Всередині атома
Ми не можемо ні побачити атом, ні розділити його, не перетворивши на щось інше, проте здатні зрозуміти його будову. Як я пояснював у 1-му розділі, вчені, коли не можуть розглянути будь-що безпосередньо, пропонують модель того, що відбувається, а потім її перевіряють. Наукова модель - це спосіб уявити, як все могло б бути. Таким чином, модель атома – щось подібне до уявної картинки, що передає його структуру. Наукова модель може бути чистою фантазією, але все не так просто. Вчені не лише вигадують модель, вони її тестують. Вони міркують так: "Якщо моя уявна модель вірна, то в реальному світі все буде так і так!" Вони пророкують результати певних експериментів та проводять підрахунки. Вдалою буде та модель, на яку збулися всі прогнози, якщо вони підтвердилися внаслідок експерименту. І якщо так і сталося, ми вважаємо, що модель правдива, принаймні хоча б частково.
Іноді передбачення не справджуються, і тоді вчені виправляють модель або вигадують нову ізнову перевіряють. Так чи інакше, процес пропозиції моделі та її перевірки, який ми називаємо науковим методом, набагато краще допомагає зрозуміти істину, ніж будь-який, хай навіть найпрекрасніший і найфантастичніший, міф, придуманий, щоб пояснити те, що люди не розуміли, а іноді просто не могли зрозуміти.
Ранню модель атомів називали "пудинг із ізюмом". Її вигадав великий англійський фізик Джозеф Джон Томсон наприкінці ХІХ століття. Не описуватиму цю модель, тому що її замінила успішніша модель Резерфорда – того самого, що розділив атом. Він приїхав із Нової Зеландії до Англії працювати учнем до Томсона і пізніше змінив його на посаді професора фізики Кембриджського університету. Модель Резерфорда, що пізніше поступилася місцем моделі його учня, відомого датського фізика Нільса Бора, розглядає атом як крихітну, зменшену копію Сонячної системи. У центрі – ядро, переважна більшість атома. А маленькі частинки – електрони – літають навколо нього орбіталями (з орбітою їх краще не порівнювати, електрони – не планети, що обертаються навколо Сонця, і їх не можна описати як круглі штуки з певним положенням у просторі).
У моделі Резерфорда – Бора, найімовірніше, є цікава деталь: відстань між ядрами величезна проти розміром самих ядер – навіть у такому твердому матеріалі, як алмаз. Ядра дуже сильно рознесені у просторі. Саме до цього питання я обіцяв повернутися.
Пам'ятаєш, я казав, що алмаз – це гігантська молекула, що складається з атомів вуглецю, збудованих як на параді, але при цьому у трьох вимірах? Тепер доповнимо нашу модель, уточнивши, як співвідносяться в ній відстані. Представимо ядро кожного атома вуглецю над вигляді солдата, а вигляді футбольного м'яча, оточеного електронами на орбіталях. Тоді сусідні "футбольні м'ячі" валмазі будуть не менше, ніж за 15 кілометрів від нього.
Ці 15 км між футбольними м'ячами заповнені електронами на орбіталях. Але якщо дотримуватися нашої розмірної шкали, електрон виявиться меншим за комар, а "комари" у свою чергу будуть віддалені від "футбольних м'ячів" на кілька кілометрів. Дивно, але так і є легендарний твердий алмаз майже повністю складається з порожнечі!
Те саме можна сказати і про камені, незалежно від їхньої твердості. Про залізо та свинець. Про міцну деревину. Про тебе та про мене. Я казав, що тверді тіла складаються з упорядкованих атомів, але вони впорядковані досить дивним чином, тому що атоми складаються переважно з порожнечі. Ядра атомів так сильно віддалені один від одного, що якщо їх порівняти з футбольними м'ячами, то будь-яку пару розділятиме 15 кілометрів із кількома комарами.
Як таке можливо? Якщо камінь здебільшого складається з порожнечі, де матерія схожа на розкидані в кілометрах один від одного футбольні м'ячі, то чому ж він твердий на дотик? Чому він не розсипається, як картковий будиночок, від найменшого подиху вітру? Чому він не прозорий? Якщо я і стіна складаються в основному з порожнечі, то чому я не можу пройти крізь неї?
Уяви, що ти у звичайній кімнаті звичайної будівлі дивився на стіну. Ти думаєш: стіна складається з бетону, бетон – з атомів, а вони переважно з порожнечі. І я перебуває в основному з порожнечі.
То чому я не можу пройти крізь стіну? Може, спробувати? І ти пробуєш. Тут ти врізаєшся носом у стіну. Чому?
Ми не можемо пройти крізь тверде тіло, але деякі дуже маленькі частки, наприклад, фотони, можуть. Промінь світла – це потік фотонів, і вони проходять через прозорі тверді тіла. Щось у будові "футбольних м'ячів", що становлять скло, воду абодеякі дорогоцінні камені, дозволяє фотонам проходити між ними, хоч вони при цьому рухаються повільніше, зовсім як ти, коли намагаєшся йти по коліно у воді.
Камені здебільшого непрозорі (є винятки, такі як кварц), і фотони не можуть крізь них проходити. Натомість, залежно від кольору каменю, вони або поглинаються, або відбиваються від його поверхні. Деякі тверді предмети особливим чином відбивають фотони - по прямій, і ми називаємо їх дзеркалами. Але більшість твердих тіл їх поглинає (оскільки тіла непрозорі) і розсіює ті, що відбиває (на відміну дзеркала). Ми бачимо такі предмети матовими, до того ж вони мають певний колір, який залежить від того, які фотони від них відбиваються, а які ними поглинаються. Я повернуся до такої важливої теми, як колір, у 7-му розділі – "Що таке веселка?" А поки що нам треба зосередити свою увагу на найменших речах і заглянути всередину ядра - тобто "футбольного м'яча".