свойств в новых группах элементов.
Как уже говорилось, всего в таблице Менделеева выделяется восемь групп элементов с химической периодичностью. В пятой группе снова появляется группа металлов, которые удерживают на внешней, пятой оболочке только один или два электрона – а остальные проваливаются на четвёртую. В этой группе металлов, которая начинается с иттрия и заканчивается кадмием, есть хорошо известные молибден, палладий и серебро. В шестой группе серия металлов начинается с лантана и заканчивается ртутью, но здесь насчитывается уже не десять, а 24 металла, включая 14 металлов-лантанидов.
– И сколько же электронов они удерживают на внешней, шестой оболочке? – спросил Андрей.
– По-прежнему по одному или два, – ответила Дзинтара. – Но, в отличие от предыдущих групп металлов, у которых электроны проваливались ниже на один уровень, у лантанидов электроны стали проваливаться на два уровня ниже, увеличивая количество электронов на четвёртом уровне с 18 до 32.
– Ага, у десяти обычных металлов электроны провалились на один уровень, а у 14 лантанидов – на два. Но это значит, что химические свойства лантанидов должны быть очень похожи, если они отличаются лишь количеством электронов на третьей сверху оболочке! – заключил Андрей.
– Совершенно верно! – похвалила сына Дзинтара, а Галатея недовольно посмотрела на Андрея. – Химические свойства лантанидов, которые называют ещё «редкими землями», очень близки друг к другу.
Среди обычных металлов шестой группы есть такие известные, как вольфрам, платина и золото.
В седьмой группе заполнение электронных оболочек идет по тому же принципу: группа начинается с радиоактивного щелочного металла франция, который был предсказан Менделеевым на основании его таблицы и открыт несколько десятилетий спустя. У франция есть электроны на семи оболочках: 2 электрона – на первой, 8 – на второй, 18 – на третьей, 32 – на четвёртой, 18 – на пятой, 8 – на шестой, 1 – на седьмой.
Следующий элемент номер 88 – радий – удерживает второй электрон на седьмой оболочке, зато у актиния за номером 89 новый электрон проваливается на шестую оболочку.
За актинием следует группа из 14 актиноидов. У тория за номером 90 новый электрон тоже садится на шестой уровень, увеличивая там количество электронов до десяти. У протактиния с номером 91 новый электрон ухает сразу на пятый уровень, захватывая с собой ещё и электрон с шестого уровня. В группе актиноидов пятый уровень достраивается с 18 до 32 электронов. Она включает такие известные радиоактивные металлы, как уран и плутоний.
Обычные металлы седьмой группы, такие как резерфордий с номером 104 или рентгений 111, не встречаются в природе – их синтезируют на ускорителях в ничтожных количествах.
Как установил Менделеев, все периодические группы химических элементов начинаются со щелочных металлов, за исключением первой, которая начинается с водорода.
– Но, может быть, можно рассмотреть водород как самый лёгкий щелочной металл? – спросил Андрей.
– Рассмотреть-то можно… Но даже если пренебречь фактом, что в нормальных условиях водород – газ, то очевидно, что водород не обладает главным свойством щелочных металлов: вытеснять из воды водород и образовывать щёлочь. Ведь водороду в данном случае придётся вытеснять самого себя!
– Чего никто не заметит! – победно сказала Галатея и почему-то показала Андрею язык.
– Все периодические группы заканчиваются инертными газами, за исключением восьмой, до конца которой учёные ещё не добрались, поэтому тамошний инертный газ, который должен быть сильнорадиоактивным, науке ещё неизвестен.
– Интересный газ – химически инертный и ядерно нестабильный! – пробормотал Андрей.
– Именно таким газом является радиоактивный, но химически инертный радон, замыкающий шестую группу элементов.
– А почему электроны себя так ведут – заполняют то одну, то другую оболочку? – спросила Галатея.
– Их поведение обусловлено электрическим притяжением ядра с одновременным отталкиванием со стороны других электронов. Важно учитывать квантовое поведение частиц, потому что электроны – это не столько частицы, сколько волны.
