Рассказ предка

Долгое время подразумевалось, что химическое соединение может быть разделено на составляющие части и повторно объединено, образуя то же самое или другое соединение с выделением или потреблением энергии. «Легко пришли – легко ушли»: такие взаимодействия между атомами и составляют химию. Но до двадцатого столетия сам атом, как считалось, был неделим. Это была наименьшая частица вещества. Атом золота был крошечной частичкой золота, качественно отличающейся от атома меди, который был наименьшей частицей меди. Современные взгляды более изящны. Атомы золота, меди, водорода и так далее являются лишь различными мерами одних и тех же фундаментальных частиц, так же как гены лошади, салата, человека и бактерии не имеют никакого неотъемлемого «аромата» лошади, салата, человека или бактерии, а являются лишь различными комбинациями одних и тех же четырех букв ДНК. Как химические соединения, долгое время предполагалось, были комбинациями, составленными из конечного набора приблизительно 100 атомов, так же каждое ядро атома оказалось комбинацией двух фундаментальных частиц, протонов и нейтронов. Ядро золота не «сделано из золота». Как все другие ядра, оно сделано из протонов и нейтронов. Ядро железа отличается от ядра золота не потому, что оно сделано из качественно различного вида вещества, названного железом, а просто потому, что оно содержит 26 протонов (и 30 нейтронов), вместо 79 протонов (и 118 нейтронов) у золота. На уровне отдельного атома нет никакого «вещества», имеющего свойства золота или железа. Есть только различные комбинации протонов, нейтронов и электронов. Физики продолжают говорить нам, что даже протоны, нейтроны и электроны состоят из еще более фундаментальных частиц, кварков, но мы не будем следовать за ними в такие глубины.

Протоны и нейтроны почти одинакового размера, и намного больше, чем электроны. В отличие от нейтрона, который электрически нейтрален, каждый протон имеет одну единицу электрического заряда (произвольно названного положительным), который точно уравновешивает отрицательный заряд одного электрона «на орбите» вокруг ядра. Протон может быть преобразован в нейтрон, если он поглощает электрон, отрицательный заряд которого нейтрализует положительный заряд протона. В свою очередь нейтрон может преобразоваться в протон, выбросив единицу отрицательного заряда – один электрон. Такие преобразования являются примерами ядерных реакций, в отличие от химических реакций. Химические реакции оставляют ядро нетронутым. Ядерные реакции его изменяют. Они обычно подразумевают намного больший обмен энергией, чем химические реакции, потому ядерное оружие настолько более разрушительно при одинаковом весе, чем обычные (то есть химические) взрывчатые вещества. Поиски алхимиков по превращению одного металлического элемента в другой потерпели неудачу только потому, что они пытались сделать это химическими, а не ядерными средствами.

У каждого элемента есть характерное число протонов в ядре его атома и такое же число электронов «на орбите» вокруг ядра: один для водорода, два для гелия, шесть для углерода, 11 для натрия, 26 для железа, 82 для свинца, 92 для урана. Именно это число, так называемое атомное число, (действуя через электроны) в значительной степени определяет химическое поведение элемента. Нейтроны имеют небольшое влияние на химические свойства элемента, но они влияют на его массу и на его ядерные реакции.

У ядра обычно примерно такое же число нейтронов, как и протонов, или несколько больше. В отличие от количества протонов, которое фиксировано для любого конкретного элемента, изменяется количество нейтронов. Обычный углерод имеет шесть протонов и шесть нейтронов, что дает общее «массовое число» 12 (так как масса электронов незначительна, и нейтрон весит приблизительно столько же, как протон). Его поэтому называют углеродом 12.

У углерода 13 есть один дополнительный нейтрон, у углерода 14 – два дополнительных нейтрона, но у них у всех по шесть протонов. Такие различные «версии» элемента называют «изотопами». Причина, по которой все три этих изотопа имеют одно и то же название, углерод, в том, что у них одно и то же атомное число, 6, и поэтому все они имеют одни и те же химические свойства. Если бы ядерные реакции были обнаружены до химических, возможно, изотопам дали бы другие названия. В некоторых случаях изотопы достаточно несхожи, чтобы заслужить различные названия. У обычного водорода нет никаких нейтронов. Водород 2 (один протон и один нейтрон) называют дейтерием. Водород 3 (один протон и два нейтрона) называют тритием. Все ведут себя химически как водород. Например, дейтерий объединяется с кислородом, создавая форму воды, названную тяжелой водой, известную своим использованием в изготовлении водородных бомб.