Рассуждение автора
Если попросить школьника младших классов изобразить атом, он сделает это охотно и быстро. Нарисует один или несколько кружочков, обведёт их двумя овалами, пересекающихся под углом на манер буквы «X» и на каждом из овалов поставит по точечке.
Интересно, что множество вполне взрослых людей поступит так же.
Но если спросить юного художника, что такое атом, он вряд ли ответит. Разве что скажет, что из атомов делают атомную бомбу. И будет в корне не прав, хотя мы простим ему эту ошибку. Физику-то он ещё не изучал!
Интересно, что множество вполне взрослых людей тоже будет путаться в ответе.
Не странно ли это? Нисколько! Ведь многие вполне взрослые люди действуют так же, как школьник-неуч. Они принимают решения, имея очень поверхностные сведения о предмете, зачастую даже не желая углубляться в вопрос. И изобилие информации, свойственное нашему времени, здесь мало помогает. Даже погуглить нет желания, не то чтобы почитать статью в популярном научном журнале. Вроде уважаемого журнала под названием «Наука и жизнь», который я с удовольствием читал во времена своего школьного детства и который до сих пор существует. За что ему честь и хвала. Но сейчас все прекрасно знают жизнь по «Тик-току». К чему нам ещё и наука?
Впрочем, можно приманить читателя, спросив его, почему мы рисуем атом таким, каким нарисовал его школяр. И когда читатель задумается, вполне возможно он прочтёт эту небольшую статью. Глядишь, это чтение его не только развлечёт, но сможет и пользу принести. По амбарам да по сусекам памяти что-нибудь из прочитанного останется.
А посему, не будем медлить.
Модели атома
Модель Дальтона: просто шарик
Греческое слово «атом» означает «неделимый». Давным-давно идея существования мельчайших, неделимых частиц, которые и составляют всю материю, была выдвинута философом Демокритом (ок. 460—370 гг. до н.э.).
Для ориентировки на шкале времени: Демокрит был современником Сократа (ок. 470 — 399 до н.э.) и старшим современником Платона (ок. 428 — 348 до н.э.). А до времени Александра Македонского (356 — 323 до н. э.) он не дожил. В год смерти Демокрита отец будущего Александра, Филипп II (382 — 336 до н. э.), был ещё двенадцатилетним мальчиком.
С тех давних времён слово «атом» было не востребовано, а потому благополучно забыто. Только в начале 19-го века его возродил и превратил в научный термин английский физик и химик Джон Дальтон (1766 — 1844). Дальтон предложил идею нового атомизма. Согласно этой идее, вещество состоит из мельчайших неделимых частиц, называемых атомами.
Дальтон рассуждал так. Что находится внутри атома, как он устроен, мы не знаем. Про атомы известно только, что все атомы одного химического элемента идентичны по массе и свойствам, а атомы разных элементов имеют разную массу и разные свойства. Благодаря числу Авогадро мы всегда можем рассчитать количество атомов, находящихся в том или ином количестве вещества. Впрочем, внутреннее устройство атома химика не очень и интересовать должно. Ведь вся химия сводится к объединению атомов с образованием молекул различных веществ или к распаду сложных молекул на отдельные атомы.
Поэтому Дальтон предложил модель атома в виде сплошной неделимой сферы. Для разных химических элементов эти сферы могут иметь разный размер и, условно говоря, различное «желание» соединяться с атомами других веществ. Фактически вся химия, которую изучают в школе базируется на модели атома, предложенной Дальтоном.
Пожалуй, самый известный пример. При сгорании водорода в струе кислорода, два атома водорода соединяются с одним атомом кислорода, образуя молекулу воды. То, что молекула воды всегда состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода записывается в виде химической формулы H2O.
Модель атома, предложенная Дальтоном, просуществовала почти 100 лет. Но в какой-то момент представления об атоме учёным пришлось изменить. Как это произошло?
Модель Томсона: англичане любят пудинг с изюмом
В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон (1856 - 1940) исследовал новую область физической науки – электричество. Он изучал излучение, возникавшее в вакуумной трубке между двумя электродами, к которым было приложено высокое напряжение. Источником излучения был отрицательный электрод, катод. Поэтому и излучение называли катодными лучами.
Томсон своими экспериментами доказал, что катодные лучи – это поток отрицательно заряженных частиц, которые были названы электронами. Томсон воздействовал на катодное излучение магнитным полем, и в результате определил массу электронов. Они оказались в 1836 раз легче самого лёгкого атома, атома водорода. Источником электронов могли быть только атомы. Из этого следовало, что атомы, вопреки названию, делимы.
Но если внутри атома есть отрицательно заряженные электроны — где же тогда весь остальной положительный заряд? Ведь вещество и каждый атом в целом электрически нейтральны.
Чтобы объяснить, как отрицательные электроны существуют внутри нейтрального атома, в 1904 году Томсон изменил модель Дальтона. По модели Дж. Дж. Томсона атом — это шар положительно заряженного вещества, внутри которого «вкраплены» электроны, как изюм в пудинге.
Планетарная модель Резерфорда и Бора
Модель Томсона была логичной, но, очевидно, промежуточной гипотезой. В 1911 году появилась более точная модель на основе экспериментов Эрнеста Резерфорда. Резерфорд, облучая золотую фольгу тяжёлыми положительно заряженными частицами, пришел к выводу, что в центре атома находится небольшое, плотное, положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны. Эта модель атома получила название планетарной модели. Почему планетарной? Потому что она походила на модель Солнечной системы. В центре, как Солнце, положительно заряженное ядро, вокруг которого, как планеты, обращаются электроны.
В 1913 году Нильс Бор усовершенствовал планетарную модель. В модели Бора электроны без потери энергии вращаются вокруг ядра по фиксированным круговым орбитам, которые называются энергетическими уровнями. Излучение или поглощение квантов энергии происходит при переходе электронов с одной орбиты на другую. Таким образом, модель Бора сделала модель атома энергетической и квантовой.
Модель атома Шрёдингера
Модель Резерфорда – Бора просуществовала без изменений довольно долго. Планетарная модель атома даже успела попасть в учебники, благодаря чему стала общеизвестной. В 1926 году на смену ей пришла квантово-механическая модель Эрвина Шрёдингера. В модели Шрёдингера точное местоположение и импульс электрона не могут быть известны одновременно. Это положение называется принципом неопределённости Гейзенберга. Поэтому электроны не имеют определённых орбит, а как бы размазаны по всей области, где может находиться электрон. Каждая такая область называется орбиталью.
Модель Шрёдингера лежит в основе современной атомной теории. Но почему до сих пор символом атома является планетарная модель?
Мирный атом: и светлое будущее
Боишься – значит уважаешь
Планетарная модель Резерфорда-Бора имела все основания для того, чтобы стать визуальным каноном 20-го века. Она отличалась геометрической чёткостью, была наглядна и символична. Центральное ядро и круговые орбиты вокруг него было легко изобразить. Это изображение ассоциировалось с космосом: ядро, как солнце, электроны как планеты. Таким образом, атом виделся, как вселенная в миниатюре.
К тому же планетарная модель атома массово тиражировалась в школьных учебниках по всему миру. Благодаря этому она стала массовым шаблоном коллективного воображения.
После Второй мировой войны слово «атом» стало чрезвычайно популярным, поскольку появилось ужасающее оружие массового поражения, атомная бомба. Человеку свойственно уважать то, чего он опасается. Атомной бомбы боялись все, а значит, и об атоме волей-неволей все слышали. Увидеть же его изображение можно было во всяком учебнике физики.
Так родился канон.
Атом – это красиво
Изображения атома в виде планетарной модели начало появляться в начале 1950-х годов.
Овладение атомной энергией вызвало в мире не только волну страха, но и волну энтузиазма. Появились проекты кораблей с атомной энергетической установкой, проекты ракет и самолётов с двигателями на атомной энергии, и даже проекты атомных автомобилей.
О развитии атомной промышленности и научного прогресса в этой молодой отрасли появились статьи в журналах. Иллюстрируя их, художники стали изображать планетарную модель атома, как символ «мирного атома». Более того, планетарную модель атома на своём флаге разместило международное агентство МАГАТЭ. Планетарная модель атома постепенно превратилась в символ мирного атома. Идея о том, что атомная энергия может быть не только разрушительной, но и созидательной оказалась очень привлекательной.
Именно в этой, созидающей, роли стали изображать атом на обложках советских научно-популярных журналов, вроде «Техника – молодёжи», «Знание - сила» или та же «Наука и жизнь».