Гениальность Менделеева заключается в том, что он открыл основные квантовые закономерности формирования электронных оболочек атомов за 65 лет до создания квантовой механики, задолго до введения квантов Планком и создания реалистичной атомной модели Бора-Резерфорда.
Менделеев расположил элементы в порядке возрастания атомного веса и уловил глубинную симметрию – периодичность их химических свойств! Сейчас мы выводим квантовую основу всей таблицы Менделеева на нескольких страничках учебника, но тогда… Это и есть то, что называют гениальным открытием.
Сейчас мы понимаем, что десятки электронных волн сталкиваются и переплетаются вокруг атомного ядра, порождая самые замысловатые электрические конфигурации. Именно ими занимается квантовая механика, рассчитывающая с помощью сложных уравнений и мощных компьютеров поведение многоэлектронных оболочек атомов; именно эти электронные оболочки определяют химические свойства элементов, из которых состоим мы сами, наша еда и наше окружение.
– То есть вкус нашей еды зависит от электронных облачков вокруг атомов? Значит, мы едим электрическую еду? – спросила Галатея.
– Верно. Мы все фактически являемся электрическими организмами – мы используем электричество для передачи сигналов по нашим нервам, а для поддержания сил мы едим еду, приправленную электронами. Некоторые организмы, вроде электрических угрей, используют электроток ещё и как оружие, а кое-кто научился есть электричество впрямую, без всякой сопутствующей еды.
– Кто-то научился питаться электричеством прямо из розетки? – удивлённо спросил Андрей.
– Да, есть организмы, которые питаются электричеством, или, попросту, электронами, напрямую. Если взять маленький аккумулятор, прийти на берег реки и воткнуть электрод в илистое дно, то вокруг него соберутся совершенно особые бактерии, которые питаются электричеством. Этим одноклеточным организмам, которые живут на дне морей и в речном иле, не нужно есть и дышать – они способны просто поглощать электроны. Но электроны должны будут куда-то течь и сбрасываться, поэтому бактерии находят способ избавляться от ненужных электронов, выделяя их наружу.
– Ты хочешь сказать, что есть бактерии, которые едят электроны и какают ими? – недоверчиво спросила Галатея.
– Да. Эти бактерии слизывают электроны с поверхности электрода, а потом сбрасывают их в окружающие металлы или по проводам передают соседям…
– По проводам? – не поверила своим розовым ушкам Галатея.
– Эти бактерии выращивают из себя тонкие белковые нити, которые хорошо проводят электричество. Микроорганизмы соединяются этими проводами друг с другом в электрический контур, образуя длиннющие, в несколько сантиметров, электрические цепи. Такая бактериальная цепь может, например, соединять два участка почвы с разными химическими свойствами – и это позволяет бактериям эффективно использовать эту разницу.
Вольта соединил медный и цинковый кружок слабым раствором кислоты и получил электрический элемент. Что-то похожее делают и бактерии, образуя бактериальную электрическую батарею. Часто в такой электрический симбиоз вступают разного вида одноклеточные организмы – они делят свои функции и, передавая друг другу электроны, выживают успешнее, чем в одиночку.
Человек ничем принципиально не отличается от этих электробактерий. Мы едим электрические атомы, мы впитываем с едой электроны и выдыхаем их из лёгких, присоединяя к кислороду. Вся сложная цепь химических превращений еды и кислорода в нашем организме фактически сводится к тому, что мы питаемся электрической энергией.
– Постой, мама! – воскликнул Андрей. – Я привык думать, что сам кислород необходим нашему организму, а ты говоришь, что он всего лишь уносит от нас электроны.
– Конечно, ведь мы, вдыхая кислород, не усваиваем его, а, соединив с углеродом, выдыхаем его примерно в том же количестве, в каком получили при вдохе. И если человек не может дышать, то умирает за несколько минут из-за переизбытка электронов, которые не могут больше уходить наружу.
