На рисунке все прекрасно видно: одноименно заряженные частицы отталкиваются, разноименно заряженные – притягиваются.
Протон имеет по величине такой же заряд, что и электрон, но он гораздо больше электрона. Электрон в сравнении с протоном все равно, что воробышек по сравнению с орлом или, скажем, Земля по сравнению с Солнцем. Протон почти в две тысячи раз тяжелее электрона. И поскольку частицы эти имеют разный по знаку заряд, они притягиваются. Но это вовсе не значит, что электрон падает на протон и лежит на нем, блаженно улыбаясь и покряхтывая от радости. Никогда! Электрон начинает кружиться вокруг протона, как планета вокруг звезды.
Может возникнуть вопрос: а что означает фраза «заряд электрона равен по величине заряду протона»? Это значит, что, если протон притянет электрон, и тот начнет вокруг протона кружиться, их заряды уравновесятся, скомпенсируются и получившаяся конструкция будет электронейтральной, то есть для внешнего наблюдателя она не будет нести никакого заряда. И эта конструкция, представляющая собой пузатый протончик с кружащимся вокруг него тщедушным электрончиком, не будет электрически взаимодействовать с другим нейтральным веществом так сильно, как это делает заряженное вещество.
А, кстати, что это за конструкция такая у нас получилась из двух деталюшек микромира – одного протона и одного кружащегося вокруг него электрона? Это водород! Газ такой. Водородом когда-то надували дирижабли. Самый легкий газ на свете. Первый номер в таблице старика Менделеева. Первый химический элемент. Простейшее вещество!
Понятно, что раз водород стоит в таблице Менделеева под номером один и является наипростейшим по сборке веществом, то все остальные номера сложнее устроены. Как сделать следующий элемент в таблице – газ гелий? И почему мы до сих пор не упомянули о третьей микродетальке вселенского конструктора? Их же три должно быть! А мы вон буквально походя, почти случайно, буквально для примера притяжения зарядов собрали целый водород. И никакая третья деталька не понадобилась.
Уверяю вас: больше этот номер не пройдет! Больше никакого вещества в таблице Менделеева без третьей детальки мирового конструктора собрать не удастся.
Водород и гелий. Два самых простых вещества в таблице Менделеева. Водород – один протон и один электрон. Гелий – два протона и два нейтрона, составляющих ядро атома, а вокруг болтаются две электронных «планетки».
Третья деталька называется нейтрон. По весу и размеру он практически такой же, как протон, только у нейтрона нет электрического заряда. Поэтому он так и называется – нейтрон, от слова «нейтральный».
И как с его помощью собирать элементарные вещества из таблицы химических элементов имени старичка Менделеева?
Сейчас все расскажу, ничего не скрою… Значит, берем пинцетом из коробочки с надписью «нейтроны» 2 нейтрона, а из коробочки с надписью «протоны» 2 протона. И соединяем их вместе, в одну кучку. Эта кучка из четырех частиц называется атомным ядром. То есть ядро атома у нас уже есть, осталось дособирать «скорлупу». А «скорлупа» – это болтающиеся вокруг ядра электроны. Надень на ядро атома электронную шубу из вращающихся электронов – и будет готов атом!
У атома водорода ядро состоит из одного-единственного протона. Вокруг него болтается по орбите один-единственный электрон. Следующее вещество – гелий. Мы его уже почти собрали, изготовив шаловливыми ручками ядро из двух протонов и двух нейтронов. Теперь запускаем вокруг него электроны и… а, кстати, сколько их надо запустить? Ну, поскольку, в ядре гелия находится два протона, то есть его положительный заряд равен двум единичкам, то две единички таких же отрицательных зарядов нам и надо закрутить вокруг ядра, чтобы уравновесить, скомпенсировать плюсовой заряд минусовым и сделать электронейтральное в целом вещество. Практически все вещества вокруг нас электронейтральны, и током не бьются, так что наша задача ясна.
Принцип построения ясен – в таблице Менделеева номер химического элемента соответствует числу протонов в его ядре. Номер первый – водород. Один протон. Гелий – № 2. Значит, два протона (и в довесок еще два нейтрона). Литий у нас в табличке идет под номером 3. Соответственно, в его ядре три протона (и как балластный довесок три нейтрона). И так далее.
Возникает вопрос… И даже целых два! Во-первых, зачем нужны нейтроны? Почему бы не собирать атомные ядра только из одних протонов? И второй вопрос, поинтереснее – если одинаково заряженные частицы отталкиваются, то почему атомное ядро, состоящее из положительно заряженных протонов, не разлетается к чертовой матери в разные стороны?
Не в бровь, а в глаз! Протоны должны разлетаться! Но не разлетаются… Отчего?
Хитрая природа для этого предусмотрела еще один вид взаимодействия в микромире. Первый вид взаимодействия частиц мы с вами уже прошли – это электромагнитное взаимодействие, когда одноименно заряженные частицы отталкиваются, а разноименные притягиваются. Не забыли? Отлично… А второй вид взаимодействия называется сильным взаимодействием. Потому что оно сильнее, чем отталкивание положительно заряженных протонов. Плюсовые протоны хотят разлететься из ядра, но что-то им не дает. Это «что-то» и есть сильное взаимодействие. Оно короткодействующее, то есть работает только и исключительно на коротких расстояниях, в отличие от сил электромагнитных, которые работают на любых расстояниях, правда, ослабевая с удалением. Иногда сильное взаимодействие по-другому называют ядерным взаимодействием, потому что именно оно связывает частицы в ядре атомов.
Чтобы включилось короткодействующее сильное взаимодействие, нужно приложить недюжинные старания, преодолеть пружину электромагнитного отталкивания и зацепить протоны крючками ядерных сил.
Ситуация выходит довольно хитрая. На больших расстояниях протоны, как и положено приличным частицам, имеющим одинаковый зарядовый знак, отталкиваются. Причем чем сильнее их сближаешь, тем сильнее сопротивление этому безобразию. И надо приложить очень большие усилия, огромную энергию, чтобы сблизить протоны до соприкосновения. Но если такую энергию приложить, присходит чудо какое-то – протоны вдруг сцепляются между собой мертвой хваткой.
Ну а как на практике сблизить протоны, если у нас нет таких крепеньких микроскопических мужичков, как на картинке? Ну, например, можно разогнать частицы в ускорителе частиц по направлению друг к другу до такой огромной скорости, чтобы, сближаясь, они не успели затормозиться пружиной электромагнитного отталкивания и врезались друг в друга. Вот тогда короткие крючки ядерных сил сцепят протоны.
