Драконоборцы. 100 научных сказок

– 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.