Из чего состоит атом

Атомы: строительные блоки молекул

Если молекулы – основные структуры, задействованные в химии – это слова, из которых состоят все окружающие нас материалы, тогда атомы – это буквы, строительные блоки молекул. Слова бывают разной длины, и типичная молекула тоже может содержать несколько атомов, или несколько сотен, или даже сто тысяч атомов. Молекула столовой соли NaCl состоит из двух атомов, натрия Na и хлора Cl. Молекула воды H₂O содержит два атома водорода и один кислорода. Молекула столового сахара C₁₂H₂₂O₁₁ содержит 12 атомов углерода, 11 кислорода и 22 водорода, организованных определённым образом.

Откуда нам известно о существовании атомов? Иногда их можно «видеть», так же, как мы видим молекулы, которые они могут формировать. Не глазами, но более продвинутыми устройствами. Один из методов использует сканирующий туннельный микроскоп, способный показывать атомы в кристалле или даже передвигать их по одному. Другой метод использует нашу возможность захвата ионов (немного изменённых атомов – подробности ниже).

На фото – три иона, пойманных одновременно. На них падает свет, они поглощают его и снова испускают. Повторно испущенный свет можно обнаружить, благодаря чему мы можем увидеть, где находятся ионы – примерно так отражение света от небольшого, но яркого бриллианта может помочь нам найти его.

Сколько же типов атомов существует? Типы называются «химическими элементами» и точное их количество зависит от того, как их считать. Но допустим, что атомный алфавит состоит из примерно сотни химических элементов, а к тонкостям подсчёта вернёмся позже. Так же, как мы могли назначить буквам алфавита от А до Я номера от 1 до 33, каждому элементу назначается не только имя, но и атомный номер (обозначается «Z»). Самые простые атомы – у водорода, их атомный номер = 1. Самые сложные в изобилии встречаются в природе, это уран с атомным номером 92. Другие – кислород (8), азот (7), кальций (20), криптон (36), лантан (57), платина (78). Полный список ищите в периодической системе элементов Менделеева. У каждого элемента своя химия – то, как он ведёт себя внутри молекул – примерно так, как у каждой буквы есть свои правила, по которым она может встречаться в словах.

Вопросы, которые можно задать об атомах:

1. Из чего состоят атомы?
2. В чём смысл атомного номера?
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов?
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой?
5. Как части атома удерживаются вместе?
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы?

Оказывается, на все эти вопросы лучше всего отвечать, начав с первого: из чего состоят атомы? Атомы состоят из того, что обычно называют «субатомными частицами» (к сожалению, этот термин некорректен, поскольку у этих «частиц» есть некоторые свойства, частицам не присущие). Конкретнее, атомы состоят из набора небольших и очень лёгких электронов, окружающих крохотное, но тяжёлое атомное ядро, в котором содержится большая часть массы атома. Ядро состоит из других «частиц», в свою очередь также состоящих из других «частиц», и мы до них ещё доберёмся.

Рисованный атом

Частенько мы видим изображения атомов, нарисованные на книгах по химии, на рекламках и предупреждающих знаках. Пример – рис. 1. Он передаёт очень грубую идею того, как устроен атом: снаружи у него есть определённое количество электронов (синие), и они вращаются вокруг центрального атомного ядра. Ядро – это скопление протонов (красные) и нейтронов (белые).

Теперь мы можем ответить на 2-й вопрос: что означает атомное число Z? Это просто количество протонов в ядре. У кислорода атомный номер 8, и у него в ядре 8 протонов.

В простейших условиях атомное число также равняется количеству электронов атома. С количеством нейтронов всё сложнее, мы вернёмся к этому позже. У электронов отрицательный электрический заряд (-е), а у протонов – положительный (+е). Нейтроны нейтральны, электрического заряда у них нет. Когда количество электронов и протонов совпадает, их заряды взаимно уничтожаются, и у атома электрического заряда не наблюдается – такой атом нейтрален.

Но нет ничего необычного – к примеру, в процессе формирования молекул – если атом приобретёт или потеряет один или несколько внешних, валентных электронов. В этом случае электрические заряды электронов и протонов не уничтожаются, и получившийся заряженный атом называют ионом.

