Александр Никонов - Астрономия на пальцах.

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.

Но ведь у природы нет никаких ускорителей частиц, которые придумали и построили люди! А ядра атомов есть. И мы из них состоим! Значит, все-таки какой-то ускоритель у природы был, раз нас окружают сложные атомы, а не сплошной водород, состоящий из одного протона и болтающегося вокруг него электрона. Когда-то во вселенной действительно и был практически один водород, о чем мы еще поговорим. Но потом каким-то образом наработались сложные ядра химических элементов.

Каким? Что является тем природным ускорителем, который производит из элементарных частиц элементарные вещества таблицы Менделеева, из которых потом строятся молекулы, белки, витамины, слоны и крокодилы?

Этот ускоритель – звезды.

Звезда – это, как мы знаем, раскаленный газовый шар, первоначально состоящий практически из одного водорода. Водород является звездным топливом. Многие дети и даже некоторые взрослые знают, что водород – газ горючий и весьма взрывоопасный. Но в звездах он «горит» вовсе не так, как в привычном нам мире, поэтому слово «горит» я и взял в кавычки.

Что такое обычное горение – дров в костре, водорода в пылающем дирижабле, газа в газовой конфорке на кухне или же медленное-медленное горение съеденной нами пищи внутри нашего организма (отчего туловище разогревается и делается тепленьким, как печечка)? Что такое вообще горение? Горение – это окисление, то есть химическое соединение топлива с кислородом, который содержится в воздухе. Газ кислород вступает в химическую реакцию с топливом и, как говорят химики, окисляет его.

Костер – это бурная реакция окисления древесины, сопровождающаяся мощным выделением энергии – жаром и пламенем. Окисление пищи внутри топки нашего организма происходит гораздо медленнее и под контролем автоматики – так уж он устроен, наш организм: процесс окисления пищи внутри нашего тела протекает неспешно, без пламени, но с выделением тепла. Температура тела при этом поддерживается автоматически и равна 36,6 градуса. Можете градусником проверить, если не верите. (Иногда, правда, организм температуру немного повышает, чтобы бороться с заразой, «выжигая» таким образом микробов простуды.)

В этом смысле наше тело чем-то напоминает так называемый пиролизный котел. Такие котлы ставят иногда в деревенских домах для отопления. Они хитро устроены – чтобы дрова не сгорали быстро, резко повышая температуру дома до жаркой (а потом дом остывает и нужно опять корячиться, подкидывая дрова), горение в пиролизном котле осуществляется с малой подачей воздуха. Дрова там тлеют ме-е-едленно, не повышая температуру дома до неприятно жаркой, и при этом топливо не надо слишком часто подбрасывать в топку. Удобно! Умеренное горение – прямо как у нас в организме!

Для осуществления процесса сгорания пищи человеческий «котел» тоже засасывает в себя кислород через воздухозаборник, именуемый носом. Больше никаких причин для дыхания нет – только обеспечение топки организма окислителем. С той же целью засасывает воздух в двигатель любой автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Только в машине горит бензин, а внутри вас – колбаса.

Но звезды горят не так! Топливо там есть – водород. Но для обычного горения, то есть окисления, нужен кислород. А откуда он возьмется в звезде? Кислород сам по себе – сложный элементик.

Посмотрите в таблицу Менделеева, не поленитесь. Найдите кислород. У него номер 8. То есть в ядре кислорода содержатся 8 протонов и столько же нейтронов, а вокруг этого ядра кружатся 8 электронов. То есть кислород еще нужно как-то сделать, ведь вся изначальная вселенная при рождении состояла из смеси одних только элементарных частиц. Понятно, что водород при этом мог образоваться сам – электрончик просто притянулся к протончику и начал вокруг него кружиться, как планета вокруг звезды, – вот тебе и водород, здравствуйте! Но для того, чтобы получился кислород, надо уже приложить грандиозные старания и сблизить, преодолев силы отталкивания, аж целых 8 протонов! Нетривиальная задача!..

Так что все более-менее сложные химические элементы, сгруппированные добрым дядюшкой Менделеевым в одну табличку, были выработаны в ядерных реакторах звезд, и нигде больше. Мы чуть ниже разберем, почему и как это происходит, а пока ответим на вопрос, про который забыли, увлекшись печками и топками – зачем природе нужны нейтроны?

Почему нельзя было делать атомы из одних только протонов?

Электрончик, напомню, – очень легонькая частица, он меньше и легче протона почти в две тысячи раз! Нейтрон же по величине и массе практически такой же, как протон (их массы отличаются друг от друга буквально на один электрончик). Но нейтрон не имеет электрического заряда. Зато на него действуют ядерные силы. То есть нейтроны и протоны можно слепить в комочек атомного ядра, при этом нейтроны даже не будут сопротивляться этому сближению, так как, будучи электронейтральными, совершенно индифферентны к электромагнитному воздействию.

Так вот, несмотря на мощь ядерных сил, при накоплении в ядре положительного заряда (то есть увеличении числа протонов) их отталкивающая сила могла бы преодолеть ядерные силы, и ядро бы развалилось. Вот тут и вступают в игру нейтроны. Зарядом они не обладают, то есть в отталкивании не участвуют, но свою скрепляющую лепту в ядерные силы вносят. Они как бы «разбавляют» заряд ядра.

И сразу можно ответить на еще один интересный вопрос: а почему элементарных химических веществ (химических элементов) всего несколько десятков? Понятно, что сложных веществ, которые нас окружают – миллионы! Их молекулы конструируются из атомов – этих деталек мирового конструктора. Но почему самих деталек всего несколько десятков, почему в таблице Менделеева не тысяча элементов или хотя бы не несколько сотен?