– А как же вкусные вещи, которые мы едим, тот же сахар – он тоже всего лишь передатчик, вернее, источник электронов? – стала расспрашивать Галатея.
– Да, у сахара есть избыточные электроны, наши клетки расщепляют сахар, и электроны проходят сквозь клетки до тех пор, пока не присоединятся к кислороду, который, как мы знаем, очень охотно присоединяет к себе электроны. В ходе расщепления сахара и перемещения электронов наши клетки вырабатывают аденозинтрифосфат – молекулу, которая служит батарейкой практически во всех живых организмах. Без движения электронов наша жизнь была бы невозможна.
– Кругом одно электричество! – с удивлением сказала Галатея.
– Астробиологи очень заинтересовались земными электробактериями. Ведь в Солнечной системе есть места, где мало света, кислорода и органических соединений. Могут ли там жить бактерии, которые питаются электричеством и не нуждаются в кислороде? Электробактериями активно занимаются и земные экологи – они рассчитывают, что те, способные жить в самых грязных и даже радиоактивных местах, могут помочь с очисткой нашей планеты от опасных загрязнений. Вот так электричество теснейшим образом переплетается с химией и биологией.
– Буду изучать электрохимию и особенно электробиологию! – решила Галатея.
Примечания для любопытных
Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) – великий русский химик, открыватель Периодического закона химических элементов – фундаментального закона природы. Элемент 101 назван в его честь – менделеевий.
Франций – радиоактивный щелочной металл, предсказанный Менделеевым и открытый в 1939 году Маргаритой Перей, сотрудницей Института радия в Париже. Чрезвычайно редкий химический элемент: суммарное количество франция в земной коре оценивается в 340 граммов. (Информацию обо всех остальных химических элементах легко можно найти в учебниках химии или Интернете.)
Макс Планк (1858–1947) – великий немецкий физик, основоположник квантовой физики. Ввёл понятие «квант». Лауреат Нобелевской премии (1918). Именем Планка названа фундаментальная константа квантовой теории – «постоянная Планка».
Эрнст Резерфорд (1871–1937) – великий британский физик. Предложил планетарную модель атома в виде положительного маленького ядра, вокруг которого двигаются электроны. Лауреат Нобелевской премии (1908).
Нильс Бор (1885–1962) – великий датский физик, ученик Резерфорда. Создатель первой квантовой модели атома и его электронных оболочек. Лауреат Нобелевской премии (1922).
Сказка о строптивом Мёссбауэре, сумевшем заморозить ядерный процесс
Сегодня рядом с принцессой Дзинтарой на мягком диване удобно расположилась королева Никки – и с удовольствием слушала традиционную вечернюю сказку.
– Мама, в название сказки, которое ты прочитала, закралась какая-то ошибка, – сказал Андрей. – Ядерные процессы не зависят от температуры. Например, распад урановых ядер при любой температуре будет одинаков.
– В подавляющем большинстве случаев ты прав, – кивнула головой Дзинтара. – Но не во всех. Случай, когда температура значительно влияет на ядерный процесс, открыл молодой выпускник Мюнхенского университета, которому его научный руководитель поручил исследовать температурную зависимость поглощения гамма-излучения.
– Ой, а можно попроще? – сказала Галатея, скривив недовольную рожицу.
– Дело в том, что ядра химических элементов встречаются не только в виде различных изотопов, но и в виде различных изомеров.
– Ядра изотопов одного химического элемента совпадают по числу протонов, но различаются по количеству нейтронов. А что такое изомеры? – спросил Андрей.
– Они совпадают по числу, как протонов, так и нейтронов, но всё-таки отличаются друг от друга возбуждённостью и периодом полураспада.
Видели, как летят вниз капли, срываясь с неплотно закрытого водопроводного крана? Они летят и деформируются в полёте, колеблются. Так же колеблются и ядра, которые представляют собой капли ядерной материи. Такие возбуждённые ядра часто образуются при ядерных реакциях.
