Есть ли реальность за вашей спиной? О квантовой физике простым языком - Катрина Арье

Атом состоит из ядра и электронов. Ядро атома тоже является делимым – оно состоит из протонов и нейтронов. У нейтронов нет заряда. У протонов положительный заряд, а у электронов – отрицательный. Обычно количество протонов и электронов в атоме одинаковое. Поэтому общий заряд атома равен нулю.

В школе вам говорили, что эти частицы (протоны, нейтроны и электроны) и есть самые малые частицы. Но это не так. Только электрон неделим, а протоны и нейтроны состоят из кварков, и по-настоящему элементарные частицы – это кварки.

Кварков существует шесть типов, и у них очень забавные названия: странный, очарованный, нижний, верхний, прелестный, истинный. Да, у физиков хорошее чувство юмора.

В книге я не буду подробно останавливаться на классификации элементарных частиц, это не столь важно для понимания законов квантовой физики.

Интересно, что масса ядра атома составляет более 99,9 % массы атома. Поэтому масса атома сосредоточена в его ядре. А электроны очень лёгкие.

Если возьмём 1 грамм электронов и расположим каждый из них на прямой линии рядом друг с другом, то они образуют цепочку длиной в 4 миллиарда километров!

Все существующие электроны абсолютно идентичны. Вы не найдёте различий, если я поменяю два из них местами. Мои электроны точно такие же, как и ваши, а те идентичны электронам, например, Марса.

Как понять, сколько электронов в атоме?

Надо посмотреть в таблице Менделеева. В ней у каждого элемента есть порядковый номер, он написан в правом верхнем углу. Число протонов и число электронов в атоме равны порядковому номеру элемента. Вверху слева – массовое число, т. е. число нуклонов в ядре (протоны + нейтроны); внизу слева – заряд ядра, т. е. число протонов.

Кстати, в других странах таблицу Менделеева называют просто периодической таблицей элементов, и многие даже не слышали о том, что её изобрёл русский учёный Дмитрий Менделеев. Считаю это большой несправедливостью.

Размер атома

Теперь перейдём к размеру атома.

Вы знаете, что атомы маленькие. Но насколько они маленькие?

Если увеличить монетку в пять копеек до размера Земли, то атом в монетке будет равен по размерам настоящим пяти копейкам.

Или можно сказать так: в одном стакане воды содержится больше атомов, чем число стаканов воды, необходимое для наполнения всех морей и океанов мира.

Какие размеры у частиц атома?

Размер ядра атома более чем в 10 тысяч раз меньше самого атома. А размер электрона и того меньше. Если рассматривать электроны, протоны и нейтроны как частицы, то атом практически пуст.

Почти всё вокруг состоит только из электронов, протонов и нейтронов.

Если бы мы убрали всё пустое пространство между элементарными частицами внутри людей, то мы все – всё человечество – поместились бы в мандарине.

Мы – люди и все предметы вокруг – представляем собой практически пустое пространство. Мы призраки.

Глава 2

Волны

Волны – это процесс распространения колебаний с течением времени.

Параметры волн:

• амплитуда (А) – это максимальное отклонение от положения равновесия (например, амплитуда морской волны – это её высота);

• период (Т) – это время полного колебания;

• частота – это число колебаний в единицу времени.

Важно помнить: волны переносят энергию, но не переносят вещество.

Например, на поверхности воды лежит небольшой листок с дерева. Если бросить в воду камень, от него во все стороны начнут распространяться волны. Дойдя до листка, они не потянут его в направлении движения волн, а просто заставят совершать колебательные движения вверх и вниз. Форма воды будет меняться благодаря энергии от удара камня, но течение не возникнет.

Примеры волновых процессов в природе: колебание струны, дрожание желе, звук и, конечно, электромагнитные волны.

Идею прослушивать пациенток через трубку (это звуковые волны) пришла в голову врачу Рене Лаэннеку в 1816 году, потому что он стеснялся прижиматься к женской груди на каждом приёме.

Шкала электромагнитных излучений и видимое излучение

Электромагнитные волны пронизывают всё пространство вокруг. Очень многие физические процессы отличаются друг от друга всего лишь длиной волны. Это радиоволны, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения и ещё опасные для человека рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Низкочастотные волны и радиоволны используются для радиосвязи, космической связи, телепередач.

Инфракрасное излучение – это тепловое излучение, без которого не было бы жизни. Его основной источник – Солнце, как и для ультрафиолетового излучения. В больших дозах эти излучения могут быть опасными.

И по-настоящему опасные волны – рентгеновское излучение и гамма-излучение.