Наряду с уже пожилыми серпом и молотом, он становится молодым символом светлого коммунистического будущего. Изображение мирного атома превращается также в символ научного и технического прогресса наряду с космической ракетой, перфолентой, циркулем и кульманом. Впрочем, уже к началу 1970-х годов большинство этих символов прогресса безнадёжно устарели и стали чем-то вроде серпа и молота.
Портрет героя
Основными в изображении мирного атома, как символа развития, символа науки и техники были следующие детали. Во-первых, ярко выраженное центральное ядро. Довольно часто атомное ядро изображали революционного красного цвета. Красный цвет ядра также намекал на Солнце, источник энергии и жизни. Во-вторых, в изображении «мирного атома» входили несколько идеально круговых орбит, золотистых или белых обручей, на которые часто надевали шарики-электроны. Третьей важной составляющей композиции были люди: учёный, инженер или же рабочий и индустриальный пейзаж. Четвёртой составляющей жизнерадостной композиции являлись жизнеутверждающий лозунг на плакате или заголовок статьи в журнале.
Вознёсся выше он…
Планетарная модель атома, изображающая «мирный атом» стала символом пригодным не только для плаката, но и для скульптурного воплощения.
В городе Обнинске Калужской области, где в 1954 году была запущена первая в мире атомная электростанция, поставили памятник этому событию. Планетарная модель атома здесь является символом атомной науки. Центральная сфера, изображающая, конечно, атомное ядро, вскрыта умелыми руками. Содержимое атомного ядра, небольшой шарик, который, вероятно, символизирует, собственно атомную энергию, покоится на ладони поднятой руки человека, профессия которого загадочна. Он в распахнутом лабораторном халате, из-под которого выглядывает какая-то полувоенная форма.
В городе Волгодонске Ростовской области находится завод «Атоммаш», производящий атомные реакторы. Атомные реакторы – это мирный атом? Условно говоря, да. Вот в центре города и воздвигли огромную скульптуру «Мирный атом». Этот памятник отличается от всех подобных памятников. Стилизованные орбиты электронов атома оплетены лозой винограда. Гроздья винограда внедрены в дизайн скульптуры не с проста. В городе расположен не только завод-гигант атомной промышленности, но выращивают виноград и делают из него знаменитое Цимлянское вино.
А в Москве на ВДНХ 2 ноября 2023 года открыли современный павильон «Атом». Новый павильон появился на месте старинного павильона «Атомная энергия», который в начале 1950-х годов, когда рождалась советская атомная промышленность, назывался кондово: «Механизация и электрификация сельского хозяйства». Потом тракторы и оборудование сельских гидроэлектростанций заменили на макеты электростанций атомных.
Но старинная архитектура никак не соответствовала новому содержанию. Да и тесноват оказался павильончик. Вот его и заменили радикальнейшим образом. В атриуме павильона «Атом» находится планетарная модель атома урана, без которого, несомненно, не была бы возможна никакая атомная энергетика, ни мирная, ни военная.
А на въезде в город Дубну, где находится Объединённый Институт Ядерных Исследований до 2002 года находилась декоративная стела с мозаикой «Атом для мира».
Здесь мы видим всё, что должно быть на плакате, посвящённом мирному атому. Крепкий мужчина держит в руках символический атом, предлагая человечеству энергию в массовом количестве. Мелкие «житийные» сцены на втором плане, изображающие работу учёных, подчёркивали масштаб главной фигуры и служат ярким фоном.
Модернистскую стелу воздвигли в 1964 году. Но в 2002 году она обрушилась, не выдержав борьбу со всё пожирающим временем. Видать, времена изменились, и деньги, выделенные на ремонт, пошли на другие добрые дела.
Новая советская икона
Изображение «мирного атома» в виде его планетарной модели было просто в восприятии и могло генерировать сложные смыслы. Именно поэтому изображение «атома-рабочего» в советской культуре стало иконой счастливого будущего. Образ был понятен, красив, симметричен и убеждал, что бояться опасности не нужно. Всё под контролем. Так в атеистической стране СССР появилась очередная икона наряду с иконами Ленина и Октябрьской революции, так сказать, иконами старообрядческими и иконой Гагарина, принадлежавшей уже к новому советскому обряду.
Эта советская икона символизировала и торжество науки, и могущество покорителей сил природы, и демонстрировала скорое наступление светлого коммунистического будущего.