Более реалистичный атом

Хотя рис. 1 примерно описывает архитектуру атома – электроны действительно находятся снаружи, а ядро, состоящее из протонов и нейтронов, в середине – он совершенно не передаёт реальную форму и суть атома, поскольку он выполнен не в масштабе, а мы живём в квантовом мире, в котором объекты ведут себя так, что их сложно нарисовать или представить.

С проблемой масштаба можно разобраться, нарисовав более точное (хотя всё ещё несовершенное) изображение, рис. 2.

Рис 2. Атом – по большей части пуст (серая область). По нему быстро движутся электроны (голубые точки, нарисованы не в масштабе, а гораздо больше). В центре находится тяжёлое ядро (красные и белые точки, нарисованы больше, чем в масштабе).

Вот, что я попытался передать этим изображением. Во-первых, электроны очень, очень малы, настолько малы, что мы так и не смогли измерить их размер – может статься, что они точечные и не имеют размера, но они точно не больше, чем 1/100 000 000 от диаметра атома. Во-вторых, ядра (и протоны с нейтронами, их составляющие) также крайне малы, хотя они и больше, чем электроны. Их размер измерен, и он примерно в 10 000 – 100 000 раз меньше диаметра атома. Атом немного похож на деревню. Протоны и нейтроны в ядре – большие дома, находящиеся в центре деревни, а электроны – далеко разбросанные фермерские домики. На большей части сельской местности растут зерновые культуры и нет домов. И хотя территория, считающаяся частью деревни, может быть большой, реально занимаемая домами площадь очень мала.

Но эта аналогия не полная, поскольку электроны, в отличие от фермерских домиков, очень быстро двигаются по серому региону на картинке и вокруг ядра со скоростями порядка 1% от скорости света. Покрываемая ими территория обычно не сферическая, а более сложной формы, кроме того не все электроны перемещаются по одной и той же территории.

Но, как я вас предупреждал, рис. 2 тоже не точный. Во-первых, нужно было бы нарисовать ядро в тысячи раз меньше, а электроны – в миллионы раз меньше, только тогда их не было бы видно. Если бы атом был размером с вашу спальню, то его ядро было бы размером с пылинку. По сравнению со своими компонентами, атомы огромны! В каком-то смысле большую часть атома составляет пустота!

Во-вторых, изображение не передаёт мутную природу квантовой механики. Уравнения квантовой механики описывают и предсказывают поведение молекул, атомов и субатомных частиц, и эти уравнения говорят нам, что у этих частиц могут быть очень странные и неинтуитивные свойства. Хотя электроны в каком-то смысле точечные (допустим, если вы захотите столкнуть два электрона друг с другом, то обнаружите, что можете сдвинуть их вместе на сколь угодно малое расстояние, и они ничем не выдадут своей внутренней структуры, если она вообще есть), есть возможность сделать так, что они, будучи оставленными в покое, будут распространяться как волна и заполнят всё серое пространство на рис. 2. Если это звучит странно, это не оттого, что вы чего-то не поняли: это странно и об этом тяжело думать. Я-то уж точно не знаю, как нарисовать атом, чтобы не вводить вас в заблуждение, и эксперты всё ещё спорят о том, как лучше всего о нём думать. Так что пока просто примите это как странный факт.

Размер электрона слишком мал для измерения, и его масса настолько мала, что электрон может распространиться по всему атому. А вот у ядра есть вполне измеренный и известный размер, а его масса так велика – больше 99,9% массы всего атома – что оно вообще не распределяется в пространстве. Ядро сидит в середине серой области.

Атом и его химия

Лучший приходящий мне в голову способ описать атом: большая часть массы атома содержится в ядре, находящемся в его центре, вокруг которого распределились чрезвычайно мелкие электроны гораздо меньшей массы, причём сделали это совершенно не так, как ведут себя частицы, заполнив всю серую область рис. 2.