– Для того чтобы уменьшить своё возбуждение, или повышенную энергию, ядро должно что-то выбросить? – догадался Андрей.
– Верно. Если возбуждение очень велико, то ядро может выбросить нуклон. Если оно выбросит протон, то станет ядром другого, соседнего по таблице Менделеева химического элемента. Если выбросит нейтрон – то сохранит своё место в таблице, но станет другим изотопом данного элемента. Но если возбуждение не очень велико, то ядро испытывает гамма-радиоактивность: оно выпускает гамма-квант, или электромагнитный квант очень высокой частоты, – и переходит в более спокойное состояние.
– Так как ни число протонов, ни число нейтронов у ядра не изменились, то ядро не стало ни соседним элементом, ни другим изотопом, а превратилось в новый изомер? – спросил Андрей.
Галатея пожаловалась:
– Как меняется число протонов или нейтронов при радиоактивности – это ясно. Но эти непонятные возбуждения ядра мне непонятны!
В разговор вступила Никки:
– Помните, синичную модель атома, которую мы придумали в сказке про атом Бора?
– Помним! – закричала Галатея. – Там электроны-синички прыгали с орбиты на орбиту, как с ветки на ветку.
– Верно. Вылет ядерного гамма-кванта из возбуждённого ядра очень похож на излучение атомов при переходе электронов с верхней оболочки на нижнюю.
– В ядрах тоже есть энергетическая лесенка из орбит, как в атомах? – удивился Андрей.
Никки кивнула:
– Почему нет? Ядра скреплены мощными силами притяжения, и вполне можно добавить кинетической энергии движению нуклонов, не развалив ядро на части. А квантовая механика разрешает только определённые возбуждённые состояния, которые можно изобразить в виде ступенек лестницы. Поскольку ядерные силы притяжения чрезвычайно велики, разница между уровнями энергии в ядре может быть тоже очень большой. Фотоны, испускаемые при переходах между такими уровнями, будут иметь энергию до нескольких миллионов электрон-вольт, их называют гамма-квантами. При этом гамма-квант для определённых изомеров конкретных изотопов имеет вполне определённую частоту – как и спектральные линии излучения атомов разных химических элементов.
Сейчас речь пойдёт о замечательном физическом феномене, одном из самых красивых в физике. Это также один из моих самых любимых физических эффектов.
– Любимых физических эффектов? – округлила глаза Галатея. – Я часто слышала, как люди спрашивают друг друга – какой у тебя любимый цвет? Какой любимый фильм или книга? Но я никогда не слышала вопроса: а какой твой любимый физический эффект?
– Может, стоит начать задавать его? – подняла брови Никки. – Ответ на него многое скажет о человеке! Так вот, чтобы понять этот эффект, нам нужно вспомнить, что в «синичной» модели атома говорилось о поглощении фотонов.
Андрей ответил:
– Если в одном из атомов синичка спрыгнет с верхней ветки на нижнюю, то испустится фотон, а синичка-электрон на другом дереве может его поймать и получить достаточно энергии, чтобы перепорхнуть с нижней ветки на верхнюю.
Никки уточнила:
– Только расстояния между ветками или уровнями энергии в двух атомах должны быть одинаковыми, иначе фотон не поглотится, а пролетит мимо.
Андрей ответил:
– Если оба атома одинаковые, так и будет!
– Верно, для поглощения испущенного фотона его энергия должна очень точно совпадать с разностью уровней энергии в атоме. Как говорят, излучённый фотон должен попасть в резонанс, или должно быть соблюдено условие резонанса между излучающим и принимающим атомом или объектом. С ядерными гамма-квантами дело обстоит точно так же: вылетевший из возбуждённого ядра гамма-квант может поглотиться ядром того же химического элемента, находящегося в спокойном состоянии, и возбудить его.
– То есть ядра передадут свою возбуждённость друг другу? – хихикнула Галатея. – Совсем как у людей. Школьники перед экзаменом здорово волнуются и пугают друг друга.
