На орбитах эти электронные волны формируют замкнутые паттерны так называемых «стоячих волн». Эти паттерны возникают всегда, когда волны ограничены в некотором конечном пространстве, как, например, упругие колебания гитарной струны или воздушные колебания внутри флейты (см. рис. 6). Известно, что стоячие волны могут иметь ограниченное количество очертаний. В случае с электронами внутри атома это означает, что они могут существовать только на определенных атомных орбитах, имеющих определенный диаметр. Например, электрон атома водорода может находиться только на его первой, второй или третьей орбите, но не между ними. При нормальных условиях он всегда будет на нижней орбите, которая называется «стационарным состоянием» атома. Оттуда электрон, получив необходимое количество энергии, может перескочить на более высокие орбиты, и тогда говорят, что атом находится в «возбужденном состоянии», из которого может вновь перейти в стационарное, испустив избыточное количество энергии в силе фотона, или кванта электромагнитного излучения. Все атомы, обладающие одинаковым количеством электронов, характеризуются одинаковыми очертаниями электронных орбит и одинаковым расстоянием между ними. Поэтому два атома — скажем, кислорода, — абсолютно идентичны. Приходя в возбужденное состояние — например, сталкиваясь в воздухе с другими атомами, в итоге все они неизбежно возвращаются в одно и то же состояние. Так, волновая природа электронов обуславливает идентичность атомов одного химического элемента и их высокую механическую устойчивость.
Состояния атома могут быть описаны при помощи ряда целых чисел, получивших название «квантовых чисел» и обозначающих местонахождение и форму электронных орбит. Первое квантовое число — это номер орбиты, определяющий количество энергии, которым должен обладать электрон для того, чгобы находиться на ней; два других числа определяют точную форму электронной волны на орбите, а также скорость и направление вращения электрона, причем не следует понимать «вращение» электрона в классическом механистическом смысле: оно определяется формой электронной волны в терминах вероятности существования частицы в определенных точках орбиты. Поскольку эти характеристики выражаются целыми числами, это означает, что количество вращения электрона увеличивается не постепенно, а скачкообразно — от одной фиксированной величины к другой. Большие значения квантовых чисел соответствуют возбужденным состояниям атома, в то время как электроны атома, находящегося в стационарном состоянии, расположены как можно ближе к ядру и имеют минимально возможное количество вращения.
Вероятности существования, частицы, которые в ответ на их ограничение в пространстве увеличивают скорость движения, внезапные переключения атомов с одного «квантового состояния» на другое и глубокая взаимосвязанность всех явлений — вот некоторые черты необычной для нас атомной действительности. С другой стороны, основная сила, действующая в мире атомов, известна и в макроскопическом мире. Это сила притяжения, действующая между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами. Взаимодействие этой силы с электронными волнами порождает огромное количество разнообразных структур и явлений, которые окружают нас. Оно отвечает за все химические реакции и за образование молекул — соединений, состоящих из нескольких атомов, связанных силами взаимного притяжения. Таким образом, взаимодействие электронов с ядром обеспечивает возможность существования всех твердых тел, жидкостей и газов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с жизнедеятельностью последних.
В этом, исключительно богатом, мире атомных явлений ядра исполняют роль предельно малых устойчивых центров, представляющих собой источник электрических сил и образующих основу огромного множества молекулярных структур. Для понимания этих структур и вообще всех явлений природы все, что нам нужно знать о ядрах атомов — величина их заряда и их масса. Однако тот, кто хочет понимать природу материи и знать, из чего, в конечном счете, она состоит, должен исследовать ядро атома, заключающее в себе почти всю массу последнего. Поэтому в тридцатые годы нашего века, после того, как квантовая теория пролила свет на мир атома, главной задачей физиков стало изучение структуры ядра, его компонентов и сил притяжения внутри ядра.