Небольшой размер ядра по отношению к полному размеру атома, и то, что оно обычно находится в его центре, объясняет, почему оно играет относительно слабую роль в химии. Химия происходит – то есть, формируются и меняются молекулы – когда атомы приближаются друг к другу, а это происходит, когда внешние, валентные электроны одного атома близко подходят к внешним электронам другого – когда край серой области одного атома приближается к краю серой области другого. В химических процессах атомное ядро остаётся в центрах атомов, и никогда не приближается к другим ядрам. Основная роль ядра – обеспечение положительного заряда, удерживающего электроны, и большей части массы (определяющей, как сложно другим объектам передвигать этот атом).

Это отвечает на 3-й вопрос: химию атома в основном определяют подробности, связанные с его внешними электронами. Эти детали можно узнать (сложным способом, через уравнения квантовой механики), исходя из атомного номера Z.

Вместо того, чтобы заняться химией – темой, которой хватит на целый курс – мы перейдём на уровень ниже, к субатомным частицам, по пути отвечая на другие вопросы. Перечислим вопросы, с которыми мы разобрались, и вопросы, которые ещё предстоит изучить.

1. Из чего состоят атомы? Снаружи – электроны, в центре – атомное ядро (из протонов и нейтронов).
2. В чём смысл атомного номера? Это количество протонов в ядре атома, которое, в обычных условиях равно количеству электронов, его окружающих.
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов? Свойства внешних электронов, определяемые общим количеством электронов у каждого элемента, к примеру, атомным номером.
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой? Обсудим это в статье про изотопы.
5. Как части атома удерживаются вместе? Обсудим это в статье о роли электрических сил и квантовой механики.
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы? Обсудим это в статье о роли электронов и электрических сил в построении молекул из атомов.

А вот вам ещё вопрос, который мог возникнуть при изучении рис. 2:

Если атом – по большей части пуст, почему объекты кажутся твёрдыми? Почему нельзя протянуть руку через экран компьютера, если экран состоит из атомов, по большей части пустых?

Научно-популярное
Физика

Строение атома

Окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц – атомов. Интересно узнать, какова же структура этих «кирпичиков» Мироздания? Вместе с экспертами рассмотрим современные научные представления о строении атомов

Предположения об атомном строении вещества появились еще до нашей эры. Уже мыслители Древнего Востока и Древней Греции высказывали мысли о существовании крайне малых, далее неделимых материальных частиц, из которых состоит вся Вселенная.

Наиболее известной является теория древнегреческого философа Демокрита. Именно он впервые ввел термин atomos, что означает неделимый. Демокрит полагал, что все в мире состоит из атомов и пустоты, атомы существуют вечно, их никто не создавал, они материальны, имеют форму, размер и вес. Объединение атомов в тела происходит при помощи крючков и петелек. Душа человека также состоит из атомов, имеющих гладкую форму. Атомы в пустоте двигаются только прямолинейно, поэтому свободы у человека нет, все предопределено.

Ученик Демокрита Эпикур усовершенствовал это учение и высказал предположение, что атомы могут самопроизвольно отклоняться от прямолинейного пути, поэтому свобода у человека все-таки есть.

Что такое атом

Современная наука определяет атом как крайне малую по размерам и массе частицу вещества, которая является наименьшей частью химического элемента и выступает носителем его химических свойств.

Всего известно 118 атомов, из которых в природе встречается 94, а оставшиеся 24 были искусственно синтезированы в ядерных реакторах и лабораториях.

Атомы обладают определенной массой, размерами и строением. Массы атомов крайне малы. К примеру, атом водорода имеет массу всего лишь 1,67х10 -24г . Вес атома принято измерять в атомных единицах массы. Одна такая единица равно 1/12 массы атома углерода, ядро которого включает в свой состав 6 нейтронов и 6 протонов. Получается, что 1 а.е.м. = 1 нейтрон = 1 протон. Например, ядро атома водорода состоит из 1 протона, следовательно, его масса равна 1 а.е.м.

Размеры атомов также малы и находятся в пределах 0,046-0,25 нм (1 нм=1 м -9 ).

Полезная информация о строении атома

Ядро атома	Оно располагается в центре атома и составляет практически всю его массу (99,9%). При этом ядро атома занимает всего лишь одну триллионную часть его объема. То есть атом внутри практически пуст.
Электрон	Наиболее активная часть атома, так как постоянно движется. Он обладает крайне малым весом. Так, масса электрона в атоме водорода составляет 0,0005 массы ядра.
Самый легкий и тяжелый атомы	Если говорить о природных элементах, то самый легкий – атом водорода (его относительная атомная масса – 1,00797), а самый тяжелый – атам урана (238,03).

