Броуновское движение и Резерфорд: атом почти целиком состоит из пустоты

Кажется, что стол под ладонью твёрдый и сплошной, а вода в стакане спокойна. Сто двадцать лет назад физики доказали, что и то и другое неверно. Вода непрерывно кипит невидимыми ударами, а стол почти целиком состоит из пустоты. Чтобы это понять, понадобились пыльца, расчёт молодого патентного клерка и частицы, которые отлетели от листа золота назад.

Две тысячи лет атомы оставались красивой догадкой

Демокрит ещё в V веке до нашей эры рассуждал, что вещество нельзя делить бесконечно и где-то должны быть неделимые частицы. Он вывел это из логики, а не из опыта. Спор шёл веками, и проверить его никто не мог.

В 1808 году Джон Дальтон вернул атомы в науку. Химики заметили, что вещества соединяются в строгих пропорциях, будто складываются из одинаковых кирпичиков. Но даже на рубеже XX века влиятельный химик Вильгельм Оствальд и физик Эрнст Мах считали атомы удобной выдумкой: формулы с ними работают, но кто их видел? Людвиг Больцман строил на атомах всю теорию теплоты и годами отбивался от критиков. Он умер в 1906 году и не дождался развязки, а она уже начиналась.

Танец пыльцы оказался следом невидимых ударов

В 1827 году ботаник Роберт Браун рассматривал в микроскоп крупинки из пыльцы, плававшие в воде. Они дрожали и метались без остановки. Сначала Браун заподозрил, что это проявление жизни, но так же плясала и пыль от неживых минералов. Объяснения не было почти восемьдесят лет.

В 1905 году его дал Альберт Эйнштейн, тогда эксперт патентного бюро в Берне. Крупинку со всех сторон бомбардируют молекулы воды, и в каждый миг удары с одной стороны чуть сильнее, чем с другой. Представьте мяч на площади, который толкает невидимая толпа: он ползёт пьяной походкой, никуда не спеша. Эйнштейн вывел точный закон этой походки: удаление от старта растёт как корень из времени. Значит, по траектории видимой частицы можно сосчитать невидимые молекулы.

Француз Жан Перрен проверил это в 1908–1909 годах. Он часами следил в микроскоп за шариками гуммигута, записывал их зигзаги и получил число молекул в моле вещества, близкое к современному значению 6·10²³. Оствальд публично признал, что атомы существуют. Перрен в 1926 году получил Нобелевскую премию. Атом стал фактом. Оставалось узнать, что у него внутри.

Частица отскочила от золота, будто от стены

К тому времени Джозеф Томсон уже открыл электрон и представлял атом пудингом: положительная масса, а в ней, как изюм, вкраплены электроны. В Манчестере Эрнест Резерфорд поручил Хансу Гейгеру и студенту Эрнесту Марсдену обстреливать тонкую золотую фольгу альфа-частицами. По модели пудинга они должны были пролетать насквозь, лишь слегка отклоняясь.

В 1909 году почти все так и пролетали. Но примерно одна из восьми тысяч отскакивала назад. Резерфорд позже сравнивал это с пятнадцатидюймовым снарядом, который выпустили в папиросную бумагу, а он вернулся и попал в стрелка. Отбросить тяжёлую быструю частицу могло только нечто очень маленькое, очень плотное и сильно заряженное.

В 1911 году Резерфорд описал новую модель: почти вся масса атома собрана в крошечном ядре, а вокруг носятся лёгкие электроны. Но тогда возникал странный вопрос: что находится между ними?

Вы почти целиком состоите из пустоты

Ядро примерно в сто тысяч раз меньше атома. Если раздуть атом до размеров футбольного стадиона, ядро станет горошиной в центре поля, а электроны будут пылинками где-то над трибунами. При этом в горошине собрано больше 99,9% массы.

Почему же мы не проваливаемся сквозь стул? Потому что электронные оболочки атомов отталкиваются, а квантовые законы не дают им слиться. Твёрдость оказывается не плотностью материи, а силой, которая удерживает пустоту.

Одна оговорка про пустоту

Слово «пустота» здесь упрощение. Квантовая механика, выросшая из модели Резерфорда, показала, что электрон не летает по орбите, как планета, а размазан облаком вероятности. Пространство атома почти лишено массы, но не лишено полей.

Читайте также: Атомы держатся, деля электроны. Эту идею нашли, рисуя неверные кубы

Сегодня атомы двигают по одному

В 1981 году Герд Бинниг и Генрих Рорер создали в лаборатории IBM в Цюрихе сканирующий туннельный микроскоп. Через несколько лет инженеры этой компании выложили её название из 35 атомов ксенона. Атомы, в которых когда-то сомневались, стали строительным материалом.

Знание о ядре работает в медицине: томограф МРТ читает отклик ядер водорода в тканях, а протонная терапия бьёт по опухоли частицами, рассчитанными по законам рассеяния. В процессорах счёт идёт на детали толщиной в десятки атомов. Математика броуновского блуждания описывает, как лекарство расходится по клеткам. Она же лежит в основе нейросетей, которые рисуют картинки: такая модель учится шаг за шагом превращать случайный шум обратно в изображение.

Подобные сюжеты о том, как одна догадка перевернула науку, собраны в наших статьях.

Когда в следующий раз в луче солнца закружится пылинка, присмотритесь. Её подталкивают удары, которые Эйнштейн научился считать, а сама она состоит из почти пустых атомов с крошечной горошиной в центре. Мир, который кажется сплошным и неподвижным, на самом деле дрожит и почти прозрачен, и он держится на силах, которые не позволяют этой пустоте схлопнуться.

Ещё в «Высоких технологиях»

Claude Cowork помнит по рецепту шумеров: всё важное лежит в файлахТаблица Менделеева предсказала металл и поправила его первооткрывателяИИ вырос из обратной связи. Она же может вывести его из-под контроля

Все материалы раздела →