Никки, с молчаливого согласия Дзинтары, прочно взяла сказочную инициативу в свои руки и продолжила:
– На практике, вероятность того, что гамма-квант, выпущенный одним ядром, возбудит одинаковое по составу другое ядро, очень мала – потому что для такого возбуждения нужно, чтобы ядро поглотило ровно столько же энергии, сколько сбросило другое ядро. Но гамма-квант теряет свою энергию при испускании и поглощении. Ведь, в отличие от обычных фотонов, испускаемых атомом, у гамма-квантов отдача такая, что атомное ядро при их испускании или поглощении шарахается в другую сторону…
– Я не понимаю… – заныла заинтригованная Галатея. – Объясни получше.
– Это очень просто, – сказала Никки. – Если стрелять из пушки, то в момент выстрела пушка дёрнется в другую сторону. Другой пример: если бросить мяч, стоя в лодке, плавающей в пруду, то мяч полетит в одну сторону, а лодка поплывёт в другую. В нашей аналогии лодка – это ядро, а мяч – это гамма-квант. В результате отдачи гамма-кванты вылетают из радиоактивного кристалла с уменьшенной энергией. Если мяч ловит человек, стоящий в другой лодке, то при поимке мяч отдаст часть своей энергии и второй лодке, которая поплывёт вперёд – в направлении полёта мяча.
– Так, давайте разберёмся! – решительно сказала Галатея. – Пусть одни лодки плавают у левого берега пруда – это будет команда излучателей, другие у правого – это будет команда дефекторов…
– Детекторов, – поправил Галатею Андрей.
– Ну да… На каждой лодке стоит игрок или человек с перчатками, в которые встроены измерители силы удара. Люди на левых лодках бросают мячи, а люди на правых лодках их ловят. И вы утверждаете, что мячи будут терять свою энергию при переброске?
– Да. Пусть все лодки покоятся в начальный момент. Когда игроки слева бросят свои мячи, то их лодки под действием реактивной силы поплывут к левому берегу. А когда игроки справа поймают эти мячи, их лодки поплывут к правому берегу. И перчаточные измерители у левых игроков покажут, что из 100 процентов энергии, которые игрок затратил на бросок, мячу досталось только, скажем, 95 процентов, а пять процентов досталось лодке. А измерители у правых игроков покажут, что они поймали мяч с силой удара, равной 90 процентам от первоначального, потому что ещё около пяти процентов начальной энергии уйдёт на движение правых лодок.
– Ну хорошо… – нехотя согласилась Галатея. – И что дальше?
– В данном примере никакого поглощения гамма-кванта ядром не произойдёт – слишком мало у мяча сохранилось энергии. Но исследователи заметили, что если заставить лодки двигаться хаотически в разных направлениях, то вероятность поглощения возрастает.
– И это совершенно понятно! – воскликнул Андрей. – Ведь если левая лодка движется слева направо, то бросок мяча левым игроком её просто остановит. И если правая лодка будет двигаться летящему мячу навстречу, то поимка мяча её не ускорит, а затормозит. Значит, энергия лодок была добавлена в процесс, от чего мяч, то есть гамма-квант, сумеет сохранить свою энергию – и поглотиться другим ядром.
– Кажется, тебе пора читать эти сказки вместо меня, – сказала Дзинтара, – ты обо всём догадываешься раньше всех.
Никки подмигнула покрасневшему Андрею:
– Да, можно двигать друг к другу излучатель или детектор – и тогда поглощение гамма-квантов в детекторе вырастет. Аналогичный процесс происходит, когда кристаллы не двигаются, но температура их растёт – ведь каждый атом начинает колебаться со скоростью, растущей вместе с температурой. В результате у нас появится какое-то количество атомов в излучателе, которые будут двигаться к детектору с нужной для поглощения скоростью.
Научный руководитель дал молодому аспиранту Рудольфу Мёссбауэру задание: измерить, как при изменении температуры кристалла меняется поглощение невозбуждёнными ядрами осмия гамма-квантов, выпущенных возбуждёнными ядрами осмия.
– То есть при увеличении скорости хаотического движения лодок… – пробормотал Андрей. – Действительно ядерный процесс оказался зависящим от температуры…
– Руководитель настоятельно рекомендовал аспиранту нагревать радиоактивный кристалл, чтобы достигнуть больших скоростей хаотического движения атомов. Но молодой аспирант поступил по-своему – и стал охлаждать кристаллы, чтобы измерить кривую поглощения при низких температурах.
– А что, открытия всегда делаются через непослушание? – спросила Галатея с хитрым прищуром.
Дзинтара вмешалась с некоторым беспокойством:
– Практически всегда. Но речь идёт о непослушании в научной дискуссии, а не в споре о том – убирать или не убирать девочкам носки со стола.
– Ах, о научной дискуссии… – протянула Галатея.
Никки ухмыльнулась и продолжила:
– Когда Мёссбауэр охладил кристалл до температуры жидкого азота, то очень удивился: вместо ослабления поглощения он получил его резкий рост! Все гамма-кванты из кристалла стали вылетать с абсолютно одинаковой энергией, причем, когда учёный охладил и детектор, то они стали активно поглощаться в нём.
– Почему? – спросила Галатея.
– Потому что атомы кристалла при низкой температуре вцепились друг в друга с такой силой, что отдача кванта стала приходиться не на один атом, а на весь кристалл. А он настолько тяжелее гамма-кванта, что тот стал полностью сохранять свою энергию. Вот представь, что лодки, в которых ты разместила игроков, бросающих мяч, вморожены в лёд, тогда они не отнимут у мячей никакой энергии, потому что отдачи не будет.
Эффект резкого роста поглощения гамма-квантов при глубоком охлаждении стали называть резонансным поглощением, или эффектом Мёссбауэра. Его открыватель стал знаменит – и получил в 1961 году Нобелевскую премию, в возрасте 32 лет.
– Как же полезно не слушаться своего научного руководителя… – протянула Галатея.
– Эффект Мёссбауэра стал удивительно точным инструментом для измерения разных тонких эффектов. Например, с его помощью можно измерить разность течения времени на первом и седьмом этажах многоэтажного здания.
– Там время течёт по-разному? – переспросила Галатея, пытаясь вспомнить свои личные впечатления от пребывания на седьмом и первом этажах.
– Да, согласно общей теории относительности Эйнштейна, время на первом этаже должно течь медленнее.
Через два года после открытия эффекта Мёссбауэра гарвардские учёные Роберт Паунд и Глен Ребка разместили на башне высотой 22,6 метра изомер железа как источник гамма-квантов и сумели измерить, насколько частота этих гамма-квантов вырастет при их движении к подножию башни. Это смещение частоты точно совпало с предсказанием теории Эйнштейна. Сейчас этот эффект изменения времени тщательно учитывается в спутниковых системах, потому что на спутнике, который двигается по геостационарной орбите – высотой более 20 тыс. км, часы спешат относительно земных часов на 45 микросекунд в сутки.
– Вот это да! – воскликнула Галатея. – Тогда мультики, которые транслируются через спутники, пришли к нам из ускоренного времени! Из будущего!
Андрей только вздохнул, глядя на восторженную сестру.
Примечания для любопытных
Рудольф Мёссбауэр (1929–2011) – выдающийся немецкий физик, открывший ядерный гамма-резонанс, или эффект Мёссбауэра. Лауреат Нобелевской премии (1961).
Роберт Паунд (1919–2010) – выдающийся американский физик, профессор Гарвардского университета, один из открывателей ядерно-магнитного резонанса и соавтор измерения смещения частоты излучения в гравитационном поле.
Глен Ребка (р. 1931) – видный американский физик, аспирант Р. Паунда, с которым он провёл знаменитый эксперимент Паунда-Ребки.