Состав атома

Атомы состоят из ядра и электронов, которые иногда называют «электронным облаком». Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

Электрон (происходит от греческого слова «янтарь», был открыт в 1897 году) представляет собой отрицательно заряженную частицу. Электроны движутся по электронным оболочкам.

Протон (от греческого – первый, открыт в 1919 году) – частица ядра, имеющая положительный заряд.

Нейтрон (от латинского «ни тот, ни другой», открыт в 1932 году) – элемент ядра, не имеющий заряда.

Протоны и нейтроны вместе называют также нуклонами (ядерными частицами).

Атомы различаются по количеству протонов и нейтронов в ядре. В зависимости от количества протонов атом имеет соответствующий номер в Периодической системе Менделеева и относится к некоторому химическому элементу.

Число нейтронов в ядре атома указывает на изотоп данного элемента. Изотопами называют разновидности атомов одного химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но различные массы.

Электронная схема строения атома

Атом является электрически нейтральным, поскольку положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов электронов, вращающихся вокруг ядра. Их движение происходит по электронным оболочкам. Количество электронов и электронных оболочек зависит от величины заряда ядра атома.

Схема строения атомов наглядно представлена в Периодической системе химических элементов. Возьмем в качестве примера химический элемент натрий. Символ элемента обозначается латинскими буквами (Na). Название записывается русскими буквами – натрий.

Порядковый (атомный) номер (Z) – это количество протонов и электронов у атома (для Na – 11).

Распределение электронов по слоям для Na составляет 2, 8, 1.

Атомная масса элемента (атомный вес, относительная атомная масса) – это суммарная масса нейтронов, протонов и электронов в атоме, выраженная в а.е.м. У Na она 22.99.

Электронная конфигурация атома Na записывается так: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 , где 1s – первый энергетический уровень, на котором располагаются 2 электрона на s-электронной орбитали; 2s и 2p – второй энергетический уровень, где находятся 2 электрона на s-электронной орбитали и 6 электронов на p-электронной орбитали; 3s – третий энергетический уровень, где находится 1 электрон на s-электронной орбитали.

это интересно
Валентность
Что такое валентность, как ее определить и какова ее роль в химии

Модели строения атомов

В истории науки были разработаны различные модели строения атома. В 1803 году Джон Дальтон предложил сферическую модель, которая изображала атом в качестве мельчайшей материальной сферы, не поддающейся разрушению.

В 1904 году Джозеф Томпсон создал модель, получившую название «Пудинг с изюмом». В этой модели атом рассматривался как определенное положительно заряженное тело, содержащее внутри себя отрицательно заряженные электроны.

В 1911 году Эрнест Резерфорд на основании проделанных опытов пришел к выводу, что атом напоминает маленькую планетную систему, где вокруг ядра по орбитам вращаются электроны. Однако планетарная модель входила в противоречие с принципами классической электродинамики, в соответствие с которыми движущиеся электроны должны терять энергию и упасть на ядро.

Нильс Бор усовершенствовал планетарную модель атома, введя следующие дополнения:

каждый электрон может вращаться вокруг ядра только по строго определенным стационарным орбитам;
в процессе такого вращения атом не излучает энергию;
излучение либо поглощение энергии осуществляется лишь при переходе атома из одного стационарного состояния в другое.

Современная модель атома получила название квантово-механической. В ней используются принципы неопределенности и дополнительности Вернера Гейзенберга, в соответствии с которыми электрон представляет собой одновременно частицу и волну, определенных орбит не существует, а электроны движутся вокруг ядра, образуя электронное облако.

Задачи по теме «Строение атома»

Давайте вместе решим несколько задач из курса химии за 8 и 11 классы для закрепления материала.

Задача 1

Ответьте на вопросы, выбрав правильный вариант ответа из предложенных. Это задание за 8 класс.

1) Из чего состоит атом?

