Мартин Гарднер - Этот правый, левый мир

На рис. 48 изображен простейший из атомов — атом водорода. Ядро состоит из одного положительно заряженного протона. Вокруг него обращается отрицательно заряженный электрон. Если в ядре, кроме протона, находится еще один нейтрон, то мы имеем один из изотопов водорода (рис. 49). (Изотоп — это одна из форм элемента, получающаяся при изменении числа нейтронов в ядре.) Этот изотоп называется дейтерием, поскольку у него в ядре две частицы. Добавление нейтрона утяжеляет ядро, по этой причине дейтерий часто называют тяжелым водородом.

На рис. 50 приведена схема следующего простого атома — гелия. В обычной своей форме его ядро содержит два протона и два нейтрона. Вокруг ядра вращаются два электрона.

Поскольку атом имеет приближенно сферическое строение, его удобнее всего представить в виде крошечного шарика. «Для некоторых учителей атом всегда остается мячиком, — говорил физик Сэмюэл Гаудсмит. — Зимой это баскетбольный мяч, весной — бейсбольный, а в остальное время года — шарик для настольного тенниса. Эти объяснения об атоме столь же беспомощны, как изображение бога стариком с бородой на облаке».

Это высказывание Гаудсмита напоминает о том, что модели дают лишь грубо приближенную картину реальности. С другой стороны, без них трудно было бы обойтись. Химики до сих пор изображают молекулы диаграммами, где сложные валентные связи представлены черточками; по этой же причине физики продолжают говорить об атоме, пользуясь представлениями модели Бора. Это удобное символическое сокращение. Почему бы и не назвать атом шариком? В конце концов, что такое шарик? В обычном языке это любой предмет примерно сферической формы. Раз смысл этого слова так широк — им можно назвать и футбольный мяч, и яблоко, и скомканный носовой платок, — то почему бы не применить его для описания шарообразного строения атома, хотя точно описать его электронное «облако» можно лишь с помощью сложных понятий теории вероятностей.

Электрон, вращающийся вокруг ядра, это движущийся отрицательный электрический заряд. Его движение приводит к появлению магнитного поля, проходящего через центр атома и перпендикулярного плоскости электронной орбиты. Это поле называется орбитальным магнитным моментом электрона. Кроме орбитального движения, у электрона есть еще одно свойство, называемое спином. (Доктор Гаудсмит, высказывание которого мы цитировали выше, принадлежит к числу тех, кто открыл существование спина.) В модели Бора спин можно представлять себе как вращение электрона вокруг оси, проходящей через его центр, — точно так же Земля на своем пути вокруг Солнца вращается вокруг собственной оси. Собственное вращение электрона также создает микроскопическое магнитное поле, направление которого совпадает с осью вращения. Так получается спиновый магнитный момент электрона.

На рис. 51 показана магнитная ось орбитального магнитного момента электрона. Северным называется тот ее конец, с которого кажется, что электрон вращается вокруг ядра по часовой стрелке. На рис. 52 изображена ось магнитного поля электронного спина. И опять-таки северный ее конец выбран так, что если смотреть с этого конца на электрон, то будет видно, что он вращается вокруг собственной оси по часовой стрелке. В обоих случаях названия полюсов выбираются в соответствии с обычным правилом левой руки. Физики предпочитают обозначать северное направление знаком плюс, а южное — знаком минус, но, поскольку наша книжка не научная монография, мы будем придерживаться более привычных названий.

Кроме магнитных полей, создаваемых спинами электронов и их орбитальным движением, такие же поля создаются спинами протонов, нейтронов и даже спином атомного ядра как целого. (Почему вращающийся нейтрон, не несущий электрического заряда, создает магнитное поле, остается загадкой и по сей день. К ней мы вернемся несколько позже.) Термин «спин» (вращение) выбран удачно, частицы со спином ведут себя как крошечные гироскопы, которые не поддаются попыткам повернуть их ось. В 1963 году во многих лабораториях велась работа по созданию ядерных гироскопов для управления полетом космических кораблей; эти фантастические гирокомпасы не имеют движущихся частей, и их оси не поворачиваются в пространстве под воздействием трения. Конструкция этих устройств основывается на гироскопических свойствах ядерных частиц со спином.

Если в атоме оси каких-нибудь двух магнитных моментов направлены параллельно или почти параллельно друг другу и их северные полюса ориентированы в одну сторону, то магнитные поля этих моментов складываются и получается более сильное поле. Если оси антипараллельны (ориентированы в противоположные стороны), то поля компенсируют друг друга и результирующее поле получается слабее или исчезает совсем. Так, например, два электрона в атоме гелия вращаются по одной и той же орбите в противоположных направлениях, и, следовательно, их орбитальные моменты компенсируют друг друга. То же самое относится и к их спиновым магнитным моментам. Один электрон вращается по часовой стрелке, другой — против нее. Говорят, что спины в атоме скомпенсированы. В результате такого взаимного гашения орбитальных и спиновых магнитных полей атом гелия оказывается магнитно нейтральным. В целом у него нет результирующего магнитного момента. Это относится ко всем инертным газам (неон, аргон, криптон, ксенон, радон), у которых внешние оболочки целиком заполнены электронами. Другие атомы обладают результирующим магнитным полем, поскольку внутренние магнитные моменты у них не скомпенсированы. (Говоря научным языком, результирующее магнитное поле является векторной суммой всех внутренних магнитных моментов.) Такой атом обладает общим спином, который и создает результирующее магнитное поле с северным и южным полюсами. Короче говоря, он ведет себя как крошечный сферический магнитик.