Первым важным шагом к пониманию структуры ядра было открытие его второго компонента (первым является протон) — нейтрона: частицы с массой, примерно равной массе протона, в две тысячи раз превышающей массу электрона, но лишенной электрического заряда. Это открытие обнаружило тот факт, что ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов, и что сила, связывающая частицы внутри ядра — совершенно новое явление. Она не могла иметь электромагнитной природы, поскольку нейтроны электрически нейтральны. Физики поняли, что перед ними — новая сила природы, не существующая вне ядра.
Ядро атома в сто тысяч раз меньше самого атома, и все же содержит почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра гораздо выше, чем в привычных нам формах материи. В самом деле, если бы человеческое тело обладало бы плотностью ядра, оно было бы величиной с булавочную головку. Однако такая высокая плотность — не единственное необычное свойство ядерного вещества. Обладая, как и электроны, квантовой природой, «нуклоны», как часто называют нейтроны, реагируют на ограничение в пространстве, значительно увеличивая свою скорость, а поскольку им отводится гораздо более ограниченный объем, их скорость очень высока — около сорока тысяч миль в секунду. Таким образом, ядерное вещество — одна из форм материи, которая совершенно не похожа ни на одну из форм материи, существующую в нашем макроскопическом окружении. Ядерное вещество можно сравнить с микроскопическими каплями предельно плотной жидкости, которые бурно кипят и булькают.
Радикальное своеобразие ядерного вещества, определяющее его необычные свойства — мощность ядерной силы, действующей только на очень близком расстоянии, равном примерно двум-трем диаметрам нуклона. На таком расстоянии ядерная сила притягивает; при его сокращении она становится явно отталкивающей и препятствует дальнейшему сближению нуклонов. Так, ядерная сила приводит ядро в исключительно стабильное и исключительно динамическое равновесие.
Согласно результатам этих исследований, большая часть вещества сосредоточена в микроскопических сгустках, разделенных огромными расстояниями. В обширном пространстве между тяжелыми, бурно кипящими каплями ядер движутся электроны, которые составляют очень большой процент от общей массы, но придают материи свойство твердости и обеспечивают необходимые связи для образования молекулярных структур. Они также участвуют в химических реакциях и отвечают за химические свойства веществ. С другой стороны, электроны обычно не участвуют в ядерных реакциях, не обладая достаточной энергией для нарушения равновесия внутри ядра.
Однако эта форма материи, обладающая многообразием очертаний, структур и сложной молекулярной архитектурой, может существовать лишь при том условии, что температура не очень высока, и колебательные движения молекул не очень сильны. Все атомные и молекулярные структуры разрушаются при увеличении термической энергии примерно в сто раз, что, например, имеет место внутри большинства звезд. Получается, что состояние большей части материи во Вселенной отличается от описанного выше. В центре находятся большие скопления ядерного вещества; там преобладают ядерные процессы, столь редкие на Земле. Эти процессы являются причиной разнообразных звездных явлений, наблюдаемых астрономией, большая часть которых вызвана ядерными и гравитационными эффектами. Для нашей планеты особенно важны ядерные процессы в центре Солнца, питающие энергией околоземное пространство. Современная физика одержала триумфальную победу, обнаружив, что постоянный поток солнечной энергии — результат ядерных реакции.
В процессе изучения субмикроскопического мира в начале тридцатых годов нашего столетия наступил этап, принесший уверенность в том, что «строительные кирпичики» материи наконец открыты. Тогда уже стало известно, что вся материя состоит из атомов, а атомы — из протонов, нейтронов и электронов. Эти так называемые «элементарные» частицы воспринимались как предельно малые, неделимые единицы материи, подобные атомам Демокрита. Хотя из квантовой теории следует, что нельзя разложить мир на отдельные мельчайшие составляющие, в то время это обстоятельство не было осознано всеми. О значительном авторитете классической механики говорит тот факт, что в те годы большинство физиков придерживалось мнения, что материя состоит из «строительных кирпичиков», и даже сейчас эта точка зрения находит достаточно сторонников.