а) из протонов и нейтронов
б) из молекул
в) из электронов и нейтронов
г) из ядра и электронов

2) Что находится в атомном ядре?

а) пустота
б) положительный заряд
в) протоны и нейтроны
г) электроны

3) сколько электронов в атоме кальция (Са)?

а) 2
б) 20
в) 22
г) бесконечно много

4) Чему равен порядковый номер химического элемента?

а) заряду ядра атома
б) атомной массе
в) количеству валентных электронов атома
г) количеству нейтронов в ядре атома

5) В атоме элемента электронами заполнены два энергетических уровня, а на третьем находится два электрона. Назовите этот элемент.

а) кислород
б) сера
в) магний
г) алюминий

Задача 2

Выберите правильный вариант ответа на каждый вопрос. Это задание из курса 11 класса.

1) Атомы какого химического элемента состоят из 5 протонов, 6 нейтронов и 5 электронов?

а) азот
б) бор
в) углерод
г) натрий

2) Какое расположение электронов по электронным слоям у атома кремния?

а) 2, 8, 4
б) 2, 6, 6
в) 1, 9, 4
г) 2, 7, 5

3) Какова электронная формула атома фосфора?
а) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1
б) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2
в) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2
г) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3

Ответы к задачам

Давайте проверим ваши ответы.

Задача 1

1) г – из ядра и электронов
2) в – протоны и нейтроны
3) б – 20
4) а – заряду ядра атома
5) в – магний

Задача 2

1) б – бор
2) а – 2, 8, 4
3) г – 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3

Почему атомы — величайшее чудо Вселенной

Один из самых удивительных фактов нашего существования был впервые постулирован более 2000 лет назад: на каком-то уровне каждая часть нашей материальной реальности может быть сведена к ряду крошечных компонентов, сохраняющих свои важные индивидуальные характеристики, которые позволяют им собираться воедино и создавать все, что мы видим, знаем, встречаем и переживаем. Эта простая мысль, приписываемая Демокриту Абдерскому, со временем переросла в атомистическое представление о Вселенной.

Хотя буквальное греческое слово «ἄτομος», означающее «неразрезаемый», не совсем применимо к атомам, поскольку они состоят из протонов, нейтронов и электронов, любая попытка «разделить» атом дальше приводит к потере его сущности: того факта, что он является определённым, конкретным элементом таблицы Менделеева. Именно это свойство позволяет ему создавать все те сложные структуры, которые существуют в нашей наблюдаемой реальности: количество протонов, содержащихся в атомном ядре.

Атом настолько мал, что если подсчитать общее количество атомов, содержащихся в одном человеческом теле, то получится около 10 28 : это более чем в миллион раз больше, чем количество звёзд во всей видимой Вселенной. И всё же сам факт того, что мы состоим из атомов, является, пожалуй, величайшим чудом во всей Вселенной.

В атоме, молекуле или ионе переход электронов с более высокого энергетического уровня на более низкий приводит к испусканию излучения с совершенно определённой длиной волны, определяемой фундаментальными константами. Если эти константы изменятся, то изменятся и свойства атомов во всей Вселенной.

Простой факт: именно скромный атом лежит в основе всего известного нам вещества во Вселенной — от обычного газообразного водорода до человека, планет, звёзд и т.д. Все, что состоит из обычной материи в нашей Вселенной — твёрдое, жидкое или газообразное — состоит из атомов. Даже плазма, возникающая в условиях очень высоких энергий или в разреженных глубинах межгалактического пространства, — это просто атомы, лишённые одного или нескольких электронов. Атомы сами по себе очень простые образования, но даже при таких простых свойствах они могут собираться в сложные комбинации, которые просто поражают воображение.

Поведение атомов поистине удивительно. Рассмотрим следующие факты:

Они состоят из небольшого массивного положительно заряженного ядра, вокруг которого вращается большое маломассивное рассеянное облако отрицательно заряженных электронов.
При приближении друг к другу атомы поляризуются и притягиваются, в результате чего они либо обмениваются электронами (ковалентно), либо один атом отбирает у другого один или несколько электронов (ионно).
Когда несколько атомов связываются друг с другом, они могут образовывать молекулы (ковалентно) или соли (ионно), которые могут быть как простыми, состоящими всего из двух атомов, так и сложными, состоящими из нескольких миллионов атомов.

