Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов

Запомните – любое измерение всегда неточно, всегда в пределах определенного допуска. Каждый прибор имеет ошибку измерения. Любое предсказание тоже неточно. Правда, в большинстве бытовых ситуаций точность расчетов такова, что вполне нас удовлетворяет и все наши потребности покрывает. Скажем, напряжение в розетке может чуть-чуть колебаться, отклоняясь от положенных 220 вольт. Но приборы, рассчитанные на 220 вольт, эти небольшие штатные колебания выдерживают, поэтому можно не волноваться. И так везде.

Эллипс рассеивания. Так ложатся снаряды – гуще всего в центре, реже по окраинам.

Вот так вот, друзья мои! Период полураспада – это вам не фунт изюму.

Но зато, зная период полураспада углерода-14, ученые придумали, как определять возраст старинного предмета, если он содержит углерод. Как правило, речь идет о возрасте деревяшек – например, найденных остатках древнего корабля, стреле охотника или угольке первобытного костра. Деревяшки – это сплошной углерод, в древесине его просто уйма. Недаром слова «уголь» и «углерод» одного корня.

Так вот, пока дерево живет, оно дышит. Дышат растения, как знает каждый старый и малый, углекислым газом, который мы выдыхаем. А растения, наоборот, выдыхают кислород, которым дышим мы с вами. Поэтому растения для нас очень полезны не только потому, что мы их едим. Мы без растений просто жить бы не смогли.

Углекислый газ – сложное вещество, состоящее из простейших химических элементов: одна молекула углекислого газа сделана из двух молекул кислорода и одной молекулы углерода – СО2. Дерево своими зелеными листочками поглощает углекислый газ. Зеленые листочки – это реакторы. В них в результате сложной реакции, проходящей при участии солнечного света, молекула углекислого газа разрывается, кислород вылетает, а из углерода дерево строит себя – ствол. А мы с вами потом выделенный кислород вдохнем, выдохнем углекислый газ, а ствол срубим и сожжем, разбивая кочергой угольки в печке.

Так вот, строя свой ствол из углерода воздуха, дерево накапливает не только нормальные атомы углерода, но и уродливые – нестойкие изотопы С14, которые там одновременно накапливаются и потихоньку распадаются.

А когда дерево срубают на дрова или чтобы сделать из него корабль, оно дышать перестает. А значит, в нем перестает накапливаться углерод, включая углерод-14. И дальше изотоп только распадается. Его становится все меньше и меньше и меньше. Через 5700 лет останется половина. Еще через 5700 лет еще половина… Зная количество углерода С14 в воздухе и измерив, сколько его осталось в древней деревяшке, ученые узнают, когда дерево было срублено и отправлено в костер или на строительство.

Достали археологи со дна моря древний корабль, отдали образцы на анализ и получили возраст, когда корабль был построен. Правда, таким методом нельзя определить совсем уж древние образцы, потому что примерно через 40–50 тысяч лет углерод-14 распадается почти весь, его остается так мало – буквально считаные атомы, что определить возраст предмета уже не представляется возможным.

У вас может возникнуть вопрос. Ну, хорошо, дерево срубили, оно перестало дышать и накапливать этот изотоп из воздуха. Но в воздухе-то он откуда берется? Почему в воздухе он до сих пор весь не распался за миллионы и миллиарды лет существования нашей планеты? Он что, там постоянно образуется?

Конечно! Если бы не образовывался, давно бы уже не было на Земле никакого С14.

В верхних слоях атмосферы углерод-14 постоянно образуется из атмосферного азота под воздействием космических лучей, то есть активного солнечного излучения. Сначала космические лучи, сталкиваясь с веществом атмосферы, вышибают из него нейтроны. А уже эти вышибленные одинокие нейтроны сталкиваются с ядрами атомов азота.

Что получается? Простая формулка ядерной реакции написана ниже:

n + 7N14 = 6C14 + р+

Страшная формула? Да ничего подобного! Простенькая. Тут все как на ладони. Смотрите, нейтрон (n) налетает на ядро атома азота (N), имеющего 7 протонов и атомный вес в 14 единиц. И вышибает из него один положительно заряженный протон (р+). В результате получается элемент № 6, то есть с шестью протонами в ядре, а это углерод. Можете проверить по таблице Менделеева, если не верите. Атомный вес ядра при этом не меняется, поскольку на месте выбитого протона остается нейтрон.

Вот так в атмосфере все время образуется углерод-14. Этого углерода в атмосфере нашей планеты образуется каждый год… как вы думаете, сколько? Сразу скажу: не замахивайтесь на большие числа. Правильный ответ – около 8 килограммов. А всего углерода-14 в атмосфере Земли – 75 тонн.

Способность изотопов распадаться называют радиоактивностью. Это слово вам, наверное, известно. Оно всем известно и всех пугает, особенно взрослых. Это слово сразу связывается в их сознании с атомными бомбами, на месте взрыва которых остается радиоактивное загрязнение, которое убивает людей. Ведь энергию своего взрыва атомные бомбы получают как раз за счет распада изотопов тяжелых металлов. Так же как и атомные электростанции, кстати.

Об этом стоит поговорить подробнее…

Глава 6

Маша и радиоактивность

Это теперь мы такие умные. А всего каких-нибудь сто лет назад люди ничего ни о радиоактивности, ни о строении атомов толком не знали. Ну, то есть были, конечно, идеи, что вещество состоит из мельчайших неделимых крупинок – атомов. А те в свою очередь – из частичек, имеющих положительный и отрицательный заряд. Но дальше этих идей дело не заходило.

Кроме того, было также понимание, что в нашем мире, помимо вещества, существует еще нечто. И это нечто – лучи. Излучение. Лучший пример – свет. Ведь свет – это же не вещество! Это нечто отличное от вещества. Ну и назовем его лучами!

Люди изучали солнечные лучи, наблюдая, как они преломляются в стеклянных призмах и как фокусируются стеклянными линзами. Лучи пропускали через дырочки, решетки, наблюдали за тенями… В XVII веке английский физик Ньютон открыл дисперсию света – он направил тонкий солнечный луч на грань стеклянной призмы и увидел, как белый луч разложился на семь цветов радуги.

– Ага! – смекнул Ньютон. – Значит, белый цвет состоит из семи разных цветов, это смесь!

То есть вот как получается – сложные химические вещества состоят из элементарных, а сложный белый свет – это смесь более простых, элементарных «светов». Интересно. Но что же такое свет по природе своей?..

Дисперсия света – разложение одинокого солнечного луча, пропущенного через дырочку в непрозрачном экране на отдельные цветные лучи. Схема ньютоновской установки

Ньютон думал, что свет – это поток летящих от Солнца мельчайших частичек – корпускул. Другие ученые считали иначе. Нет, говорили они, свет – это волна!

Волна?

Почему волна? Какая такая волна? Что за странная идея?

Объясню… Что такое волны, мы прекрасно знаем. Каждый видел волны на поверхности моря, озера или реки… Волна – это не вещество, волна – это процесс, который происходит в веществе. Мы смотрим на море и видим: волны бегут. Причем, что интересно, волны-то бегут, а вода не бежит! Вода остается на месте. Частички воды (молекулы) просто периодически колеблются, поднимаясь то вверх, то вниз, создавая иллюзию перемещения воды. Волна по поверхности воды действительно распространяется, а вот сама вода остается на месте, точнее, синхронно колеблется вверх-вниз.

Понятно? Сейчас будет понятно.

Волна бежит, а среда, по которой распространяется волна, остается на месте.

Вы можете привязать прыгалки или веревку к дверной ручке и пускать по ним волну. Волна будет бежать по прыгалкам, но сами прыгалки, как видите, никуда не бегут, а остаются на месте – между дверью и вашей рукой. Они просто колеблются.

Важнейшее свойство волны – она всегда распространяется по чему-то, по какой-то среде. По воде, по прыгалкам, по воздуху.

Мама ртом пускает воздушную волну, она воздействует на ваши барабанные перепонки, а вы старательно делаете вид, что не слышите, как она зовет вас убирать игрушки или спать. Потому что спать вы еще не хотите, а убирать игрушки вообще бессмысленное и даже вредное дело, они и так лежат там, где должны – на полу, под рукой. Так что лучше мамину звуковую волну не слушать, а почитать эту книгу. В конце концов, если ей нужно, пусть сама уберет. А вы ей это вредное дело, уж так и быть, простите, ибо великодушие ваше безмерно.

В общем, волна всегда распространяется в чем-то. А если ничего нет, то и волны быть не может – на чем же ей распространяться, коли нету ничего! Колебаться-то нечему! А на нет, как говорится, и суда нет.