Молекулы — примеры частиц вещества, связанных в сложные конфигурации, — приобретают такие формы и структуры в основном благодаря электромагнитным силам, существующим между входящими в их состав атомами и электронами. Разнообразие доступных структур практически безгранично.

Существует два ключа к пониманию того, как взаимодействуют атомы.

Каждый атом состоит из электрически заряженных компонентов: положительно заряженного ядра и ряда отрицательно заряженных электронов. Даже когда заряды статичны, они создают электрические поля, а когда заряды находятся в движении, они создают магнитные поля. В результате каждый существующий атом может стать электрически поляризованным при попадании в электрическое поле, а каждый существующий атом может стать намагниченным при воздействии магнитного поля.
Электроны, вращающиеся вокруг атома, будут занимать самый низкий доступный энергетический уровень. Хотя электрон может находиться в любой точке пространства в пределах примерно 0,1 нанометра от атомного ядра, он может занимать только определённый набор значений энергии, диктуемый правилами квантовой механики. Распределения вероятности нахождения электронов в зависимости от энергетического уровня также определяются правилами квантовой механики и подчиняются определённому распределению вероятности, которое однозначно вычисляется для каждого типа атомов с любым произвольным числом связанных с ними электронов.

Уровни энергии и волновые функции электронов, соответствующие различным состояниям в атоме водорода (хотя эти конфигурации чрезвычайно похожи у всех атомов). Уровни энергии квантованы в кратных значениях постоянной Планка, но размеры орбиталей и атомов определяются энергией основного состояния и массой электрона. В силу принципа исключения Паули на каждом из этих энергетических уровней могут находиться только два электрона, с одним верхним и одним нижним спином, в то время как другие электроны должны занимать более высокие и объёмные орбитали. При переходе с более высокого энергетического уровня на более низкий необходимо изменить тип орбитали, на которой находится электрон, если он собирается испустить только один фотон, иначе он нарушит определённые законы сохранения.

В очень хорошем приближении наше представление о материи во Вселенной, заключающиеся в том, что она состоит из атомов с тяжёлым, положительно заряженным ядром и лёгкими, отрицательными зарядами вокруг него, которые поляризуются в ответ на электрические поля и намагничиваются в ответ на магнитные поля, которые могут обмениваться (ионно) или делиться (ковалентно) электронами с другими атомами, образуя связи, вызывая поляризацию и намагничивание и воздействуя на другие атомы вокруг себя, может объяснить практически всё в нашей привычной, повседневной жизни.

Атомы соединяются друг с другом, образуя молекулы: связанные состояния атомов, которые складываются в почти бесчисленное множество конфигураций и могут взаимодействовать друг с другом самыми разнообразными способами. Соедините вместе большое количество аминокислот — и вы получите белок, способный выполнять ряд важных биохимических функций. Добавьте к белку ион — и вы получите фермент, способный изменять структуру связей в различных молекулах.

А если выстроить цепочку нуклеиновых кислот в правильном порядке, то можно закодировать как создание произвольного количества белков и ферментов, так и создание копий самого себя. При правильной конфигурации собранный набор атомов будет составлять живой организм.

Хотя человек состоит из клеток, на более фундаментальном уровне мы состоим из атомов. Всего в человеческом теле насчитывается около ~10 28 атомов, по количеству в нас больше всего водорода, а по массе — кислорода и углерода.

Если бы всё человеческие знания когда-нибудь были уничтожены в результате грандиозного апокалипсиса, но остались бы выжившие разумные люди, то простая передача им знаний об атомах помогла бы им не только разобраться в окружающем мире, но и начать путь к восстановлению законов физики и всего комплекса поведения материи.

Знание об атомах очень быстро приведёт к реконструкции периодической таблицы. Понимание того, что в микроскопическом мире есть, на что посмотреть, привело к открытию клеток, органелл, а затем и молекул и их атомных составляющих. Химические реакции между молекулами и связанные с ними изменения конфигураций привели к открытию как способов хранения энергии, так и способов её высвобождения, как биологических, так и неорганических.

То, на что у человеческой цивилизации ушли сотни тысяч лет, может быть открыто за одну человеческую жизнь, и это даст увлекательные намёки на будущее, когда будут открыты такие свойства, как радиоактивность или возможности взаимодействия света и материи.

Периодическая таблица элементов отсортирована таким образом (по периодам, напоминающим строки, и группам, напоминающим столбцы) из-за количества свободных/занятых валентных электронов, что является фактором номер один, определяющим химические свойства каждого атома. Атомы могут соединяться в молекулы в огромном количестве, но именно электронная структура каждого из них в первую очередь определяет, какие конфигурации возможны, вероятны и энергетически благоприятны. До 2003 г. висмут считался самым тяжёлым стабильным элементом, а сегодня мы знаем, что он нестабилен по своей природе.

Но атом — это ещё и достаточный ключ к выходу за рамки дальтоновского представления о мире. Открытие того, что атомы могут иметь разную массу, но при этом сохранять свои элементарные свойства, привело бы не только к открытию изотопов, но и помогло бы исследователям обнаружить, что атомные ядра состоят из двух различных типов частиц: протонов (с положительным зарядом) и (незаряжённых) нейтронов.

Это более глубокое открытие, чем может показаться на первый взгляд. Внутри атомного ядра существуют два типа составных частиц с почти, но не совсем одинаковыми массами, причём более лёгкая имеет положительный заряд, а более тяжёлая – нейтральный. Вокруг всего ядра вращаются электроны — частицы, имеющие одинаковый с протоном заряд и меньшую массу, чем разница масс протона и нейтрона внутри ядра.

Если взять свободный протон, то он будет стабилен. Если взять свободный электрон, то он тоже будет стабильным. А если взять свободный нейтрон, то он не будет стабильным, а распадётся на протон, электрон и (возможно) третью, нейтральную частицу.

Схематическая иллюстрация ядерного бета-распада в массивном атомном ядре. Бета-распад — это распад, протекающий через слабые взаимодействия с превращением нейтрона в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино. Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 минут, но связанные нейтроны могут быть стабильными до тех пор, пока мы их измеряем.

Это небольшое осознание, внезапно пришедшее в голову, могло бы научить вас огромному количеству знаний о фундаментальной природе реальности.

Во-первых, оно сразу же подскажет вам, что между протонами и/или нейтронами должно существовать какое-то дополнительное взаимодействие, отличное от электромагнитной. Например, существование дейтерия (изотопа водорода с 1 протоном и 1 нейтроном) говорит нам о том, что между протонами и нейтронами существует некая сила притяжения, которую нельзя объяснить ни электромагнетизмом (поскольку нейтроны нейтральны), ни гравитацией (поскольку гравитационные силы слишком слабы, чтобы объяснить такое связывание). Должна существовать какая-то ядерная сила, связывающая нейтроны.

Эта сила должна, по крайней мере, на некотором небольшом расстоянии преодолевать электростатическое отталкивание между протонами внутри одного атомного ядра: другими словами, она должна быть сильнее, чем даже (достаточно сильная сама по себе) сила отталкивания между двумя протонами. Поскольку стабильных атомных ядер, состоящих только из двух (или более) протонов, не существует, нейтрон должен играть определённую роль в стабильности ядра.

Другими словами, уже одно открытие того, что атомные ядра содержат и протоны, и нейтроны, делает необходимым существование сильного ядерного взаимодействия — или чего-то очень похожего на неё.

Отдельные протоны и нейтроны могут быть «бесцветными» образованиями, но кварки, входящие в их состав, «цветные». Глюоны могут обмениваться не только между отдельными глюонами внутри протона или нейтрона, но и в комбинациях между протонами и нейтронами, что приводит к ядерному связыванию. Однако каждый такой обмен должен подчиняться полному набору квантовых правил.

Кроме того, как только человек обнаружит, что свободный нейтрон может распадаться, или обнаружит радиоактивный бета-распад, или обнаружит, что звёзды питаются за счёт ядерного синтеза в их ядрах, он сразу же сможет сделать вывод о существовании четвёртого фундаментального взаимодействия в дополнение к гравитации, электромагнетизму и сильному ядерному взаимодействию: того, что мы называем слабым ядерным взаимодействием.

Должно существовать взаимодействие, позволяющее взять несколько протонов, слить их вместе, а затем перевести в состояние, менее массивное, чем исходные два протона, где один протон превращается как минимум в нейтрон и позитрон (антиэлектрон), и при этом сохраняются энергия и импульс. Способность превращать один тип частиц в другой, отличающийся от «суммы частей» или от «создания равных количеств материи и антиматерии», — это то, чего нельзя достичь при помощи трёх других взаимодействий. Просто изучая атомы, можно сделать вывод о существовании слабого ядерного взаимодействия.

Наиболее простая и низкоэнергетическая версия протон-протонной цепочки, в которой из исходного водородного топлива получается гелий-4. Отметим, что только при слиянии дейтерия и протона из водорода получается гелий; во всех остальных реакциях либо образуется водород, либо гелий получается из других изотопов гелия.

Для того чтобы существовала Вселенная с большим количеством типов атомов, необходимо, чтобы наша реальность обладала определённым набором свойств.

Протон и нейтрон должны быть очень близки по массе: настолько близки, что у связанного состояния протона и нейтрона, т.е. у дейтрона масса должна быть меньше, чем у двух протонов по отдельности.
Электрон должен быть менее массивным, чем разница масс протона и нейтрона, иначе нейтрон был бы абсолютно стабилен.
Более того, электрон должен быть намного, намного легче протона или нейтрона. Если бы он имел сравнимую массу, то атомы были бы не только намного меньше (вместе со всеми связанными с ними структурами, построенными из атомов), но электрон проводил бы так много времени внутри атомного ядра, что спонтанная реакция слияния протона с электроном с образованием нейтрона была бы быстрой и вероятной, а соседние атомы спонтанно сливались бы друг с другом даже в условиях комнатной температуры. (Мы видим это на примере мюонного водорода, созданного в лаборатории).
И, наконец, уровни энергии, достигаемые в звёздах, должны быть достаточными для того, чтобы атомные ядра внутри них подверглись ядерному синтезу, но не может быть так, что всё более тяжёлые атомные ядра всегда более стабильны, иначе мы получили бы Вселенную, заполненную сверхтяжёлыми и сверхкрупными атомными ядрами.

Существование Вселенной, богатой разнообразными атомами, но с преобладанием водорода, требует наличия всех этих факторов.

Анатомия очень массивной звезды на протяжении всей её жизни, кульминацией которой является сверхновая типа II (с коллапсом ядра), когда в ядре заканчивается ядерное топливо. На последней стадии термоядерного синтеза, как правило, происходит горение кремния, в результате чего в ядре на короткое время образуется железо и железоподобные элементы, после чего возникает сверхновая. Наиболее массивные сверхновые с коллапсом ядра обычно приводят к образованию чёрных дыр, а менее массивные — только нейтронных звёзд.

Если бы разумное существо из другой Вселенной впервые столкнулось с нами и нашей реальностью, то, возможно, первое, что мы хотели бы донести до него, — это то, что мы состоим из атомов. Что внутри всего, что состоит из материи в этой Вселенной, есть крошечные, маленькие образования — атомы, которые сохраняют основные свойства, присущие только данному виду атомов. Можно варьировать массу ядер внутри этих атомов и получить один и тот же вид атома, но если изменить их заряд, то получится совершенно другой атом. И что все эти атомы вращаются по орбитам с таким количеством отрицательно заряженных электронов, которое необходимо для точного уравновешивания положительного заряда в ядре.

Изучая поведение и взаимодействие этих атомов, мы можем понять практически все молекулярные и макроскопические явления, возникающие на их основе. Рассматривая внутренние компоненты этих атомов и то, как они собираются, мы можем узнать о фундаментальных частицах, силах и взаимодействиях, которые лежат в основе нашей реальности. Если бы существовала только одна информация, которую можно было бы передать выжившей группе людей в постапокалиптическом мире, то, возможно, ни одна информация не была бы столь ценной, как тот факт, что все мы состоим из атомов. В каком-то смысле это самое чудесное свойство из всех, относящихся к нашей Вселенной.

Научно-популярное
Физика

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад