Какие атомы бывают: 1. Кто такие и где встречаются

1. Кто такие и где встречаются

Атомы — элементарные кирпичики вещества — устроены, на первый взгляд, очень просто. Внутри атома тяжелое и очень компактное ядро, вокруг которого движутся несколько электронов. Законы квантовой механики говорят, что электроны не могут двигаться как угодно, а должны образовывать определенную устойчивую конфигурацию, которая имеет наименьшую энергию и сама по себе уже не развалится. Эта конфигурация называется основным состоянием атома; практически все атомы вокруг нас — именно такие. Вся химия, всё многообразие веществ и материалов возникает из того, как взаимодействуют друг с другом атомы в основном состоянии.

Однако электронную конфигурацию можно «взбаламутить», посветив на атом светом или как-то иначе передав ему дополнительную энергию. Форма электронной оболочки изменится, полная энергия атома повысится, и атом перейдет в новое состояние, которое называется возбужденным. Опять же, по законам квантовой механики возбужденные состояния не могут быть какие угодно, они должны быть строго определенными, с некоторой дополнительной энергией, зависящей от типа возбуждения. Поэтому возбужденные состояния занимают определенные энергетические уровни, причем эта лесенка уровней энергии — своя для каждого сорта атомов.

Передав атому очень много лишней энергии, его можно возбудить настолько сильно, что электрон попросту от него оторвется и улетит прочь. Такой процесс называется ионизацией, а получившийся положительно заряженный «недоатом» — ионом. Оставшиеся у иона электроны можно возбуждать дальше, но только лесенка, — или, на научном языке, спектр — возбужденных уровней энергии у него уже будет отличаться от исходного атома. Экстремальный случай возбуждения — это когда у атома отбирают вообще все электроны, и от него остается лишь голое ядро. Так бывает либо при очень высокой температуре, либо в экстремальных условиях, например, при поглощении сверхмощной световой вспышки.

То, что у каждого сорта атомов и даже у каждого типа ионов одного элемента есть свой собственный спектр возбужденных состояний, — очень помогает физикам. Это дает им исключительно удобный метод диагностики на расстоянии, без непосредственного контакта, и самого вещества, и физических условий, в которых оно находится.

Например, в глубоком космосе встречаются огромные облака частично ионизированного газа. От него идет свет, в спектре которого встречаются многочисленные линии излучения или поглощения. Расшифровав эти спектры, можно найти в них «личную подпись» каждого типа ионов, находящихся в том далеком облаке. Сравнив интенсивность линий друг с другом, можно узнать, каких ионов там больше, а отсюда оценить температуру и плотность газа. Ну а если вдруг в спектре светящихся космических облаков встретится какая-то «анонимка» — линия излучения, не соответствующая ни одному известному иону, — это производит в физике настоящий фурор. Один пример такой ситуации, которая развивается прямо на наших глазах, см. в новостях В спектрах скоплений галактик обнаружена неизвестная линия излучения и Новые результаты не подтверждают загадочную рентгеновскую линию излучения

Вещества, атомы и молекулы — Химические элементы. Атомы и молекулы. Изотопы

Тема сегодняшней лекции – «Вещества, атомы и молекулы». Мы рассмотрим такие понятия как химические элементы, их распространенность в природе, периодическая система Менделеева, моль и число Авогадро, строение атома и атомного ядра. Мы, наверно, постараемся разобраться, что такое изотопы, и чем карта нуклидов отличается от периодической таблицы. Обращаю ваше внимание на то, что существует очень интересный вопрос: что такое вещество? Мы знаем, что вещества нас окружают, но хотелось бы, чтобы мы поняли из чего они состоят. Известная фраза – «вещество состоит из атомов», однако в этой короткой фразе есть очень глубокий смысл. В свое время я прочитал «Фейнмановские лекции по физике». Вот передо мной находиться первый том книг, в которых рассказана очень интересная история. Сами книги были написаны нобелевским лауреатом Ричардом Фейнманом в 60-х годах прошлого века. В этой книге он пытается по-новому взглянуть на физику и преподавать ее для студентов, которые потом станут физиками, которые продвинут эту науку дальше, чем смогли сделать их предшественники. В самом начале в 1-й главе он пишет следующие слова: «Этот двух годичный курс физики рассчитан на то, что ты читатель, который читает данные книги, собираешься стать физиком». Положим, это не так. Но какой преподаватель не надеется на это. В введении написана интересная история. Он задался вопросом что «если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными, и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то, какое утверждение, состоящее из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшее количество информации о нашей планете?». Ричард Фейнман, ну я вместе с ним считаю, что это – атомная гипотеза. На самом деле вот это простой факт, что все вещества состоят из атомов, позволяет сделать очень много выводов, которые он аккуратно описывает в 1-й главе своих «Фейнмановских лекций». Обязательно прочитайте эту главу потому что, на мой взгляд, очень важно найти книгу, которую вы, самостоятельно прочитав, захотите заниматься какой-то наукой. Вот мой поход в физику начался с «Фейнмановских лекций», именно с введения, о котором я вам говорил. Тема, с которой я хочу начать первую лекцию, называется очень просто: «Атомы и молекулы». Вы наверно знаете, что вещества, которые нас окружают, бывают в различных состояниях: в твердом, жидком, газообразном. Однако это одно и то же вещество. Допустим, вода может находиться в различных фазовых состояниях в зависимости от условий. Если на улице очень холодно, вода превращается в лед. Вода в виде льда падает нам на голову в виде снега. При этом, если наступит потепление, то этот снег растает и вода будет окружать нас в виде наиболее известного для нас состояния — жидкости. Однако если мы нагреваем воду, она превращается в пар и пар окружает нас, находится в нашем воздухе. И очень важно понимать, что без водяного пара человеку было бы очень трудно жить, потому что он на 80 % состоит из воды. Но что же такое атомы, что же такое молекулы? Давайте возьмем большой энциклопедический словарь и прочитаем определение. Атом – частица вещества микроскопических размеров и очень малой массы (микрочастица), наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Это очень важное замечание, что атом химически неразделим. Если мы запускаем химические реакции, то атомы остаются целыми. Обращаю ваше внимание, что химическими процессами нельзя разделить атом. Поэтому мечта алхимиков – превратить свинец в золото с помощью каких-то химических процессов – была абсурдна. Они не могли это сделать методами, которые были у них под руками. Химики действительно могут много, они могут из одних и тех же атомов получать различные вещества. Они могут изменять вещества. Поэтому хотелось бы, чтобы вы понимали, что молекула – наименьшая частичка вещества, обладающая его химическими свойствами, потому что каждое вещество уникально. Допустим вода. Вода состоит из молекул, каждая молекула воды состоит из 2-х атомов водорода и одного атома кислорода. Это банальные вещи, но важно чтобы вы их поняли. И сегодняшняя наша задача познакомиться с молекулами и атомами, включая их обозначения, включая их размеры, их массы. И поэтому давайте двигаться дальше.

Астрофизик Антон Бирюков рассказал об атомах во вселенной – Москва 24, 24.12.2014

В музее «Экспериментаниум» в рамках III сезона проекта «Ученые — детям» астрофизик, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ Антон Бирюков прочитал лекцию «Карманная вселенная». На ней слушатели узнали, где, когда и как возникли атомы, чем или кем мы были миллиарды лет назад, а также о том, следы каких астрофизических событий можно обнаружить в собственном кармане.

Онлайн-трансляцию провело сетевое издание M24.ru. Приводим полную текстовую версию.

Добрый вечер, дорогие ребята, их мамы-папы и вообще взрослые. Я очень рад вас здесь видеть, огромное вас количество, совершенно не ожидал, что очень приятно. Мой рассказ я решил назвать «Карманная вселенная», как бы странно это ни звучало. Мой вопрос к вам сразу. Скажите, кто был в другом городе или, может быть, в другой стране и привез оттуда какой-нибудь сувенир? Магнитик, брелок, тарелочки. У кого больше одного сувенира в доме? А больше десяти? Вообще здорово.

Сувенир, действительно, замечательная вещь. Во-первых, это память какая-то о поездке, о том, что она состоялась, а во-вторых, это некая частица того места, в котором вы были, из которого вы уехали и которое находится где-то далеко. Я недавно был в городе Казани и привез оттуда просто магнитик. Казалось бы, вещь-безделица, но он был сделан там, он там находился в магазине, потом мне дали его в руки, я с этим магнитом ходил, то есть это некая частица этого города. И приятно, в общем-то, когда в доме остается часть чего-то, когда в любой момент можно взять и прикоснуться, то есть некое материальное выражение этой поездки.Но сувениры бывают не только про место. Сувениры бывают еще про время, в котором, может быть, мы никогда не были, никогда не будем, но, тем не менее, очень интересном. И вот один такой сувенир я сегодня принес вам. Я немного увлекаюсь коллекционированием монет. Здесь ее фотография, вот она у меня в руках, можно потом подойти и потрогать, только не уносите. Это медная монета, называется она деньга, это половина копейки, тогда были такие цены. Сделана она была в 1739 году, что на ней прямо и написано. 275 лет назад. Это давно, никто из нас в то время не жил. Наши дедушки-бабушки тоже тогда не жили. Тем не менее, время это было замечательное.

Те из вас, кто учит историю, знают, что тогда правительницей была императрица Анна Иоанновна, и в это время жило и работало огромное количество замечательных людей. Например, Михаил Васильевич Ломоносов, именем которого назван тот университет, в котором я работаю, наш замечательный ученый. Возможно, вы про него слышали, кто-то из вас изучает математику, был такой замечательный математик Леонард Эйлер, он работал в Санкт-Петербурге. И то, как вы сейчас изучаете математику, и то, как я изучал математику, эта система была создана именно им именно тогда, в 1739 году, из того времени, откуда пришла и эта монета. Кто-то из вас, возможно, был в Петербурге, был в Эрмитаже. Его построил архитектор Растрелли. Он тоже в это же время там был и работал. Возможно, вы слышали о таком композиторе – Иоганн Себастьян Бах. Он в это время работал в Германии. Его соотечественник на тот момент Иммануил Кант – это замечательный философ, он тогда готовился стать студентом университета. Много замечательных людей. И вот от того времени у меня в руках осталась эта монета. Возможно, кто-то из них ее держал в руках, вот именно ее. Возможно, я держу эту монету и поздоровался с Михаилом Васильевичем Ломоносовым, замечательное на самом деле чувство.

Но так ли стара эта монета, какой нам она кажется? 1739 год – 275 лет, достаточно много. Но давайте посмотрим. Она сделана из меди. Медь – это вещество или, как говорят, химический элемент, на латыни его обозначают Cu, cuprum. Например, делают провода. Вот провода в этой комнате наверняка сделаны из меди. Это металл. Есть и другие металлы, например, алюминий. Иногда провода делают из алюминия. Они похожи, но алюминий подходит больше для создания консервных банок для какой-нибудь газировки, например. Вещество может быть не обязательно металлом. Если вы покупали шарик воздушный, который сам тянется куда-то улететь, он наполнен гелием – это газ. Это другое вещество и химический элемент. Возможно, у вас или ваших мам есть золотые кольца. Золото – это еще один элемент. Вы все пишете карандашом, его грифель – это углерод, тоже один из элементов, из которого сделан наш мир. Вот что интересно, этот бриллиант – камень в кольце – это тоже углерод, правда, он собран чуть-чуть иначе. Представьте себе кусок теста и булочку из этого теста. Вроде ничего в булочку больше не добавляли, тот же самый кусок теста, но, тем не менее, они все-таки разные. Так же различаются алмаз или бриллиант после огранки, и углеродный грифель карандаша.

Есть большое количество элементов, чуть больше сотни, 120 элементов. Из этих разных элементов и собран весь наш мир. Собрано все то, что нас окружает, и этот компьютер, и мы сами, и эти плафоны, и эта монета, и все, что сейчас стоит у меня на столе. Всего лишь из 120 различных элементов. Мы, в основном, их добываем из земли. Эта монета, прежде чем стать монетой, были специальные люди – горняки, они собрались, залезли в шахту. Если из нашей Земли вырезать кусок, то в верхнем слое собрана большая коллекция всевозможных элементов. Больше всего кислорода, но в том числе та же самая медь, то же самое золото. Люди спускаются под эту землю и достают такие самородки, которые потом можно переплавить и сделать из них монеты, провода, что угодно. Углерод, прежде чем стать то ли карандашом, то ли кольцом, тоже добывается сначала либо в таком вот виде – это каменный уголь, либо в таких кристалликах – это алмаз. Это и это углерод. То есть, получается, монета, о которой мы говорим, что она старая, это память о XVIII веке, то вещество, из которого она сделана, медь, до того, как стать монетой, находилась в земле и находилась, наверное, достаточно долго, потому что наша планета, как считают ученые, как считаем мы, астрономы, вместе с нашим Солнцем образовалась где-то 4,5 миллиарда лет назад. Это гораздо больше, чем 200 лет, чем 300. Солнце образовалось несколько раньше. Что происходило? В космосе летало большое-большое облако газа, типа как облако тумана. На самом деле это не просто газ был, там еще пыль была, похожая на ту пыль, которая в доме. Оно было очень большое и в какой-то момент начало сжиматься. Она начала сжиматься, образовался такой блин, оно сжималось не совсем симметрично, в центре зажглось Солнце – большой раскаленный газовый шар, и вокруг него оказался блин из такого же газового облака. Он начал крутиться и в нем, как снежный ком, из этой пыли, из этого газа накрутился такой большой снежок в виде нашей планеты и не только. Так образовалась наша Земля.

Как вы думаете, эта медь, это вещество в этом облаке уже было 4,5 миллиарда лет назад или возникло потом у нас Земле? Оно существовало в этом газовом облаке. Вот этому веществу, этому кусочку меди, вернее, частицам, из которого он сделан, на самом деле миллиарды лет. И он несет в себе память не только о том, как его отлили, не только о Михаиле Васильевиче Ломоносове, но и о том процессе, как формировалась наша планета, наша планетная система, как формировалось наше Солнце.

Ссылки по теме

Что значит вещество? Если мы возьмем любой материал, чистый материал, вот у меня здесь находится кусочек алюминия, из которого делают консервные банки, эта алюминиевая фольга у всех дома есть наверняка. Если вы посмотрите на этот лист алюминия под очень большим увеличением через очень сильный микроскоп, который называют электронным, есть еще сканирующий микроскоп, вы увидите такую картинку: такие стройные ряды каких-то маленьких то ли шариков, то ли кружочков, которые образуют равномерную сетку. Масштаб здесь показан – одна миллиардная часть метра. Это микроскоп улавливает. Эти частицы, из которых сделан лист, называются атомы. Атомы и есть те строительные кирпичики, из которых состоит весь наш мир. И когда мы говорим, что у нас есть медная монета или алюминиевый лист, это означает, что монета сделана из атомов меди, а лист сделан из атомов алюминия. То есть атомы бывают разные: бывают атомы гелия, атомы углерода. Что значит разные? Атом сам по себе – это не просто какой-то шарик, который есть и есть и ничего про него больше сказать нельзя. Они различаются по своему внутреннему строению. Здесь нарисован атом вещества бериллия, мы к нему еще вернемся, достаточно замечательный элемент. Как он устроен, считают ученые? Атом очень похож на нашу Солнечную систему. В центре есть ядро. Ядро состоит из частиц, которые называются протоны и нейтроны. Вот, например, атом углерода. Здесь синим цветом показаны протоны, положительно заряженные и не несущие заряд нейтроны. То есть ядро атома – это некий комок, слепленный из протонов и нейтронов. Главное в каждом атоме то, сколько там протонов. В бериллии их четыре. И с другой стороны, любое ядро атома, в котором четыре протона, это всегда бериллий. Не бывает алюминия с четырьмя протонами. В углероде всегда шесть. Не бывает углерода с другим числом протонов. Если там будет четыре протона, это уже будет бериллий, а не углерод. И все свойства этого вещества определяются именно тем, какое количество протонов находится в ядре этого атома. А вокруг ядра по своим орбитам, как планеты вокруг Солнца, вращаются маленькие электрончики. Как правило, в бериллии их четыре, здесь нарисовано три, может быть вообще ни одного, может быть пять. Это количество варьируется. Количество нейтронов тоже может быть разным, а вот количество протонов должно быть всегда определенным.
Еще иногда говорят, что электроны двигаются по так называемым электронным оболочкам, но это мелочи. И в конечном итоге, атомы могут иметь такой странный вид, эти шарики, в центре имеют слепленное ядро – это атом висмута, здесь 83 протона, 126 нейтронов, то есть это большой комок, главное, что 83 протона, и вокруг него 83 электрона вот по таким странным орбитам. На одной орбите может сидеть несколько электронов. Это достаточно тяжелый элемент, тяжелее свинца, это самый тяжелый из стабильных элементов.

Все элементы, которые мы знаем, ученые-химики собирают в виде такой таблицы, называется периодическая таблица химических элементов. Здесь их 118. На самом деле гипотетически открыто три-четыре элемента, но мы можем считать, что их на самом деле 118. В такую таблицу они собираются неслучайно. Все элементы, которые находятся в одном столбце, имеют приблизительно одинаковые свойства. Углерод – это основа нашей жизни, очень многое в нашем организме сделано из углерода. Он очень похож на кремний. Кремний – это элемент, из которого делается компьютер, его много в мобильных телефонах, которые у вас сейчас в карманах находятся. Как же возникает это разнообразие атомов, и как вообще можно измерить их возраст? Я подвожу к мысли о том, что все вещи, которые нас окружают, несут в себе память и представляют процесс не только того, как их сделали (отлили лист фольги или отчеканили монету), они представляют память о том, как вообще образовывались атомы меди, алюминия, углерода и многих других. И здесь понять это нам как раз помогает астрофизика. Как и полагается, нужно начать с самого начала. Все началось давно, 14 миллиардов лет назад. 14 миллиардов лет назад родилась наша вселенная. Компания «РИА Новости» нарисовала очень хорошую картинку, думаю, они не обидятся, если я ее использую. В это время, как считается, вселенная была очень маленькая, по сравнению с тем, как сейчас, очень компактная, очень горячая. Она была похожа чем-то на звезду, сама себе звезда. Там было большое количество как бы вещества, которое постоянно летало, сталкивалось, что-то там взрывалось, что-то светилось. Это, правда, продолжалось не то чтобы долго, и где-то в пределах одной секунды время на этой картинке идет по радиусу: ранние стадии, чуть попозже, еще позже, вот это несколько минут, этот кусок – уже сотни тысяч лет, и, наконец, до наших времен, когда возникли галактики и звезды, это уже миллиарды лет существования вселенной.

Так вот, нам интересен этот промежуток – буквально несколько микросекунд, это миллионные доли секунды, это очень мало. В этот промежуток образовались первые атомы. И первые атомы, которые образовались, были атомы водорода – самого легкого элемента. Кто-нибудь знает, где в самой простой вещи, которой каждый из вас пользуется каждый день, видел, находится водород? Совершенно верно, в воде. У меня тут есть бутылка с обыкновенной водой, я надеюсь, что обыкновенной, когда я ее покупал. Она по числу частиц на две трети состоит из атомов водорода. Так вот, практически половина из этих атомов водорода, которые находятся именно здесь, в этой бутылочке, это атомы, которые родились 13,5 миллиарда лет назад во время большого взрыва. Они дожили до наших дней. Их собрали, сделали из них воду и налили в бутылочку. То есть у меня есть какое-то количество вещества с того времени, когда вселенная только зарождалась. Вместе с атомами водорода родились и атомы гелия – второй самый легкий элемент. Но это немного не тот гелий, которым надувают шарики. Гелий, которым надувают шарики, возник немного позже, и вот как. В какой-то момент, когда вселенная перестала быть достаточно горячей, она немного успокоилась, остыла, начали возникать звезды. Звезды так же, как возникло наше Солнце: было большое газовое облако, но тогда оно состояло только из водорода и гелия. Это наше Солнце образовалось, там был водород и гелий, и медь, и алюминий, и углерод, и много чего. А тогда был только водород и гелий, это облако начало сжиматься само собой, и в какой-то момент возникла, зажглась первая звезда. То есть это то же самое газовое облако, только очень маленькое, очень компактное, очень плотное. Что значит зажглась? Казалось бы, просто газовый шар, чему там гореть? Оказывается, происходит вот что: в центре звезды, в самом ее ядре (это взяли Солнце и сделали его разрез, у него есть некое ядре) находится все то же самое, что находится в других частях звезды – атомы водорода и гелия, но там очень горячо. Вернее, там очень тесно, они стремятся, двигаются и постоянно друг с другом сталкиваются, потому что там очень тесно. А сталкиваясь друг с другом, они умеют слепляться. Были два атома водорода, два протона, летели-летели, сцепились, полетели дальше. И вот здесь начинается некоторое волшебство. Дело в том, что эти протоны и нейтроны, из которых мы состоим, они умеют превращаться друг в друга. Когда сталкиваются два протона, один из них превращается в частицу нейтрона и получается такая пара – протон и нейтрон. Это все еще водород, в котором есть один нейтрон. Если они столкнутся еще с одной частицей протона, тогда возникнет такой конгломерат – два протона и один нейтрон. Это уже не водород, потому что число протонов другое. Это уже гелий. И столкновение двух таких частиц (они называются гелий-3, потому что по три частицы) родит обычную частицу гелия – два протона, два нейтрона. Смотрите, что произошло. У нас были обычные частицы – протоны, самые простые, которые родились в момент рождения вселенной. Природа сделала так, что им стало тесно, они начали сталкиваться и слепляться в частицы более тяжелые, более сложные. Был водород, образовался гелий. То, что происходит, называется термоядерная реакция или реакция горения, или реакция синтеза элементов. То есть в звездах возможна такая ситуация, когда более легкие частицы слепляются и образуются более тяжелые и, таким образом, из более легких элементов типа водорода и гелия можно образовывать более тяжелые. Например, ядра гелия тоже можно столкнуть и получить ядро бериллия. А к нему можно присоединить еще одно гелия и получить углерод, тот самый грифель.

Так вот, тот грифель в карандашах, которым вы пишете, или те камни алмазные в украшениях ваших мам, они образовались в звездах именно таким образом – давно, миллиарды лет назад их частички были слеплены сначала от просто протонов, потом ядер гелия. А вот ядра бериллия, к сожалению, не сохраняются. Природа так сделала, что это ядро живет очень недолго, и дай боже ему дожить до того, чтобы с ним столкнулось еще одно ядро гелия. Тем не менее, бериллий у нас во вселенной есть, правда, это самый редкий элемент во вселенной. То есть, можно сказать, самый дорогой, по идее, должен быть, даже не алмазы, не золото, еще можно придумать какой-то элемент, а именно бериллий. В конечном итоге, в звезде, как в котле, начинают вариться элементы, и возникает такая ситуация, что в верхнем слое, где температура была поменьше и было не так тесно, остался водород. Чуть поглубже водород, что называется, выгорел, превратился в гелий. Чуть поглубже гелий смог превратиться в углерод, а здесь не смог, таким и остался. И возникли такие слои: углерод, неон, кислород, которым мы дышим, кремний, из которого сделаны компьютеры, и железо. А вот железо уже ни во что превратиться не может. То есть получился такой объект: в центре большой железный шар, болванка размером тысячи километров, и вокруг него такие оболочки из кремния, кислорода, углерода и так далее. Что происходит с такими звездами? В какой-то момент через несколько миллиардов лет звезда начинает терять возможность перерабатывать вещество, этот котел потихоньку остывает, и звезда начинает потихоньку расползаться. Это вещество, эта оболочка начинает спадать, порождая для нас такие потрясающие картины. Это называется планетарная туманность, в данном случае это туманность Кошачий глаз. В центре очень старая звезда, с поверхности которой вот таким странным образом начинает истекать вещество. Это то самое наработанное вещество, которое просто выбрасывается в космос. Я сейчас говорю о звездах, которые не очень массивные, они взрываться не могут, они скорее превращаются в красного гиганта и потихонечку расползаются вот в таком виде – туманность Песочные часы, или в таком – знаменитая планетарная туманность Кольцо. Но планетарными назвали раньше, потому что думали, что здесь как бы звезда, а из этого диска в какой-то момент образуются планеты.

На самом деле, нет, они не образуются. Это вещество – оболочка, которую сбрасывает звезда. И вместе с ней в космос выбрасываются все созданные элементы, как фабрика выбрасывает продукцию. Вот в таких звездах маломассивных те элементы, которые были выброшены, потом попали к нам на Землю. Они попали в облако, из которого было сделано Солнце и наша Земля, и вот что нам попало, например, попали азот и кислород. Наша комната сейчас наполнена воздухом, мы дышим воздухом. Тут очень много частиц, в каждом кубическом сантиметре 1019 частиц, это очень много. Эти все частицы, практически все из них, были однажды выброшены в рамках такой планетарной туманности одной из маломассивных звезд. Вот именно те частицы, которые присутствуют здесь у нас в комнате.

Натрий и хлор. Возможно, маленьким слушателям эти слова еще не все говорят, я скажу просто – соль. Вот в колбочке обычная поваренная соль. Соль – это соединение натрия и хлора, двух элементов. И эта соль, эти частицы тоже когда-то были в планетарной туманности, 7 миллиардов лет назад. И теперь они у меня сейчас здесь, я их вам показываю. Там же выбрасывается кремний. Это достаточно легкий элемент, и поэтому компьютеры, мобильные телефоны, все полупроводниковые устройства когда-то были такой же планетарной туманностью. Не подобные атомы, а именно те, которые находятся сейчас здесь у нас. Как ни странно, из таких маломассивных звезд выбрасывается элемент – титан. 4 октября 1957 года был запущен первый искусственный спутник Земли – началась космическая эра. Правда, сегодня не круглая дата, но, тем не менее, это годовщина. Вот титан считается таким космическим элементом.

Если вы поедете на ВДНХ в Музей космонавтики, там будет памятник – взлетающая ракета. Вот она сделана из титана. Из него очень любят делать космические корабли. Первый спутник, правда, был сделан из алюминиевого сплава, но тем не менее. Или на Ленинском проспекте есть высоченный памятник Гагарину, он тоже сделан из титана. Но в нашем быту титан важен тем, что из него очень часто делают белила – обыкновенную белую краску непрозрачную. Вот этот лист белый, он белый и непрозрачный, скорее всего, потому, что здесь находится титан. То есть вот этот белый лист – это тоже планетарная туманность несколько миллиардов лет назад. Или, может быть, несколько планетарных туманностей, соединенных воедино.

И наконец, из такой же планетарной туманности выходят элементы, важные для нас самих, для тех частиц, из которых состоим мы. В первую очередь это углерод, фтор, фосфор, сера, но не железо. Мы живые существа, так называемая органическая жизнь. И очень важная составляющая нашего организма – это углерод. Большинство этих частиц, из которых состоим мы, когда-то были рождены в недрах одной из таких маломассивных звезд, и со временем попали на землю, попали в нас. Воздух в комнате – это смесь, которая лишь на четверть состоит из кислорода, но для жизни важен именно кислород. Это что касается маломассивных звезд. В них, как я уже сказал, образуются элементы до железа, причем железо, в общем-то, не улетает. А наша кровь, как мы знаем, она красная, потому что в ней есть железо. Вопрос: если железо не вылетает, как оно в нас попало? А попало оно к нам из других звезд. Не все звезды заканчивают свою жизнь таким спокойным образом. Если звезда достаточно тяжелая, достаточно массивная, живет она недолго, но умирает она ярко. В звездах почти как у людей – чем больше масса, тем короче жизнь. Поэтому следите за своей массой. И вот один из таких примеров – так называемая вспышка сверхновой звезды. Жила-была звезда (на фотокартинках) и 24 февраля 1987 года вспыхнула. По сути, звезда взорвалась. Звезда не смогла больше перерабатывать вещество, и она практически полностью разлетелась. И вот следы этого разлета мы до сих пор можем наблюдать. Эта центральная область – это газовая оболочка, которая разлетается и будет дальше и дальше расширяться. Так взрыв звезды представляет себе художник, а такие оболочки астрономы наблюдают реально в космосе при помощи космических телескопов. Это просто вещество, которое было наработано и взрывом было выброшено в космос, которое потом может пойти на строительство других звезд, планет и всего того, что на этих планетах происходит.

Уже сейчас понятно, что когда взрывается звезда, образуется практически все. Выбрасывается огромное количество элементов, в том числе которые потом станут кометами. И да, действительно на кометах может быть вода. Но во время взрыва массивных звезд интересно то, что не просто выбрасывается вещество, но могут образовываться другие элементы, гораздо более тяжелые.
Например, та же самая медь или какой-нибудь кобальт образуются именно в момент вспышки сверхновой. Медную монету я показывал, а в качестве примера кобальта могу показать такую кружечку для минеральной воды. Она синего цвета. Если вы видите где-то старую синюю краску, скорее всего, она синяя, потому что в ней находится кобальт. Эта кружка содержит достаточно большое количество этого вещества, и это то самое вещество, которое когда-то вылетело во время вспышки сверхновой звезды не очень далеко от того места, где родилось наше Солнце. То есть это память о том событии, о таком взрыве, она у меня дома есть и принимает на данный момент такие формы.

Как это происходит? Это, наверное, самый сложный момент во всей лекции. Я даже не буду говорить, как это называется по-научному, но, как я уже говорил, важно количество протонов. Представьте себе, что есть железо. В железе находится 26 протонов и какое-то количество нейтронов, например, 30. Когда звезда взрывается, вещество начинает разлетаться, там из частиц возникает очень сильная толкучка. Они там все в панике, ну еще бы, взрыв все-таки, они не знают, куда им деваться, они начинают быстро летать и сталкиваться друг с другом. И вполне возможна такая ситуация, что к ядру атома железа присоединится один нейтрон. Оно не перестанет быть железом, оно просто станет железом, в котором нейтронов не 30, а 31. Так может повториться несколько раз – 32 нейтрона, 33, то есть всего 59 частиц, а не 56, но после чего один из нейтронов превращается в протон, количество протонов увеличивается и уже превратилось в кобальт. Так возник новый элемент.

Этот процесс может повториться и идти дальше, например, до меди. Именно таким образом возникает медь, возникает медная монета. Вот, собственно, как образуется то вещество, те частицы, из которых состоим мы сами, из которых состоит наш мир. Часть из них образуется в звездах маломассивных и просто спокойно рассеивается типа того же самого титана или алюминия и соли. Элементы более тяжелые типа меди и кобальта образуются в грандиозных вспышках сверхновых звезд. И все те частицы, из которых сейчас состоим мы и те предметы, которые находятся у меня на столе, образовались несколько миллиардов лет назад во время одного или нескольких таких событий. Потом те атомы, которые образовались, они могут образовываться в молекулы. Вода – это соединение двух атомов водорода и атома кислорода. Этот процесс уже может идти на земле, потому что этот процесс идет за счет электромагнитных сил, а не за счет сил ядерных. Вот на земле ядерные реакции практически идти не могут, именно поэтому все атомы, которые у нас образовались, те атомы, которые есть, они образовались в звездах. Но это не единственное событие, память о которых у нас здесь на столе есть. Есть еще одно, по крайней мере, интересное астрофизическое, астрономическое событие или явление, память о котором есть прямо у нас здесь. Вы помните, что в «Волшебнике изумрудного города», по логике, весь город был усыпан изумрудами. На самом деле он был усыпан стекляшками, но просто им давали зеленые очки. Но будем считать, что он был все-таки изумрудный, то есть он был сделан из изумрудов. А откуда возникли те же самые изумруды? Этот город – это памятник какому астрономическому явлению? Изумруды образовались не в маломассивных и не в массивных звездах. То, что мы сейчас называем изумрудом, по большей части образовалось в рамках другого явления. Их тоже добывают из земли в виде таких самородков, потом их очищают, огранивают, и вот у меня есть вполне настоящий изумруд, ничуть не хуже, чем те, которые находятся здесь.

Что это такое? С точки зрения ученых, это минерал. И главная составляющая в этом минерале (там атомы разных типов) – бериллий. Тот самый бериллий, который я уже два раза показывал, в котором четыре протона и четыре нейтрона, который очень редкий и который не образуется в звездах. Смотрите, что может произойти. Жила-была галактика, типа такой, – это галактика М33, очень похожа на нашу, и в какой-то момент в ней вспыхивает яркая звезда. Это сверхновая звезда взрывается. Из нее начинают вылетать частицы, то есть образуются новые частицы, и уже начинают вылетать вновь образованные достаточно тяжелые частицы. Они вылетают, начинают лететь по галактике, они называются космические лучи. В принципе, эти частицы, тяжелые ядра, слепленные из большого количества протонов и нейтронов, могут столкнуться с кем-то, с более легкой частицей, с таким же протоном, мало ли что у нас в галактике летает, с пылинкой, еще чем-то. Они сталкиваются и разлетаются на осколки. Вот осколки могут быть уже ядрами поменьше. И часть этих осколков – это ядра бериллия и лития, тоже достаточно редкий элемент, который в звездах практически не образуется. Бериллий потом переходит в изумруды. Литий потом переходит в те же самые мобильные телефоны, в них находится аккумулятор, литиевый аккумулятор. То вещество (литий), из которого он сделан, было образовано в рамках таких столкновений у нас в галактике более тяжелых частиц с более легкими. То есть, прежде чем прилететь к нам на Землю и стать аккумулятором, эти частицы прошли очень долгий путь во многие тысячи световых лет.

В результате таблица химических элементов для астрономов выглядит немного в другой раскраске. Здесь каждым цветом показано то, как произошли эти элементы. Водород и гелий – считается их первичное происхождение, что они родились еще в момент происхождения вселенной. Более легкие элементы, которые показаны с розовым цветом, образовывались в маломассивных звездах. Естественно, они пересекаются с более тяжелыми, которые возникали в массивных звездах, сверхновых. Какие-то элементы в маломассивных звездах не вырабатываются. Например, в нашем Солнце железо никогда не будет выработано, но, тем не менее, свою водородно-гелиевую оболочку оно скинет через несколько миллиардов лет. Но помимо этого, здесь есть несколько элементов, которые показаны серым цветом. Это элементы, которых в природе нет. Что это значит? Казалось бы, в природе их нет, а в таблице они есть. Это элементы, которые в природе, скорее всего, не образуются. Они были созданы и открыты у нас на земле человеком в лабораторных условиях. Люди начали экспериментировать: давайте возьмем несколько разных тяжелых атомов и будем их сталкивать, вдруг они слепятся во что-то очень тяжелое. И действительно это получается сделать.

В качестве примера очень часто таким элементам дают имена известных ученых – к примеру, элемент менделевий, в котором содержится 101 протон, вокруг которых вращается 101 электрон. Единственная фотография, которую я нашел, это такой слегка светящийся голубоватым светом кусочек металла. Это вообще металл. Эйнштейний – это тоже металл, он тоже светится. Дело в том, что эти элементы радиоактивны, нестабильны и живут недолго. Менделевий живет лишь полтора месяца, потом половина его распадается. Этих элементов очень мало, их зачастую получают несколько атомов, но, тем не менее, для ученых достаточно, для того чтобы считать, что они открыты. И нельзя сказать, что то, что окружает нас, из них сделано. Поэтому по большей части, на 99%, те частицы, те элементы, те атомы, из которых состоим мы, из которых состоит все окружающее нас пространство, они хотя бы один раз уже побывали в недрах звезд, таких же звезд, которые вы видите, когда выходите ночью, за городом. Видите Млечный путь, видите звезды, в которых прямо сейчас образовываются такие же элементы.
И если меня спрашивать, не хотел ли бы я стать звездой, то я обычно отвечаю: спасибо, я ею уже был. На этом у меня все. Спасибо за внимание.

О чем мечтает доктор Хаус: Книги: Культура: Lenta.ru

Из чего состоят живые тела и при чем тут углерод? Что такое генетический код, кто такие вирусы, как устроено эволюционное древо и почему произошел кембрийский взрыв? Книга Сергея Ястребова «От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни» дает ответы на эти и многие другие вопросы. «Фокусом» рассказа служит эволюция жизни на Земле: автор считает, что только под этим углом зрения самые разные биологические проблемы обретают единый смысл. Книга вышла в финал премии в области научно-популярной литературы «Просветитель». С разрешения издательства «Альпина Нон-фикшн» «Лента.ру» публикует фрагмент исследования.

Из чего состоят живые организмы?

Ответить на это очень легко: живые организмы, как и неживые тела, состоят из атомов.

Значение этого утверждения, что называется, трудно переоценить. Нобелевский лауреат Ричард Фейнман говорил в начале своих знаменитых «Фейнмановских лекций по физике»: «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза (можете называть еe не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать в другому».

Сказанное Фейнманом, конечно, правда. Однако любое научное утверждение обязано иметь те или иные границы применимости. Поищем их и тут. Атомная гипотеза — это великое достижение человеческой мысли, но целиком ли Вселенная состоит из атомов? И все ли живые организмы состоят только из них?

На первый из этих вопросов ответ, как ни странно, будет однозначно отрицательным. Начнем с того, что наша Вселенная возникла в результате Большого взрыва примерно 13,8 миллиарда лет назад, и с тех пор ее состав сильно изменился. Насколько можно судить, в первые 300 000 лет во Вселенной не было ни одного атома (хотя были частицы нескольких других типов). Но и после того, как атомы возникли, они не стали главной составляющей космоса. По данным космической обсерватории «Планк», нынешняя Вселенная на 4,9 процента состоит из обычных элементарных частиц, способных сложиться в атомы, на 26,8 процента — из темной материи (которая не проявляет никаких наблюдаемых свойств, кроме массы) и на 68,3 процента — из темной энергии (про которую вообще непонятно, связана ли она хоть с какими-нибудь материальными телами). Грубо говоря, Вселенная состоит из обычных атомов не больше чем на 5 процентов.

Подчеркнем, что эти соотношения отражают современное положение вещей. Несколько миллиардов лет назад они наверняка были иными, ведь Вселенная непрерывно развивается; это подтверждается и расчетами на основе общей теории относительности, и прямыми наблюдениями космического реликтового излучения. Итак, данные исследований показывают, что сейчас части Вселенной, построенные из обычного вещества, представляют собой, по сути, всего лишь острова среди океанов темной материи и темной энергии, в глубины которых людям еще только предстоит заглянуть. (Между прочим, именно о таких исследованиях мечтает доктор Хаус в первой серии восьмого сезона знаменитого сериала.)

А вот на наш второй вопрос — все ли живые системы состоят из атомов? — ответом будет уверенное «да». В этом плане биологический мир гораздо менее разнообразен, чем физический. Любое живое существо построено из атомов, и только из атомов, в полном соответствии с классической атомной гипотезой. Примеры иных, не атомных форм жизни можно пока найти лишь в научной фантастике. Например, в великом романе Станислава Лема «Солярис» упоминаются живые существа, созданные не из атомов, а из очень легких элементарных частиц — нейтрино. Но это не более чем мысленный эксперимент, поставленный писателем. В реальной биологии нам приходится иметь дело только с атомами и их устойчивыми сочетаниями, которые называются молекулами. А из молекул, в свою очередь, складываются вещества. Как писал тот же Фейнман, любое вещество — это свой тип расположения атомов.

Фото: Peter Macdiarmid / Getty Images

Мир атомов довольно разнообразен. На момент написания этих строк ученым известно 118 видов атомов, которые принято называть химическими элементами. Правда, в живых телах встречаются далеко не все из них, а те, что встречаются, распределены там очень неравномерно.

Хорошая новость заключается в том, что атомы часто бывают очень долговечными. В тех процессах, которые непосредственно изучает биология, они почти никогда не распадаются, не возникают заново и не превращаются друг в друга. Это не означает, что они не превращаются друг в друга вообще никогда: очень скоро мы увидим, что, если бы не было взаимных превращений атомов (точнее, их ядер), во Вселенной не смогла бы возникнуть жизнь. Однако для понимания того, как устроены живые тела, нам будет вполне достаточно учитывать взаимодействие готовых и неизменных атомов между собой.

Кратко про атомы

Итак, атомы.

Уже довольно давно известно, что они состоят из трех типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны — частицы относительно массивные, любой из них примерно в 1800 раз тяжелее электрона. Из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, а из электронов — внешняя оболочка атома, которую обычно прямо так и называют электронной оболочкой. Электроны, образующие оболочку, перемещаются вокруг ядра по чрезвычайно сложным траекториям, но, как правило, не слишком от него удаляясь.

Самое важное для нас свойство элементарных частиц даже не масса, а электрический заряд. Здесь действуют абсолютно четкие и очень простые закономерности.

• Протон электрически заряжен положительно, электрон — отрицательно, а нейтрон не имеет никакого заряда.

• По величине отрицательный заряд электрона строго равен положительному заряду протона. Принято считать, что протон имеет заряд +1, а электрон –1.

• Число электронов в атоме по умолчанию равно числу протонов, так что заряд целого атома равен нулю. Если же число электронов отличается от числа протонов, значит, перед нами не просто атом, а заряженная частица — ион.

Физики еще в XVIII веке выяснили, что электрические заряды бывают двух типов: положительные и отрицательные. Также они обнаружили, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Этот закон называется основным законом электростатики, или законом Кулона (на самом деле он записывается формулой, позволяющей точно определить силу притяжения или отталкивания, но мы тут обойдемся без математики). Закон Кулона действует где угодно, в том числе и внутри атома. Собственно говоря, электроны и протоны потому и образуют единый атом, что они электростатически притягиваются друг к другу. Для справки добавим, что протоны и нейтроны «склеиваются» в атомное ядро притяжением совсем другого рода — так называемым сильным ядерным взаимодействием, которое на маленьких расстояниях гораздо мощнее электростатического. Именно поэтому протоны в ядре держатся вместе, несмотря на отталкивающую их друг от друга кулоновскую силу.

Фото: Peter Macdiarmid / Getty Images

Самый главный параметр любого атома — это число протонов, или атомный номер (Z). Величина Z однозначно определяет положение данного атома в периодической системе элементов, то есть в таблице Менделеева. Как мы уже знаем, число электронов обычно равно числу протонов. А вот что касается числа нейтронов, то оно может при одном и том же числе протонов быть разным. Атомы, имеющие одинаковый атомный номер, но разное число нейтронов, называются изотопами. Если слово “изотопы” не упоминается, значит, число нейтронов нам в данном случае неважно. Все атомы, имеющие одинаковое число протонов, по определению относятся к одному химическому элементу.

Самый простой из всех возможных атомов — водород (Z=1). Он состоит из одного протона и одного электрона. Нейтронов в нем может не быть вовсе (хотя могут и быть, в зависимости от того, какой это изотоп). Если лишить обычный простейший атом водорода его единственного электрона, от него останется положительно заряженный ион, в данном случае представляющий собой не что иное, как “голый” протон.

Еще в начале XIX века английский химик и врач Уильям Праут выдвинул опередившую свое время гипотезу, что атомы всех других химических элементов образуются в результате объединения того или иного количества атомов водорода. И он был не так уж далек от истины. Все атомы действительно состоят из однотипных частиц, самый простой возможный набор которых дает не что иное, как атом водорода (Z=1). Второй по сложности атом — гелий (Z=2), третий — литий (Z=3), ну а дальше в нашем распоряжении вся таблица Менделеева. Самые тяжелые атомы содержат больше сотни протонов и около двух сотен нейтронов. Но с такими чудовищами мы в биологии не встретимся.

Химические связи

Самый важный для нас способ взаимодействия атомов называется ковалентной связью. Это связь, образуемая общей парой электронов — по одному от каждого из двух атомов. Можно считать, что электроны этой пары принадлежат обоим атомам сразу. На графических формулах, отображающих строение молекул наглядно, ковалентную связь обозначают простой чертой между символами химических элементов. Именно такими связями и соединены атомы в большинстве обычных молекул. Пример — молекула водорода. Она состоит из двух атомов водорода (H), образующих единственную ковалентную связь между собой: H–H, или сокращенно h3.

Иногда ковалентные связи бывают двойными — образованными сразу двумя парами электронов — или даже тройными — образованными сразу тремя парами. Чем выше кратность связи, тем эта связь при прочих равных условиях прочнее. Двойные ковалентные связи встречаются в биологии очень часто. Тройные — намного реже, но знать об их существовании все-таки не помешает. На графических формулах двойные и тройные связи обозначают, соответственно, двойными или тройными черточками между символами атомов. Например, между атомами кислорода (O) вполне может образоваться двойная связь. В результате получится молекула O=O, или сокращенно O2. Кстати, это и есть тот самый атмосферный кислород, которым мы дышим.

Гораздо реже ковалентной (по крайней мере, в живой материи) встречается ионная связь, представляющая собой электростатическое притяжение заряженных частиц. Мы уже знаем, что по закону Кулона одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Поэтому положительно заряженная частица (катион) и отрицательно заряженная (анион) обязательно притянутся друг к другу. Уже упоминалось, что ионом называется любая самостоятельно существующая частица, в которой число электронов отличается от числа протонов. Сам этот термин, предложенный Майклом Фарадеем, происходит от греческого слова, означающего “идущий”: в растворе, через который пропущен электрический ток, положительно заряженные ионы движутся к отрицательному полюсу, а отрицательные — к положительному. Атом становится ионом, если он приобрел лишний электрон или, наоборот, часть своих электронов где-то потерял.

Отличный пример ионной связи демонстрирует всем известная поваренная соль NaCl (натрий хлор), формулу которой можно переписать как [Na+][Cl–]. Это означает, что кристалл соли состоит из положительно заряженных ионов натрия и отрицательно заряженных ионов хлора в соотношении один к одному. В данном случае каждый атом хлора как бы отбирает один электрон у соседнего атома натрия.

Элементы жизни

Химический состав живой материи довольно однообразен. Для того чтобы в первом приближении разобраться в устройстве живой клетки, достаточно знать всего-навсего пять химических элементов. Это водород (H), кислород (O), азот (N), углерод (C) и фосфор (P). На атомные номера этих элементов мы пока не будем обращать внимания: во-первых, нет ничего легче, чем найти их в таблице Менделеева, а во-вторых, для нас сейчас гораздо важнее другой показатель. Самое главное, что нам нужно знать о любом химическом элементе, — это его валентность, то есть число ковалентных связей, которые может образовать его атом.

Итак, валентность водорода равна 1, кислорода — 2, азота — 3, углерода — 4 и фосфора — 5. Эти числа надо просто запомнить. Иногда у некоторых из перечисленных элементов бывают и другие валентности, но, занимаясь биологией, это можно игнорировать во всех случаях, кроме немногих особо оговоренных. Одновалентный водород, двухвалентный кислород, трехвалентный азот, четырехвалентный углерод и пятивалентный фосфор — главные химические слагаемые жизни (см. рис. 1.2). Иногда по ходу разговора нам будут встречаться и другие атомы, например, сера (S), натрий (Na), хлор (Cl), калий (K) или железо (Fe). Но постоянно помнить о них не надо. Пяти главных биогенных (то есть образующих жизнь) химических элементов для начала вполне достаточно.

Сверхновые и жизнь

Не подлежит сомнению, что большинство атомов в нашей Вселенной — это атомы водорода и гелия. Астрофизики утверждают, что 13 миллиардов лет назад, то есть «всего лишь» через несколько сот миллионов лет после Большого взрыва, соотношения были следующими: примерно 75 процентов всех атомов во Вселенной составляли атомы водорода, примерно 25 процентов — атомы гелия, а на атомы всех более тяжелых элементов, вместе взятых, приходилось 0,00007 процента. Конечно, с тех пор Вселенная изменилась. Но и сейчас все элементы, кроме водорода и гелия, составляют в сумме не больше 2 процентов существующих атомов. Между тем очевидно, что из водорода, валентность которого равна единице, и гелия, который вообще неохотно образует химические связи, никаких сложных молекул не построишь.

Сравнив количество разных видов атомов в современной Вселенной, мы сразу увидим, что самые распространенные в ней после водорода и гелия элементы — кислород (Z=8), углерод (Z=6) и азот (Z=7). Это можно наглядно показать на графике, изображающем относительное обилие химических элементов в нашей галактике Млечный Путь (см. рис. 1.3). По горизонтальной оси там можно отложить атомный номер (Z), а по вертикальной — распространенность элементов, причем желательно в логарифмическом масштабе (попросту говоря, это означает, что каждая “ступенька” на вертикальной оси соответствует разнице не на единицу, а в 10 раз). На таком графике первым делом бросается в глаза уже известный нам факт: водорода и гелия в Галактике во много раз больше, чем всех остальных химических элементов вместе взятых. Эти два элемента — вне конкуренции. В области лития (Z=3), бериллия (Z=4) и бора (Z=5) наблюдается явный провал, потому что ядра этих атомов относительно неустойчивы: в системе ядерных реакций, происходящих в звездах, они легко синтезируются, но так же легко и распадаются. Ядро железа (Z=26), наоборот, исключительно устойчиво. Многие ядерные реакции, идущие в недрах звезд, на нем заканчиваются, поэтому железо дает на графике высокий пик. Но самые распространенные после водорода и гелия элементы в Млечном Пути, несомненно, кислород, углерод и азот, именно те, которые стали химическими «кирпичиками» жизни. Вряд ли это случайность.

Фото: Peter Macdiarmid / Getty Images

Кроме того, нельзя не заметить, что график обилия химических элементов в Галактике — отчетливо «зубчатый». Элементы с четными атомными номерами в среднем встречаются во Вселенной намного чаще, чем элементы «примерно того же достоинства» с нечетными. Еще сто лет назад на это независимо друг от друга обратили внимание два химика — итальянец Джузеппе Оддо и американец Уильям Харкинс. Их статьи вышли, соответственно, в 1914 и 1917 годах. А правило, согласно которому элементы с четными номерами при прочих равных условиях преобладают над элементами с нечетными номерами, до сих пор называется в их честь правилом Оддо — Харкинса. Это правило обязательно приходится принимать во внимание, например при анализе химического состава земной коры.

Разгадка правила Оддо — Харкинса была предложена уже его первооткрывателями. Дело в том, что атомные ядра тяжелых элементов образуются в основном за счет слияния более легких ядер. Между тем ясно, что при слиянии двух одинаковых атомных ядер в любом случае получится ядро элемента с четным числом протонов, то есть с четным атомным номером. А затем образовавшиеся ядра сливаются друг с другом, давая опять же в первую очередь элементы с четными номерами. Например, «горение» гелия (Z=2), при котором его ядра объединяются друг с другом с большим выходом энергии, дает сначала неустойчивые короткоживущие ядра бериллия (Z=4), потом ядра углерода (Z=6), а потом и кислорода (Z=8).

До начала звездообразования во Вселенной были только водород, гелий и следовые количества лития. Насколько мы сейчас знаем, все элементы тяжелее лития синтезируются только в звездах и распространяются в результате взрывов сверхновых. Это означает, что живым организмам было просто не из чего образоваться, пока не закончился жизненный цикл хотя бы первого поколения звезд и эти звезды не взорвались.

Авторами самой знаменитой статьи, описавшей механизм синтеза химических элементов в звездах, были четверо ученых: Маргарет Бербидж, Джеффри Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл. Эту статью часто называют по инициалам авторов B2FH («бэ-квадрат-эф-аш»). Инициатором исследования был астрофизик Хойл: именно он первым догадался, что в звездах может синтезироваться не только гелий, но и углерод. Благодаря Хойлу в работу включились сперва профессиональный физик-ядерщик Фаулер (поначалу он был настроен скептически, но Хойл его переубедил), а потом астрономы Бербиджи. В сети легко найти замечательную фотографию, на которой все четверо отмечают 60-й день рождения старшего из них — Фаулера, а последний радуется действующей модели паровоза, которую ему подарили коллеги.

Статья B2FH опровергла более раннюю гипотезу Георгия Гамова, который считал, что ядра всех элементов синтезировались прямо во время Большого взрыва и с тех пор их концентрации остаются примерно постоянными. На самом деле гораздо вероятнее, что в первые миллиарды лет после Большого взрыва Вселенная была чисто водородно-гелиевой. И только потом она стала обогащаться тяжелыми элементами с помощью сверхновых звезд («тяжелыми элементами» мы сейчас называем все, что тяжелее гелия или, в крайнем случае, лития).

Изотопы — все статьи и новости

Изотопы — разновидности атомов одного химического элемента, сходные по свойствам (структура электронных оболочек), но отличающиеся массой ядер. Также изотопы называются нуклидами элементов, так как в их ядрах одинаковое число протонов и разное — нейтронов.

В периодической системе химических элементов изотопы занимают одну и ту же позицию. Для обозначения изотопов одного элемента приписывают индекс вверху, указывающий на количество нейтронов и протонов, и внизу, сообщающий о зарядовом числе (порядковый номер в системе). У изотопов водорода (Н) есть собственные названия — дейтерий и тритий. У других элементов зафиксировано большее число изотопов: у железа (Fe) — 4, у ртути (Hg) — 7, у олова (Sn) — 10, что считается максимумом.

Разделение изотопов одного элемента достаточно сложный и трудоёмкий процесс. Один из наиболее распространенных методов — физико-химический. Он строится на описании различий таких свойств, как скорость реакций или испарения.

Изотопы можно разделить на стабильные и нестабильные. Первые характеризуются устойчивостью, они способны оставаться неизменными. Ко второй группе относятся те изотопы, которые самостоятельно распадаются с течением времени.

Изотопы широко применяются в практической жизни. Например, достаточно популярно радиоизотопное исследование почек. В кровь пациента вводят вещество, содержащее атомы йода. Попадая в ткани почек, вещество изнутри подсвечивает проблемные участки, видимые на специальном приборе, и даёт полное представление о работе органа.

Активное изучение изотопов началось в 1900-х годах одновременно с новыми исследованиями атомов. Наличие изотопов опытным путём подтвердили Френсис Астон и Джозеф Томсон. Особый вклад внесли французские физики, лауреаты Нобелевской премии Фредерик и Ирэн Жолио-Кюри. В 1934 году им впервые удалось искусственным получить радиоактивные изотопы азота (N), кремния (Si) и фосфора (P).

Источник картинки: http://qps.ru/Bx8h4

Куда еще точнее. Зачем Льюису Эссену потребовалось создавать атомные часы

В наше время не так-то просто отвечать на детские вопросы. Вот, к примеру, что такое секунда? Попробуйте рассказать ребенку про 60-ю часть минуты, потом про часы, сутки, обороты Земли вокруг своей оси. А он откроет Википедию и прочитает, что «секунда — время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». И посмотрит на вас с недоверием.

Что ж, придется начинать все сначала: что это за цезий и что и почему он излучает. А виноват во всем один британский физик по имени Льюис Эссен.

В поисках колебаний

Представьте, что все часы в мире остановились, а вам надо договориться с приятелем о встрече. Придется выкручиваться, как в старину, полагаясь на Солнце. «Встречаемся на закате». Плюс-минус час — нестрашно. А можно соорудить солнечные часы — тогда можно назначить время посреди дня. Если, конечно, день выдастся ясным.

Чтобы измерить время, на протяжении всей истории люди искали периодические явления вроде вращения Земли вокруг Солнца. В основе механических часов лежат колебания маятника. На первый взгляд, эти колебания постоянны и зависят только от формы маятника, но это не так. Температура, сопротивление воздуха и другие внешние факторы незаметно сбивают маятник.

В кварцевых часах используется другая закономерность — периодические сжимания и разжимания кристалла под воздействием электричества. Проблема в том, что со временем кристалл теряет свои свойства и точность измерения падает.

В конце XIX века физики обнаружили, что материя состоит из атомов. В этом микромире тоже бывают периодические колебания, причем извне на них почти ничего не влияет. Но чтобы приспособить их для измерения времени, понадобилось более полувека.

Пульс частицы

В 1955 году в Национальном бюро стандартов США была представлена первая модель точнейших атомных часов. Ее главным создателем стал физик из Национальной физической лаборатории Великобритании Льюис Эссен.

Эссен (справа) с коллегой Джеком Пэрри рядом с первой моделью атомных часов. Фото: National Physical Laboratory

Измерение времени волновало ученого с самого начала его карьеры. В 1938 году он создал самые точные для того времени кварцевые часы, которыми стали пользоваться обсерватории всего мира — астрономы, как и сегодня, были главными «заказчиками» идеальных часов. Но на этом Эссен не остановился и стал экспериментировать с атомами цезия-133, справедливо полагая, что внешнее влияние на то, что происходит внутри частиц, минимально. Безусловно, можно было использовать и другие атомы, цезий был просто самым удобным — этот мягкий щелочной металл широко распространен по всей планете.

В 1955 году в Национальном бюро стандартов США Эссен представил свое детище широкой публике. Ставка на атом оказалась верной, атомные часы стали настоящим прорывом в точности определения времени. Вклад Эссена во введение нового стандарта определения времени оценила даже Академия наук СССР, присвоив ученому золотую медаль имени А.С. Попова.

Тем не менее в 1960 году стандартом было выбрано астрономическое определение секунды как доли времени, за которое Земля делает оборот вокруг Солнца. Только семь лет спустя ее наконец заменили «атомной»: Эссен и его коллега, Уильям Марковиц, продемонстрировали, что астрономическая секунда это 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Именно это определение мы и находим сегодня во всех справочниках.

1975 г., СССР. Аппаратура, обеспечивающая энергией атомные часы во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений. Фото: Володин Александр / Фотохроника ТАСС

«Мне повезло принять участие в трансформации одной из основных мер в науке — времени. От опоры на Солнечной систему и астрономию — к опоре на атомы и физику», — говорил Эссен.

Как они работают

Атомные часы внешне совсем не похожи на те, что висят у вас на стене. Первая модель была размером с книжный шкаф.

Конструкция атомных часов на самом деле по-прежнему использует кварцевый кристалл. Только теперь его сжимания и разжимания, запускающие ход часов, контролируются колебаниями внутри атома. Эти колебания — периодические переходы между возбужденным и основным энергетическими уровнями в атомах.

Чтобы разобраться с тем, что это за уровни и переходы, вспомним строение атома. В его центре находится положительно заряженное ядро, а вокруг него на собственных орбитах — электроны, заряженные отрицательно. При этом каждый из них находится на определенном энергетическом уровне, то есть имеет то или иное количество энергии за счет притяжения к ядру (подобно тому, как гиря на полке имеет энергию за счет притяжения к Земле).

Если же придать электрону больше энергии, например нагрев атом, то он будет стремиться перескочить на другой, более высокий уровень, с которого потом снова перейдет обратно, отдавая излишки в виде излучения. И вот это самое излучение имеет определенную частоту. И именно этим отдаленно напоминает тот самый маятник в механических часах.

Современные атомные часы работают уже не только на атомах цезия, но и на атомах рубидия, стронция, водорода. Общий принцип в них все тот же: стрелки часов управляются периодическими процессами, происходящими внутри частиц.

Нужно больше точности

Физики продолжают совершенствовать и без того точные атомные часы до сих пор.

Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) регулярно отчитывается о разработке все новых и новых моделей. Их лучшее на сегодняшний день достижение — часы, отстающие на одну секунду за несколько сотен миллиардов лет. В этом приборе используется уже не цезий, а стронций, причем несколько тысяч его атомов ученые выстроили в трехмерную решетку, охладили до температуры, близкой к абсолютному нулю, и измеряли колебания у всех атомов одновременно.

Схема: Анатолий Лапушко / Chrdk

Кому это нужно

На самом деле, без прорыва, совершенного в середине XX века Эссеном и его коллегами, было бы невозможным бурное развитие систем спутниковой навигации вроде ГЛОНАСС или GPS, ведь расстояние они определяют именно по времени, за которое сигнал проходит от точки на Земле до спутника и обратно. На современных навигационных спутниках установлено по несколько атомных часов — правда, теперь они работают чаще на атомах рубидия, поскольку такие приборы намного компактнее.

Ученые заливают жидкий азот в ловушку цезиевых атомных часов. Фото: National Institute of Standards and Technology

Главный же «заказчик» точных часов по-прежнему астрономы. Ведь огромные расстояния в космосе нельзя измерить линейкой. И чтобы определить, сколько нас отделяет от какой-то далекой планеты или астероида, мы можем лишь послать сигнал и зафиксировать время до его возвращения. И каждая секунда погрешности здесь — погрешность примерно в триста тысяч километров.

Впрочем, сегодня вы даже можете купить наручные атомные часы. Конечно, они будут чуть более громоздкими, чем обычные электронные, но зато вы точно ни на секунду не опоздаете.

Прогресс на этом наверняка не остановится. Для новых научных задач потребуется определять время еще точнее. К тому же человек не перестает пытаться взять под контроль время и пространство, которые сами по себе, конечно, вовсе не нуждаются ни в каких единицах измерения.

 Евгения Береснева

“Мир атома”: какими бывают реакторы?

<p><strong>Что такое атомная электростанция и какие бывают ядерные реакторы? Мы продолжаем проект «Мир атома», который проводят телекомпания ТВ-21 и филиал концерна Росэнергоатом — Кольская атомная электростанция</strong></p>

Что такое атомная электростанция и какие бывают ядерные реакторы? Мы продолжаем проект «Мир атома», который проводят телекомпания ТВ-21 и филиал концерна Росэнергоатом — Кольская атомная электростанция.

Электростанция — это совокупность установок, оборудования и аппаратуры, используемых непосредственно для производства электрической энергии. При этом сначала вырабатывается тепло, затем оно частично превращается в электричество. Тепло на электростанциях получают, используя разные виды топлива. На атомных — за счет расщепления ядер. АЭС позволяют снабжать электроэнергией регионы, удаленные от природных топливных ресурсов. Стоимость перевозки нефти и газа чрезвычайно велика, а атомные электростанции не требуют частых поставок топлива. Ядерная энергия обладает очень высокой степенью концентрации. По количеству производимой энергии 1 кг урана равен 2,5 тысячам тонн угля.

Сегодня в России действует 10 атомных электростанций, где обычный котел уступил место ядерному реактору, устройству для выработки ядерной энергии. В нем проводят управляемую цепную реакцию, при которой происходит расщепление ровно такого количества ядер, которое требуется для выработки определённого количества электроэнергии.

Составными частями любого ядерного реактора являются активная зона с ядерным топливом, обычно окруженная отражателем нейтронов; теплоноситель; система регулирования цепной реакции; радиационная защита и система дистанционного управления. Основной характеристикой ядерного реактора является его мощность. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происходят сотни миллиардов делений атомов в секунду.

В мире существуют различные типы реакторов атомных станций. Отличаются они по многим параметрам – например, по характеру использования бывают экспериментальные, оружейные и энергетические. Принципиально отличаются они и конструкцией. Подавляющее большинство составляют реакторы на медленных или тепловых нейтронах. Главные технологические различия между реакторами — какой материал используется в качестве замедлителя и теплоносителя — газ, вода или жидкий металл. То есть какое именно вещество, циркулируя через активную зону, выводит тепло от деления ядер к парогенераторам или теплообменникам, чтобы потом оно превратилось в электричество.

А вот что такое водо-водяной, или атомный реактор с водой под давлением, сколько он весит и почему его называют скороваркой, узнаем в следующей серии.

1. Кто такие и где встречаются

Атомы — элементарные кирпичики вещества — устроены, на первый взгляд, очень просто. Внутри атома тяжелое и очень компактное ядро, вокруг которого движутся несколько электронов. Законы квантовой механики говорят, что электроны не могут двигаться как угодно, а образовывать определенную устойчивую конфигурацию, которая имеет наименьшую и сама по себе уже не развалится. Эта конфигурация называется основным состоянием атома ; практически все атомы вокруг нас — именно такие.Вся химия, всё многообразие веществ и возникает из того, как взаимодействуют друг с другом атомы в основном состоянии.

Однако электронную конфигурацию можно «взбаламутить», посветив на атом светом или как-то иначе передать ему дополнительную энергию. Форма электронной оболочки изменится, энергия атома повысится, атом перейдет в новое состояние, называется возбужденным . Опять же, по законам квантовой механики возбужденные состояния не могут быть какие угодно, они должны быть строго определенными, с некоторой дополнительной энергией, зависящей от типа возбуждения.Эти возбужденные состояния занимают электрические уровни, причем эта лесенка уровни энергии — своя для каждого сорта атома.

Передав атому очень много лишней энергии, его можно возбудить настолько, что электрон попросту от него оторвется и улетит прочь. Такой процесс называется ионизацией , получивший положительно заряженный «недоатом» — ионом . Оставшиеся у иона электроны можно возбуждать дальше, но только лесенка, — или, на научном языке, спектр — возбужденных уровней у него уже будет отличаться от исходного атома.Экстремальный случай возбуждения — это когда у атома отбирают вообще все электроны, и от него остается лишь голое ядро. Так бывает при очень высокой температуре, либо в экстремальных условиях, например, либо при поглощении сверхмощной световой вспышки.

То, что у каждого атома и даже у каждого собственного типа одного элемента есть свой возбужденных спектральных состояний, — очень помогает физикам. Это дает им исключительно удобный метод диагностики на расстоянии, без непосредственного контакта, и самого вещества и физических условий, в которых оно находится.

Например, в глубоком космосе встречаются огромные облака частично ионизированного газа. От него идет свет, в спектре которого встречаются многочисленные линии излучения или поглощения. Расшифровав эти спектры, можно найти в них «личную подпись» каждого типа индивиду, находящийся в том дал облаке. Сравнив интенсивность линий с другом, можно узнать, каких там там больше, а отсюда друг оценить плотность и плотность газа. Ну а если вдруг в спектре светящихся космических облаков встретится какая-то «анонимка» — линия излучения, не соответствующая ни одному известному иону, — это производит в физике настоящий фурор.Один пример такой ситуации, которая развивается прямо на наших глазах, см. в спектрах скоплений галактик обнаружена неизвестная линия новозявлений и Новые результаты не подтверждают загадочную рентгеновскую излучения

Понятная химия — Викиучебник

• Некоторые аспекты излагаемого упрощены для облегчения восприятия.

Цель опуса — подготовить человека к восприятию химии в таком виде, в каком ее преподают в средней школе. А преподают ее несколько странно.Сначала должен тупо обучать зубные свойства веществ, формулы, примеры использования и прочее, а через год ему расскажут в чем, собственно, суть. Характеристика элемента по его положению в периодической таблице и строению атома — на 156 странице — и это в советском учебнике! Здесь же, почти нет формул, но, в общих чертах, объяснено что и почему происходит. Полезно почитать и тем, для кого школьная химия — «пройденный» этап.

Если натереть резиновым надувным шариком волосы, шарик прилипнет к волосам.

Почему?
Часть электронов с волос перешла на шарик. Шарик «отобрал» электроны у волос. Получилось, что шарик зарядился отрицательно (электроны носят отрицательный заряд) а в волосах оказался дефицит (недостача) электронов. Потому что заряд волос оказался положительным. А предметы, обладающие разноименным зарядом притягиваются друг к другу. Он украл наши электроны! Держи его!

Атомы (мельчайшие, неделимые частицы вещества) в молекулах (соединениях атомов) удерживаются теми же силами, что и шарик волосами — электростатическими.«Сильные» атомы отнимают электроны у «слабых», образуя молекулы — связанные друг с другом посредством отобранных электронов, атомы.

Разве бывают сильные и слабые атомы?
А вот бывают, да. Атомы разных веществ с разной удерживают свои электроны. Силы некоторых атомов хватает даже для захвата чужих. Эта сила в химии называется «электроотрицательность». Есть даже специальный рейтинг “силы атомов” — таблица электроотрицательности.

От чего зависит эта сила?
Да от строения атома, и только.Атомы устроены довольно просто:
в центре атома — ядро, состоящее из:
— нейтронов. Нейтроны имеют массу, но не имеют заряда и поэтому на химические свойства вещества не влияют. Их учитывают только при расчете масс.
— протонов. Это частицы с такой же массой, как у нейтрона, но имеющие элементарный
(самый минимальный, меньше в природе не бывает) положительный заряд.
Нейтроны и протоны называют еще нуклонами. Ядро состоит из нуклонов.

Масса нуклонов примерно равна одной атомной единице массы (а.е.м.).
Согласно определению, 1 а.е.м. это одна двенадцатая массы атома углерода. Атом углерода содержит 12 нуклонов: шесть протонов и шесть нейтронов. Так что, а.е.м., по сути, и есть масса нуклона.

В химических реакциях состав ядра атома не меняется.

Количествоонов (а значит — заряд!) Ядра атома равен его порядковому номеру в таблице Менделеева. Элемент номер №1 содержит один протон в ядре, заряд ядра +1. Элемент №n — n протонов в ядре, заряд ядра + n.

Вокруг ядра, как планеты, вокруг Солнца, обращаются электроны.Масса электрона почти в 2000 раз меньше массы протона, а вот заряд — точно такой же, элементарный (минимальный), только со знаком минус. Количество электронов атома равно количеству протонов, суммарный заряд атома равен нулю. Сколько протонов в ядре, столько электронов вокруг ядра. Атом, хоть и состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц, в целом электронейтрален.

Из соотношения масс электронов и нуклонов (протонов и нейтронов) видно, что масса атома сосредоточена в его ядре.Масса электронов в расчетах не учитывается.

В таблице Менделеева указан порядковый номер элемента и его масса. Так как порядковый номер элемента равен количеству протонов в его ядре, а масса как протона, так и нейтрона, получается, что «избыток веса» — на совести нейтронов.
К примеру, номер гелия в таблице 2, масса 4. Значит, в дополнение к двум протонам, ядро ​​гелия содержит два нейтрона.
Несложно, да? Масса элемента минус его номер = количество нейтронов.Номер водорода — 1, масса — 1. Стало быть, нету в его ядре нейтронов.

Существуют так называемые «изотопы» — элементы с таким же источником нейтронов, но с другими нейтронами. Как отмечалось выше, нейтроны, независимо от их количества, никак не влияет на химические свойства элементов, только на их массу. У того же «обычного» гелия (с атомной массой 4) существует еще 7 изотопов. У одного из изотопов не хватает одного нейтрона в ядре, понятно, его масса равна трем (гелий-3).У остальных — излишек нейтронов. И, соответственно, больше массы — 5, 6, 7, 8, 9 и 10 (гелий-5 … гелий-10). А разное число нейтронов в ядрах всегда одинаково — 3,4,5,6,7 и 8. Химические свойства всех этих изотопов одинаковы.

Все природное множество состоит из соединений с несколькими видами элементов, разница между одним ядром протонов в, соответственно, электронов на орбитах.

В отличие от планет, электроны вокруг ядра могут обращаться только по нескольким, строго определенным орбитам.На самой близкой к ядру атома орбите (нижнем уровне), может находиться не более двух электронов, на втором орбите (уровне) — не более восьми, на третьем — не более восемнадцати, четвертом — тридцать два.
Все равно, как на орбите Меркурия помещались бы две планеты, на орбите Венеры — восемь, Земли — не более восемнадцати, Марса — тридцать две. Больше не влезает. Здесь тоже все логично — чем дальше орбита, тем больше ее протяженность.
Кроме того, электроны находятся не в одной плоскости, а занимают область.2х2. Номер слоя возводится в квадрат и умножается на два. Получается именно столько, сколько указано выше:
1 слой — 1х1х2 = 2 электрона
2 слой — 2х2х2 = 8 электронов
3 слой — 3х3х2 = 18 электронов
1 слой — 4х4х2 = 32 электрона
и так далее.

Но! На внешнюю орбите (на верхнем уровне) количество электронов никогда не превышает восьми.

Как так? А как же заполняются слои до 18, 32 и т.д. электронов ??? А вот как: третий слой заполнился до восьми электронов:
Аргон: +18-2-8-8, (показывает заряд ядра, минусы — распределение электронов по слоям)
следующий электрон появляется в четвертом слое.Калий: +19-2-8-8-1.
В следующем дополнительном к нему добавляется еще один — всего получается два электрона во внешнем слое.
Кальций: +20-2-8-8-2.
После этого роста числа четвертого слоя прекращается дополнительные электроны, заполняемые предпоследний, третий слой до тех восемнадцати штук.
Скандий +21 -2-8-9 -2
Титан +22-2-8-10-2
Ванадий +23-2-8-11-2
при переходе от ванадия к хрому получается «провал» — в предпоследнем слое становится больше сразу на два электрона, а во внешнем слое остается один.То есть, суммарно электронов в атоме, как и положено, больше на один, чем у предыдущего.
Хром +24-2-8-13-1
У следующего элемента — марганца, добавляется один электрон на внешний слой, и дальше идет как раньше — два электрона во внешнем слое, дополнительные электроны заполняют предпоследний слой.
Марганец +25-2-8-13-2
Железо +26-2-8-14-2
Кобальт +27-2-8-15-2
Никель +28-2-8-16-2
И только потом растет (до восьми!) Количество электронов в самом четвертом слое.Медь +29-2-8-18-1
Цинк +30-2-8-18-2
Галлий +31-2-8-18-3
Германий +32-2-8-18-4
Мышьяк +33-2-8-18-5
Селен +34-2-8-18-6
Бром +35-2-8-18-7
Криптон +36-2-8-18-8

Но вернемся к единому элементу, к началу таблицы Менделеева. Атом самого простого, первого химического вещества (водорода), имеет один протонный ядро ​​самого простого, первого химического вещества на одном уровне. Изобразим так: +1 -1. У второго элемента (гелия) два протона в ядре и два электрона на нижнем уровне +2 -2.Между тем, водород химически крайне активен, а гелий инертен (в химических связях не замечен). В чем разница между ними? А в том, что ядро ​​гелия содержит два протона, а значит, электроны в два раза сильнее удерживаются ядром.
Представьте, что у нас под ногами вместо одной Земли, образовались две. Понятно, что сила тяжести увеличится вдвое. И две Луны вдвое сильнее удерживались бы двойной Землей. Никакая пролетающая мимо планета не смогла бы отнять наши луны.
Единственный же протон водорода, гораздо слабее удерживает электрон, поэтому его часто захватывают атомы других элементов и даже другие атомы того же водорода.

Атом третьего элемента (лития) содержит три протона в ядре, и три электрона. Из них два электрона — на нижнем уровне, третий электрон — на следующем +3 -2 -1.
Раз в ядре лития три протона, его электроны могут удерживаться атомом еще сильнее, чем у гелия? А вот хрен. Сила притяжения электронов к ядру зависит не только от ядра, но и от расстояния между ядром электроном (орбитой). Два электрона нижнего уровня, таки да, сверхпрочно удерживаются ядром. Ибо находятся близко к ядру.Третий же электрон находится на удаленной от ядра орбите, и удерживается слабо. А значит, может быть захвачен атомом другого вещества — образовать химическую связь. И даже способен покинуть атом — превратиться в свободный электрон.

Именно наличие свободного электронов позволяет проводить как тепло, так и электрический ток. Ибо ток есть направленное движение заряженных частиц. А могут двигаться только свободные заряженные частицы. Точно так же как поток воды в водопроводе возможен только при наличии в нем жидкой воды.Если воды нет, или она замерзла — нет потока. Как ни странно, электроны тоже можно «заморозить». Если электроны захвачены другими атомами, то «электропроводить» и «электропроводить» уже нечем. Например, железо хороший проводник тока и тепла, а окись железа (ржавчина) — электро- и теплоизолятор. Ибо электроны железа захвачены атомами кислорода (окись — соединение кислорода с чем-либо).

Получается, что строение атома определяет все свойства веществ: химическую активность, теплопроводность, электропроводность и.т.д. И даже не столько строение атома, сколько состав его верхних электронных оболочек.

Четвертый химический элемент.
Бериллий. Раз у него порядковый номер четыре, значит, ядро ​​бериллия содержит четыре протона. И четыре же электрона должны обращаться вокруг ядра. Из них два на нижнем уровне и два на следующем. Вот так вот: +4 -2 -2. Нетрудно сообразить, что электроны бериллия на втором уровне будут удерживаться ядром сильнее, чем электрон лития на том же уровне — заряд-то ядро ​​уже равен четырем.А расстояние от ядра до второго орбиты — точно такое же.

Сейчас будет правильное определение валентности.
Согласно учебнику, «валентность — это свойство атома данного присоединять, удерживать или заменять элементы в химических реакциях определенное количество элементов другого элемента. За единицу валентности принята валентность атома водорода. Поэтому иногда определение валентности формулируют так: валентность — это свойство атома элемента присоединять или заменять данное количество водорода.”

Человечьим язык: атомы соединяются в молекулы посредством захвата чужих электронов верхней орбиты. Смотрим выше: у сколько электронов на верхнем уровне? Один. Вот он один и может быть захвачен атомом другого вещества. Атом водорода связан с другим атомом посредством одного электрона. Это и означает, что водород одновалентен.

У лития сколько электронов не верхнего уровня? Тоже один. Стало быть, литий тоже одновалентен. А вот у бериллия два электрона на верхнем уровне.И если найдется атом «сильнее» бериллия, отберет у него оба электрона. Получится, что атом бериллия будет связан двумя электронами с другими атомом. Иными словами, бериллий двухвалентен.

В микромире султану, чтобы иметь трех одновалентных жен, нужно быть трехвалентным мутантом.

Пойдем дальше по химическим элементам. Слева заряд ядра, правее — количество электронов на разных уровнях:

1. Водород +1 -1
2. Гелий +2 -2
3. Литий +3 -2 -1
4.Бериллий +4 -2 -2
5. Бор +5-2-3
6. Углерод +6-2-4
7. Азот +7 -2-5
8. Кислород +8-2-6
9. Фтор +9-2-7
10. Неон +10-2-8

11. Натрий +11-2-8-1
12. Магний +12-2-8-2
13. Алюминий +13-2-8-3
14. Кремний + 14-2-8-4
15. Фосфор +15-2-8-5
16. Сера +16-2-8-6
17. Хлор +17-2-8-7
18. Аргон +18-2-8-8

19.Калий +19-2-8-8-1
И так далее.
Заполнился уровень (до 8 электронов) — началось заполнение следующего.
Сами элементы запоминать не обязательно, важно понять порядок заполнения орбит, зависимости элементов от количества электронов верхнего уровня.

Нелишне напомнить, что электронов всегда равно количеству протонов (сколько плюсов, столько и минусов).

Что можно понять из вышеприведенной портянки? Да, практически, все.

У элементов под номерами 2, 10 и 18 верхние орбиты забиты электронами до предела — восемь электронов — максимум для верхнего уровня.Такие элементы не могут захватить чужие электроны (заряд мал для удержания чужих электронов на более удаленной орбите). В то же время, свои электроны удерживаются ими предельно крепко. Ибо заряд ядра, для количества таких уровней, которые у них есть, максимален. По этой причине, эти элементы не могут быть отданы в химические связи с другими элементами — не могут ни отдать, ни отнять электроны. То есть, инертны. Точно так же инертны все элементы с достроенными крайними орбитами.

Нетрудно сообразить, что вещества с одинаковым электронов на крайних орбитах будут обладать схожими свойствами.То есть, свойства элементов будут периодически повторяться. Свойства лития похожи на свойства натрия, фтора — на хлора и т.д. Период повторения — восемь, по максимальному количеству электронов на уровне, что, собственно и подметил Менделеев. В его таблице каждый элемент левого столбца содержит один электрон на верхнем уровне (а значит — одновалентен!), Второй — два электрона, и так далее, до заполнения уровня. Затем начинается заполнение следующей строки таблицы и соответственно, следующей электронной орбиты.Первая таблица таблицы отражает заполнение первой орбиты (первого, нижнего, уровня), вторая строка — второго уровня и так далее.
Еще раз: первый (левый) столбец таблицы — это элементы с одним верхним электроном, второй столбец — с двумя электронами, и так до восьмого. Восьмой столбец — с восемью электронами (заполненным верхним уровнем). Первая таблица таблицы отражает заполнение первой орбиты (уровня), вторая — второй орбиты и так далее. Строка таблицы называется периодом, столбец — группой. Оно и понятно — в одной группе находятся элементы с одинаковым числом верхних электронов, а значит, с похожими свойствами.Получается, по таблице можно определить и количество орбит, и количество электронов на верхнем орбите.

Ясно, почему в первой строке таблицы два элемента — всего два электрона помещаются на нижние орбите.

Пока на верхнем уровне химического элемента мало электронов (от одного до трех), они слабо удерживаются ядром. Ибо новая орбита далека от ядра, а заряд еще мал для крепкого удержания на таком расстоянии. И такие атомы легко расстаются со своими крайними (валентными) электронами.А раз так, эти элементы хорошо проводят ток и тепло — металлами.

Причем тут тепло?
Если построить в одну линию, с зазором, бильярдные шары и ударить по первому, тот долетит до второго шара и передаст ему импульс. Второй шар точно так же передаст энергию третьему, и так до конца цепочки. А тепло (температура), если кто не в курсе, есть мера кинетической энергии. То есть, мера квадрата скорости их движения. Наши же свободные электроны, как бильярдные шары, передают кинетическую энергию.А стало быть — «теплопроводят».

Бильярдны шар, полосатый, тот, которым разбивают пирамиду из остальных шаров, обладают до столкновения с вершиной пирамиды точно такой же кинетической энергией, как все шары суммарно — сразу после столкновения. На этом примере виден механизм как передачи, так и распределения температуры. Один «горячий» шар делает «теплыми» все остальные. Причем некоторыми, случайным образом, оказываются «горячее» — быстрее других. В результате дальнейших хаотических столкновений, шары обмениваются энергией постоянно, сохраняя суммарное ее количество.Точно так же ведут себя молекулы и электроны.

Можно заметить, что шары в бильярде довольно быстро останавливаются. Тому виной сукно, покрывающее стол. Сукно поглощает кинетическую энергию шаров, переводя ее в тепловую. Если бы стол был идеально гладким, движение шаровалось бы гораздо дольше. Подобное имеет место и в микромире. Если материал сопротивляется движению электронов, он разогревается. И требуется больше энергии для преодоления сопротивления такого материала электронами.

По мере увеличения количества электронов на верхнем уровне, растет и заряд ядра при сохранении диаметра крайней орбиты. Следовательно, чем больше электронов на верхнем уровне, тем крепче они удерживаются — вспомните пример с Лунами выше. Когда верхний уровень атома близок к заполнению, хрен у такого атома отберешь электроны. Скорее он сам отберет электроны у атома, слабее удерживает свои электроны, то есть, у атома с меньшим числом электронов верхнего уровня. Такие элементы называются — кто бы подумал? — неметаллами.Например, у кислорода не хватает до заполнения верхнего уровня двух электронов. И шесть там же, он удерживает крепко. Теперь представим, что рядом с атомом кислорода оказалось атом бериллия. Что произойдет? Атом кислорода захватит два верхних (валентных) электрона бериллия. А за электронами последует и атомный остов бериллия (атомным остальным называется атом без электронов верхней орбиты). Образуется окись бериллия — BeO.
Между прочим, атом кислорода в этой молекуле показано количество ту же валентность (образованных связей), что и бериллий — два.Только природа этой валентности прямо противоположная. Если бериллию проще отдать два электрона, то кислороду — захватить. При таком раскладе у обоих элементов на верхних уровнях находится возможное число электронов — восемь, и все довольны. Помните, выше шла речь о «силе элементов» — электроотрицательности? Так вот, кислород в данной связке более сильный, более электроотрицательный, нежели бериллий.

Рядом с атомом кислорода может случиться атом водорода. Кислород в этом случае захватит электрон водорода (с атомным остальным, разумеется).Но электрон-то у водорода один, а кислороду нужно два, чтобы достроить верхний уровень. Что делать? Да захватить два атома вместе с их электронами, и дело с концом.

У фтора одна вакансия на верхнем уровне. А это значит, что «сил» у фтора очень много. И он может отнять электрон у того же бедного бериллия. Но место-то на крайней орбите фтора только одно! Одна вакансия. Что ж, придется брать двум атомам фтора на аббордаж один атом бериллия. Формула получаемого соединения BeF2 — один атом бериллия и два атома фтора.Как видите, все довольно предсказуемо и легко просчитывается, спасибо Менделееву.

Тут опять всплывает валентность. Все, наверное, электрические разъемы типа «папа» и «мама»? Самый распространенный вариант — электрическая вилка (папа) и розетка (мама). У вилки два штырька, у розетки два гнезда. Вилка и розетка двухвалентны (как бериллий и кислород).

Но в у фтора-то всего одна вакансия-гнездо. Что делать? Втыкаем двухштырьковую вилку-бериллий в две одногнездовые розетки — в два атома фтора.BeF2, иначе говоря.

Может оказаться, что в розетке будет, допустим, три гнезда, а вилки у нас двухштырьковые. Все гнезда и штырьки обязательно должны найти друг друга. Где же выход? Спасет математика. Мы возьмем две трехгнездовые розетки (Ш Ш), и три двухштырьковых вилки (П П П). Тогда все сойдется. Число гнездо совпадение с числом штырьков.

Можно использовать аналогию с игрушками «лего». Допустим, есть красные элементы с шестью выступами, и синие с пятью, какое минимальное количество элементов обоих цветов нужно соединить, чтобы были задействованы все выступы? Самое маленькое число, делящееся на 5 и на 6 это 30.Значит, наша лего-молекула будет содержать 30 связей. Стало быть, нам понадобится 5 красных элементов с шестью выступами, и 6 синих с пятью. Только в этом случае количество выступов обоих цветов будет рано друг другу. Это — необходимое условие. Стало быть, формула полученного вещества будет 5Красных6Синих. Ферштейн?

Вообще, при решении задач удобно прорисовывать атомы веществ в виде, допустим, кружочка, или прямоугольника с отростками. Количество отростков соответствует валентности атома.Так проще понять сколько элементов того и другого вида потребуется.

Цитато из Вики:

«Моль есть количество веществ системы, сколько содержится в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частями или специфицированными группами частиц.
Из определения моля непосредственно следует, что молярная масса углерода-12 равна 12 г / моль точно.Количество специфицированных структурных элементов в одном моле веществе называется численностью Авогадро, обозначаемым обычно как NA. Таким образом, в углероде-12 массой 0,012 кг содержится NA веществ. Значение числа Авогадро, рекомендованное CODATA в 2010 году [3], равно 6,02214129 (27) · 1023 моль − 1. 23 атомов (или молекул), которым предстоит вступить в связь.Ровно столько же углерода содержит эталон — 12 грамм углерода.
Чтобы наши вещества прореагировали без остатка, количество связей одного элемента должно совпадать с отношениями другого. Как в вышеприведенном примере — количество дырок совпадать с штырьков. Чтобы отверстие нашло ответную часть. Понятно, что на двести трехгнездовых розеток потребуется триста двыхштырьковых вилок. На тысячу таких розеток — полторы тысячи вилок. Ибо тысяча таких розеток это три тысячи дырок, полторы тысячи вилок — ровно столько же.23 атомами бериллия и никто не будет обделен. Ибо у обоих элементов по две «ответные части».

Если же предстоит соединить трехвалентный элемент с пятивалентным, надо взять пять моль первого элемента и три моль второго. Потому что у 5 моль трехвалентного элемента столько же «концов», сколько у 3 моль пятивалентного.

Как же узнать, сколько весит один моль того или иного вещества? Да легко.
12 грамм углерода — это 1 моль (так придумал Авогадро — должен же быть эталон). Что означает: молярная масса углерода — 12 грамм на моль.23 атома.
Взвешиваем сколько нужно моль одного вещества и другого. Производим реакцию. Вот и вся любовь.
Если же в реакции массы участвуют молекулы, суммируем все частицы, входящие в состав молекулы. Например, вода — h3O. Смотрим в таблицу: водород весит 1 а.е.м. (атомная единица массы), кислород — 16. В молекуле воды два атома водорода. Суммируем 1 + 1 + 16 = 18. Сие означает: один моль воды весит 18 грамм. И эти 18 грамм содержат столько же «структурных единиц», сколько эталон — 12 грамм углерода.Просто? Пожалуй.

А если — вещество газ? Его как взвесить?
Никак. В этом нет необходимости. Ибо 1 моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 литра. Прикольно, да? Одинаковое количество молекул любого газа в одинаковых условиях занимает одинаковый объем. А что есть «нормальные условия»? Да комнатная температура и обычное давление. 20 градусов по Цельсию и 1 атмосфера. Или один килограмм на квадратный сантиметр, если угодно.
Если мы хотим взорвать гремучий газ — смесь кислорода с водородом — нужно 22,4 литра кислорода смешать с 44,8 литра водорода.Надеть каску и поднести спичку. Смесь сгорит (точнее, взорвется) без остатка. Насчет каски шутка была — не спасет.

Из вышеприведенного следует, что если испарить 18 грамм (1 моль) воды, она займет объем 22,4 литра.

Виды химических связей.
Выше рассказывалось, как атомы в молекулах заполняют свои крайние уровни (уровни). Кислород заполняет двумя электронами бериллий свой верхний уровень, бериллий тоже остается с заполненным верхним уровнем. Правда, до вступления в связь, этот уровень был у него предпоследним…
Когда сильный жрет слабого это понятно, но есть и другие типы связей.

Например, газовый водород состоит из молекул, состоящих из двух атомов водорода. Ясно, что здесь нет хищника и нет жертвы. А есть хитрость: объединив свои электроны в пару, два атома, кагбэ, тоже заполняют свой верхний уровень до предела.
Такая связь, посредством электронного пар, называется ковалентной.

Почему она так странно называется? Приставка ко-, это то же, что наша со-:
со-чувствие, со-осность.Вместе получается со-валентность, со-владение, со-связь.

Точно так же, совместно владения недостающим электроном, соединяют и некоторые другие атомы. У атома хлора не хватает одного электрона «для счастья»? Он объединяется с собратом. Получается молекула Cl2. В объединении элементов участвуют только по одному электрону с каждой стороны, то есть, всего два — электронная пара. Остальные электроны остаются у прежних владельцев.

Таким же образом могут соединяться и атомы разных видов, например, водород и хлор — HCl.Как это? У хлора на верхнем уровне не хватает всего одного электрона. Заряд ядра хлора аж +17! В 17 раз больше, чем у водорода! Значит, он со страшной силой должен вырвать единственный электрон водорода, разве не так? А вот не так. Дело в том, что электрон находится на самой близкой к ядру орбите. А вакансия (свободное место) хлора — аж на третьей! А сила взаимодействия между зарядами убывает пропорционально квадрату расстояния между ними. Потому примерно равны силы и хлора.

Можно дать еще одно определение электроотрицательности.Она есть свойство атома оттягивать к себе общие электронные пары. Электроотрицательность растет слева в строках таблицы (периода) и снизу вверх в столбцах. То есть, чем правее в строке и выше в столбце элемент, тем он электроотрицательнее. Опять же, из строения элементов, понятно почему. Слева направо по строкам растет заряд ядра, при неизменном диаметре крайнего орбиты, а стало расти сила притяжения ядром. Рост снизу вверх по столбцам тоже понятен: чем выше элемент в столбце, тем ближе верхняя орбита к ядру.Эти кренделя наглядно отображены в графике:
Видно, что самый электроотрицательный — фтор (F), самый слабенький — франций (Fr). Крутые правые обрывы пилы обусловлены завершением одной орбиты и началом следующей.

В цифрах — здесь:
Чем больше цифра под элементом, тем он электроотрицательнее, сильнее оттягивает к себе электроны.

Например, у кислорода (O), и серы (S) по 6 электронов верхнего уровня (оба в шестом столбце — в шестой группе). Но у кислорода верхний уровень это вторая орбита (кислород находится во второй сторке таблицы Менделеева), а у серы — третья орбита (третья строка).Ясно, что ядро ​​кислорода будет сильнее воздействовать на электроны. Электроотрицательность кислорода 3,5, а серы — 2,5. Стало быть, атома кислорода электроотрицательнее, «сильнее» атома серы. И в соединении этих двух веществ, электронная пара будет смещена ближе к атому кислорода. Вот и вся логика.

По сути, водород и кислород в молекуле воды h3O тоже соединены посредством электронных пар. Просто пара сильнее оттянута атомом кислорода.
Такое неравноправное владение электронной парой, называется ковалентной полярной (поляризованной) связью.

Опять же вопрос — почему ???
В молекуле электрическое облако находится точно посередине, между атомами. Айболитовский тяни-толкай. Такой молекуле глубоко наплевать на внешнее электрическое поле, потому что она симметрична.
Другое дело, если электронное облако оттянуто к одному из ядер. Молекула же в целом электронейтральна? Сколько протонов в ней, столько и электронов. Но если электронная пара находится ближе к одному из ядер, а значит, ближе к одному концу молекулы, этот конец будет иметь отрицательный заряд.А другой конец молекулы — положительный. Ибо там оказалось больше протонов. Получается, что у молекулы есть полюса — положительный и отрицательный. Отсюда и название связи — ковалентная полярная (со-вместительное владение электронной парой, но пара смещена к атому более электроотрицательного вещества). Такая молекула в электрическом поле будет разворачиваться. И понятно как: электронным облаком — к плюсу (разноименные заряды притягиваются), а противоположным концом — к минусу.

Ну и хрен ли? Что нам это дает?
Не так уж и мало.Например, полярные диэлектрики, будучи помещенными между обкладок электрического конденсатора, увеличивают его емкость. Намного ли? Намного, да. Если залить туда дистиллированную воду (она диэлектрик), емкость конденсатора возрастет в 81 раз. Нехило да? Конденсатор сможет запомнить в 81 раз больше энергии!

Можно привести аналогию с пружиной. Сжимая (или растягивая) ее, мы запасаем в ней энергию. Если каким-то образом в несколько раз увеличить ее жесткость (способность сопротивляться нагрузкам), то она сможет запасать во столько же раз больше энергии.

Еще один вид химической связи — ионная. Это предельный случай, когда очень «слабый» атом соединяется с «терминатором». Тогда «терминатор» полностью захватывает чужой электрон, превращаясь при этом в этом в ион, понятно, отрицательно заряженный. Ибо у него электронов больше, чем протонов. Атом же, утерявший электрон, становится тоже ионом, только положительно заряженным. Так как протонов осталось больше, чем электронов. И эти два иона оказываются связанными друг с другом силами электростатического притяжения, как наэлектризованный шарик с волосами.Такая связь существует, например, в поваренной соли NaCl. Хлор, входящий в ее состав, переводит электрон натрия на свою орбиту. Так как изначально у атома натрия один электрон на верхнем уровне, он «слабый». Хлору же, недостает одного атома для завершения оболочки, значит, он предельно «силен».

Ион — это атом или молекула с лишними или недостающими электронами. Понятно, что избыток электронов означает, что ион заряжен отрицательно, недостаток — положительно (поскольку в этом случае атом (или молекула) содержат больше положительно заряженных протонов).

При растворении поваренной соли в воде, хлор и натрий распадаются отдельные ионы Na + и Cl-, по той причине, что вода, ввиду поляризованности ее молекул, ослабляет взаимодействие между зарядами.

Возвращаясь к видум химических связей: резкой границы между видами связей не существуют. Соотношение «сил» молекулы может быть самым разным. И, в зависимости от этого, электронное облако будет или посередине, или в той или иной степени смещено к из элементов.

Степень окисления — есть такой термин.Это всего лишь количество электронов, отданных или оттянутых тем или иным атомом в молекуле. Выше рассматривался пример хлорида натрия. Оба они двухвалентны. Стало быть, у обоих элементов степень сочления равной двум. Только у степени — положительная (отдав электроны он остается положительно заряженным). А у хлора — отрицательная степень окисления.
В принципе, имея вышесказанное в голове, можно изучать химию по другим источникам.

Более подробно смотрите https://docs.google.com / document / d / 1dC5f-ePc7f2-2ibK_C-Xh86oeCtjqeH8q1VwxToNN10 / edit

Вещества, атомы и молекулы — Химические элементы. Атомы и молекулы. Изотопы

Тема сегодняшней лекции — «Вещества, атомы и молекулы». Мы рассмотрим такие понятия как химические элементы, их распространенность в природе, периодическая система Менделеева, моль и число Авогадро, строение атома и атомного ядра. Мы, наверно, постараемся разобраться, что такое изотопы, и чем карта нуклидов отличается от периодической таблицы.Обращаю ваше внимание на то, что существует очень интересный вопрос: что такое вещество? Мы знаем, что вещества нас окружают, но хотелось бы, чтобы мы поняли из чего они состоят. Известная фраза — «вещество из атомов» фра, однако в этой короткой фразе есть очень глубокий смысл. В свое время я прочитал «Фейнмановские лекции по физике». Вот передо мной находиться первый том книг, в которых рассказана очень интересная история. Сами книги были написаны нобелевским лауреатом Ричардом Фейнманом в 60-х годах прошлого века.В этой книге он пытается по-новому взглянуть на физику и преподавать ее для студентов, которые стали их потомками, которые сделали их предшественниками. В начале в 1-й главе он пишет следующие слова: «Этот двух годичный курс физики рассчитан на то, что ты читатель который, читает данные книги, собираешься стать физиком». Положим, это не так. Но какой преподаватель не надеется на это. В введении написана интересная история. Он задался вопросом что «если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались уничтоженными, и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, состоящее из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшее количество информации о нашей планете? «.Ричард Фейнман, ну я вместе с ним считаю, что это — атомная гипотеза. На самом деле вот это простой факт, что все вещества состоят из атомов, что позволяет сделать очень много выводов, которые он аккуратно вызывает в своих «Фейнмановских лекциях». Обязательно прочитайте эту главу потому, что, на мой взгляд, очень важно найти книгу, которую вы, самостоятельно прочитав, захотите заниматься какой-то наукой. Вот мой поход в физику начался с «Фейнмановских лекций», именно с введения, о котором я вам говорил.Тема, с которой я хочу начать первую лекцию, называется очень просто: «Атомы и молекулы». Вы наверно знаете, что вещества, которые нас окружают, бывают в различных состояниях: в твердом, жидком, газообразном. Однако это одно и то же вещество. Допустим, вода может находиться в различных фазовых состояниях в зависимости от условий. Если на улице очень холодно, вода превращается в лед. Вода в виде льда падает нам на голову в виде снега. При этом, если наступит потепление, то этот снег растает и вода будет окружать нас в виде наиболее известного для нас состояния — жидкости.Однако если мы сообщаем воду, она превращается в пар и пар окружает нас, находится в нашем воздухе. И очень важно понимать, что без водяного пара человеку было бы очень трудно жить, потому что он на 80% состоит из воды. Но что же такое атомы, что же такое молекулы? Давайте возьмем большой энциклопедический словарь и прочитаем определение. Атом — частица вещества микроскопических размеров и очень малой массы (микрочастица), наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.Это очень важное замечание, что атом химически неразделим. Если мы запускаем химические реакции, то атомы остаются целыми. Обращаю ваше внимание, что химическими процессами нельзя разделить атом. Поэтому мечта алхимиков — превратить свинец в золото с помощью каких-то химических процессов — была абсурдна. Они не могли это сделать методами, которые были у них под руками. Химики действительно могут много, они могут из одних и тех же веществ получать различные вещества. Они могут использовать вещества.Поэтому хотелось бы, чтобы вы понимали, что молекула — наименьшая частичка вещества, обладающая его химическими свойствами, потому что это вещество уникально. Допустим вода. Вода состоит из молекул, каждая молекула воды состоит из 2-х водорода и одного атома кислорода. Это банальные вещи, но важно, чтобы вы их поняли. И сегодняшняя наша задача познакомиться с молекулами и атомами, включая их обозначения, включая их размеры, их массы. И поэтому давайте двигаться дальше.

Астрофизик Антон Бирюков рассказал об атомах во вселенной — Москва 24, 24.12.2014

В музее «Экспериментаниум» в рамках III сезона проекта «Ученые — детям» астрофизик, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ Антон Бирюков прочитал лекцию «Карманная вселенная». На ней слушатели узнали, где, когда и как возникли атомы, чем или кем были миллиарды лет назад, а также о том, следы каких астрофизических событий могут быть нанесены в собственном кармане.

Онлайн-трансляцию провело сетевое издание M24.RU. Приводим полную текстовую версию.

Добрый вечер, дорогие ребята, их мамы-папы и вообще взрослые. Я очень рад вас здесь видеть, огромное количество, совершенно не ожидал, что очень приятно. Мой рассказ я решил назвать «Карманная вселенная», как бы странно это ни звучало. Мой вопрос к вам сразу. Скажите, кто был в другом городе или может быть, в другой стране и привез оттуда какой-нибудь сувенир? Магнитик, брелок, тарелочки. У кого больше одного сувенира в доме? А больше десяти? Вообще здорово.

Сувенир, действительно, замечательная вещь. Во-первых, это память какая-то о поездке, о том, что она состоялась, а во-вторых, это некая часть того места, в котором вы были, из которого вы уехали и которое находится где-то далеко. Я недавно был в городе Казани и привез оттуда просто магнитик. Казалось бы, вещь-безделица, но он был сделан там, он там находился в магазине, потом мне дали его руки, я с этим магнитом ходил, то есть это некая частица этого города. И приятно, в общем-то, когда в доме остается часть чего-то, когда в любой момент можно взять и прикоснуться, то есть некое материальное выражение этой поездки.Но сувениры бывают не только про место. Сувениры бывают еще про время, в котором, может быть, мы никогда не были, никогда не будем, но, тем не менее, очень интересном. И вот один такой сувенир я сегодня принес вам. Я немного увлекаюсь коллекционированием монет. Здесь ее фотография, вот она у меня в руках, можно потом подойти и потрогать, только не уносите. Это медная монета, она называется деньга, это половина копейки, тогда были такие цены. Сделана она была в 1739 году, что на ней прямо и написано.275 лет назад. Это давно, никто из нас в то время не жил. Наши дедушки-бабушки тоже тогда не жили. Тем не менее, время это было замечательное.

Те из вас, кто учит историю, знают, что тогда правительницей время императрица Анна Иоанновна, и в это жило и работало огромное количество замечательных людей. Например, Михаил Васильевич Ломоносов, именем которого назван тот университет, в котором я работаю, наш замечательный ученый. Возможно, вы про него слышали, кто-то из вас изучает математику, был такой замечательный математик Леонард Эйлер, он работал в Санкт-Петербурге.И то, как вы сейчас изучаете математику, и то, как я изучал математику, эта система была создана именно им тогда, в 1739 году, из того времени, откуда пришла и эта монета. Кто-то из вас, возможно, был в Петербурге, был в Эрмитаже. Его построил архитектор Растрелли. Он тоже в это же время там был и работал. Возможно, вы слышали о таком композиторе — Иоганн Себастьян Бах. Он в это время работал в Германии. Его соотечественник на тот момент Иммануил Кант — это замечательный философ, он тогда готовился стать студентом университета.Много замечательных людей. И вот от того времени у меня в руках осталась эта монета. Возможно, кто-то из них ее держал в руках, вот именно ее. Возможно, я держу эту монету и поздоровался с Михаилом Васильевичем Ломоносовым, замечательное на самом деле чувство.

Но так ли стара эта монета, какой нам она кажется? 1739 год — 275 лет, достаточно много. Но давайте посмотрим. Она сделана из меди. Медь — это вещество или, как говорят, химический элемент, на латыни его обозначают Cu, медь.Например, делают провода. Вот провода в этой комнате наверняка сделаны из меди. Это металл. Есть и другие металлы, например, алюминий. Иногда провода делают из алюминия. Они похожи, но алюминий подходит больше для создания консервных банок для какой-нибудь газировки, например. Вещество может быть не обязательно металлом. Если вы покупали шарик воздушный, который сам тянется куда-то улететь, он наполнен гелием — это газ. Это другое вещество и химический элемент. Возможно, у вас или ваших мам есть золотые кольца.Золото — это еще один элемент. Вы все пишете карандашом, его грифель — это углерод, тоже один из элементов, из которого сделан наш мир. Вот что интересно, этот бриллиант — камень в кольце — это тоже бриллиант, он собран чуть-чуть иначе. Представьте себе кусок теста и булочку из этого теста. Вроде ничего в булочку больше не добавляли, тот же кусок теста, но, тем не менее, они все-таки разные. Так же различаются алмаз или бриллиант после огранки, и углеродный грифель карандаша.

Есть большое количество элементов, чуть больше сотни, 120 элементов.Из этих разных элементов и собран весь наш мир. Собрано все то, что нас окружает, и этот компьютер, и мы сами, и эти плафоны, и эта монета, и все, что сейчас стоит у меня на столе. Всего лишь из 120 различных элементов. Мы, в основном, их добываем из земли. Эта монета, прежде чем стать монетой, были специальные люди — горняки, они собрались, залезли в шахту. Большая коллекция всевозможных элементов. Больше всего кислорода, но в том числе та же самая медь, то же самое золото.Люди спускаются под эту землю и достают такие самородки, которые можно переплавить и сделать из них монеты, провода, что угодно. Углерод тоже добывается сначала в таком виде — это каменный уголь, либо в таких кристалликах — это алмаз. Это и это углерод. То есть, получается, монета, которую мы говорим, что она старая, это память о XVIII веке, то вещество, из которого она сделана, медь, до того, как стать монетой, находилась в земле и находилась, наверное, достаточно долго, потому что наша планета, как считают ученые, мы, астрономы, вместе с нашим Солнцем образовалась где-то 4,5 миллиарда лет назад.Это намного больше, чем 200 лет, чем 300. Солнце образовалось несколько раньше. Что происходило? В космосе летало большое-большое облако газа, типа как облако тумана. На самом деле это не просто газ был, там еще пыль была, похожая на ту пыль, которая в доме. Оно было очень большое и в какой-то момент начало сжиматься. Она начала сжиматься, образовался такой блин, оно сжималось не совсем симметрично, в центре зажглось Солнце — большой раскаленный газовый шар, и вокруг него оказался блин из такого же газового облака.Он начал крутиться и в нем, как снежный ком, из этой пыли, из этого газа накрутился такой большой снежок в нашей виде планеты и не только. Так образовалась наша Земля.

Как вы думаете, эта медь, это вещество в этом облаке уже было 4,5 миллиарда лет назад или возникло потом у нас на Земле? Оно существовало в этом газовом облаке. Вот этому веществу, этому кусочку меди, вернее, частицам, из которых он сделан, на самом деле миллиарды лет. И он несет в себе память не только о том, как его отлили, не только о Михаиле Васильевиче Ломоносове, но и о том процессе, как формировалась наша планета, наша планетная система, как сформировалось наше Солнце.

Ссылки по теме

Что значит вещество? Если мы возьмем любой материал, чистый материал, вот у меня здесь находится кусочек алюминия, из которого делают консервные банки, эта алюминиевая фольга у всех дома есть наверняка. Вы видите такую ​​картинку: такие стройные ряды каких-то маленьких то ли шариков, то ли кружочков, которые образуют равномерную сетку.Масштаб здесь представлен — одна миллиардная часть метра. Это микроскоп улавливает. Эти частицы, из сделан лист, называются атомы. Атомы и есть те строительные кирпичики, из которых весь наш мир. И когда мы говорим, что у нас есть медная монета или алюминиевый лист, это означает, что монета сделана из элементов меди, а лист сделан из элементов алюминия. То есть атомы бывают разные: бывают атомы гелия, атомы углерода. Что значит разные? Атом сам по себе — это не просто какой-то шарик, который есть и есть и ничего про него больше сказать нельзя.Они различаются по своему внутреннему строению. Здесь нарисован атом вещества бериллия, мы к нему еще вернемся, достаточно замечательный элемент. Как он устроен, считают ученые? Атом очень похож на нашу Солнечную систему. В центре есть ядро. Ядро состоит из частиц, которые называются протоны и нейтроны. Вот, например, атом углерода. Здесь синим цветом показаны протоны, положительно заряженные и не несущие заряд нейтроны. То есть ядро ​​атома — это некий комок, слепленный из протонов и нейтронов. Главное в каждом атоме то, сколько там протонов.В бериллии их четыре. И с другой стороны, любое ядро ​​атома, в котором четыре протона, это всегда бериллий. Не бывает алюминия с четырьмя протонами. В углероде всегда шесть. Не бывает углерода с другим числом протонов. Если там будет четыре протона, это уже будет бериллий, а не углерод. И все свойства этого вещества находятся в ядре этого атома. А вокруг ядра по своему орбитам, как планеты вокруг Солнца, вращаются маленькие электрончики. Как правило, в бериллии их четыре, здесь нарисовано три, может быть вообще ни одного, может быть пять.Это количество рассматривается. Количество нейтронов тоже может быть разным, а вот количество нейтронов должно быть всегда определенным.
Еще иногда говорят, что электроны двигаются по так называемым электронным оболочкам, но это мелочи. И в конечном итоге, атомы могут иметь такой странный вид, эти шарики, в центре имеют встроенное ядро ​​- это атом висмута, здесь 83 протона, 126 нейтронов, это большой комок, главное, что 83 протона и вокруг него 83 электрона вот по таким странным орбитам.На одной орбите может сидеть несколько электронов. Это достаточно тяжелый элемент, тяжелее свинца, это самый тяжелый из стабильных элементов.

Все элементы, которые мы знаем, ученые-химики собирают в виде такой таблицы, называется периодическая таблица химических элементов. Здесь их 118. На самом деле гипотетически открыто три-четыре элемента, но мы считаем, что их на самом деле, 118. В такую ​​таблицу они собираются неслучайно. Все элементы, которые находятся в одном столбце, имеют одинаковые свойства.Углерод — это основа нашей жизни, очень многое в нашем организме сделано из углерода. Он очень похож на кремний. Кремний — это элемент, из которого сделан компьютер, его много в мобильных телефонах, которые у вас сейчас в карманах. Как же возникает это разнообразие элементов, и как вообще можно измерить их возраст? Я подвожу к мысли о том, что все вещи, которые нас окружают, несут в себе память и объем памяти и процесс не только того, как их сделали (отлили лист фольги или отчеканили монету), они увеличивают память о том, как вообще образовывались атомы меди, алюминия, углерода и многих других.И здесь понять это нам как раз помогает астрофизика. Как и полагается, нужно начать с самого начала. Все началось давно, 14 миллиардов лет назад. 14 миллиардов лет назад родилась наша вселенная. Компания «РИА Новости» нарисовала очень хорошую картинку, думаю, они не обидятся, если я ее использую. В это время, как считается, вселенная была очень маленькая, по сравнению с тем, как сейчас, очень компактная, очень горячая. Она была похожа чем-то на звезду, сама себе звезда. Там было большое количество как бы вещества, постоянно летало, сталкивалось, что-то там взрывалось, что-то светилось.Это, правда, продолжалось в пределах одной секунды на этой картинке по радиусу: ранние стадии, чуть попозже, вот это несколько минут, этот кусок — уже сотни тысяч лет, и, наконец, до наших времен, когда возникли галактики и звезды, это уже миллиарды лет существования вселенной.

Так вот, нам несколько микросекунд, это очень мало. В этот промежуток образовались первые атомы.Самые первые атомы, образовались, были атомы водорода — самого легкого элемента. Кто-нибудь знает, где в самой простой вещи, которой каждый из вас пользуется каждый день, видел, находится водород? Совершенно верно, в воде. У меня тут есть бутылка с обыкновенной водой, я надеюсь, что обыкновенной, когда я ее покупал. Она по частицам на две трети из атомов водорода. Так вот, первая половина из этих атомов водорода находится именно здесь, в этой бутылочке, это атомы, которые родились 13,5 миллиарда лет назад во время большого взрыва.Они дожили до наших дней. Их собрали, сделали из них воду и налили в бутылочку. То есть у меня есть какое-то количество вещества с того времени, когда вселенная только зарождалась. Вместе с атомами водорода родились и атомы гелия — второй самый легкий элемент. Но это немного не тот гелий, над которым шарики. Гелий, которому надувают шарики, возник немного позже, и вот как. В какой-то момент, когда вселенная перестала быть достаточно горячей, она немного успокоилась, остыла, начали возникать звезды.Звезды так же, как возникло наше Солнце: было большое газовое облако, но тогда оно состояло только из водорода и гелия. Это наше Солнце образовалось, там был водород и гелий, и медь, и алюминий, и углерод, и много чего. А тогда был только водород и гелий, это облако начало сжиматься само собой, и в какой-то момент возникла первая звезда. То есть это то же самое газовое облако, только очень маленькое, очень компактное, очень плотное. Что значит зажглась? Казалось бы, просто газовый шар, чему там гореть? Оказывается, вот что: в центре звезды, в самом ее ядре (это взяли Солнце и сделали его разрез, у него есть некое ядро) находится все то же самое, что находится в других частях звезды — атомы водорода и гелия, но там очень горячо.Они там очень быстро двигаются. А сталкиваясь друг с другом, они умеют слепляться. Были два атома водорода, два протона, летели-летели, сцепились, полетели дальше. И вот здесь начинается немного волшебство. Дело в том, что эти протоны и нейтроны, из которых мы нейтрализуем, превращаются в друга. Когда сталкиваются два протона, один из них превращается в частицу нейтрона и получается такая пара — протон и нейтрон.Это все еще водород, в котором есть один нейтрон. Если они столкнулись еще с одной частицей протона, тогда возник такой конгломерат — два протона и один нейтрон. Это уже не водород, потому что число протонов другое. Это уже гелий. И столкновение двух таких частиц (они называются гелий-3, потому что по три частицы) родит обычную частицу гелия — два протона, два нейтрона. Смотрите, что произошло. У нас были обычные частицы — самые простые, протоны, которые родились в момент рождения вселенной. Природа сделала так, что им стало, они начали работать и слепить в частицы более тяжелые, более сложные.Был водород, образовался гелий. То, что происходит, называется термоядерная реакция или реакция горения, или реакция синтеза элементов. То есть в звездах возможна такая ситуация, когда более легкие частицы образуются более тяжелыми и таким образом, из более легких элементов типа водорода и гелия можно образовывать более тяжелые. Например, ядра гелия тоже можно столкнуться и получить ядро ​​бериллия. А к нему можно присоединить еще одно гелия и получить, тот самый грифель.

Так вот, тот грифель в карандашах, вы которые вы используете, или те камни алмазные вх ваших мам, они образовались в звездах именно таким образом — давно, миллиарды лет назад их украшения были слеплены сначала от просто протонов, ядер гелия.А вот ядра бериллия, к сожалению, не сохраняются. Природа так сделала, что это ядро ​​живет очень недолго, и дай ему божественное дожить до того, что с ним столкнулось еще одно ядро ​​гелия. Тем не менее, бериллий у нас во вселенной есть, правда, это самый редкий элемент во вселенной. То есть, можно сказать, самый дорогой, по идее, должен быть, даже не алмазы, не золото, еще можно придумать какой-то элемент, а именно бериллий. В конце концов, в звезде, как в котле, начинают вариться элементы, и возникает такая ситуация, что в верхнем слое, где температура была поменьше и было не так, осталось водород.Чуть поглубже водород, что называется, выгорел, превратился в гелий. Чуть поглубже гелий смог превратиться в камеру, а здесь не смог, таким и остался. И возникли такие слои: углерод, неон, которому мы дышим, кремний, из каких компьютеров, и железо. А вот железо уже ни во что превратиться не может. То есть получился такой объект: в центре большой железный шар, болванка размером тысячи километров, и вокруг такие оболочки из кремния, кислорода, углерода и так далее. Что происходит с такими звездами? В какой-то момент через несколько миллиардов лет звезда начинает терять возможность перерабатывать вещество, этот котел потихоньку остывает, и звезда начинает потихоньку расползаться.Это вещество, эта оболочка начинает спадать, порождая для нас такие потрясающие картины. Это называется планетарная туманность, в данном случае это туманность Кошачий глаз. В центре очень старая звезда, с поверхности которой вот таким странным образом начинает истекать вещество. Это то самое наработанное вещество, которое просто выбрасывается в космос. Я сейчас говорю о звездах, они скорее превращаются в красные гиганта и потихонечку расползаются вот в таком виде — туманность Песочные часы, или в таком — знаменитая планетарная туманность Кольцо.Планетарными назвали раньше, что думали, что здесь как бы звезда, а из этого диска в какой-то момент образуются планеты.

На самом деле, нет, они не образуются. Это вещество — оболочка, которая сбрасывает звезду. И вместе с ней в космос выбрасываются все созданные элементы, как фабрика выбрасывает продукцию. Вот в таких звездах маломассивные те элементы, которые были выброшены, потом попали к нам на Землю. Они попали в облако, из которого было сделано Солнце и наша Земля, и вот что нам попало, например, попали азот и кислород.Наша комната сейчас наполнена воздухом, мы дышим воздухом. Тут очень много частиц, в каждом кубическом сантиметре 1019 частиц, это очень много. Эти все частицы, практически все из них, были однажды выброшены в такой планетарной туманности одной из маломассивных звезд. Вот именно те частицы, которые присутствуют здесь у нас в комнате.

Натрий и хлор. Возможно, маленьким слушателям эти слова еще не всеким говорят, я скажу просто — соль. Вот в колбочке обычная поваренная соль. Соль — это соединение натрия и хлора, двух элементов.И эта соль, эти частицы тоже когда-то были в планетарной туманности, 7 миллиардов лет назад. И теперь они у меня сейчас здесь, я их вам показываю. Там же выбрасывается кремний. Это достаточно легкий элемент, и поэтому компьютеры, мобильные телефоны, все полупроводниковые устройства когда-то были такие же планетарной туманностью. Не похожие атомы, а именно те, которые находятся сейчас здесь у нас. Как ни странно, из таких маломассивных звезд выбрасывается элемент — титан. 4 октября 1957 года был запущен первый искусственный спутник Земли — началась космическая эра.Правда, сегодня не круглая дата, но, тем не менее, это годовщина. Вот титан считается таким космическим элементом.

Если вы поедете на ВДНХ в Музей космонавтики, там будет памятник — взлетающая ракета. Вот она сделана из титана. Из него очень любят делать космические корабли. Первый спутник, правда, был сделан из алюминиевого сплава, но тем не менее. Или на Ленинском проспекте есть высоченный памятник Гагарину, он тоже сделан из титана. Но в нашем быту титан важен тем, что из него очень часто делают белила — обыкновенную белую краску непрозрачную.Вот этот лист белый, он белый и непрозрачный, скорее всего, потому что здесь находится титан. То есть вот этот белый лист — это тоже планетарная туманность несколько миллиардов лет назад. Или, может быть, несколько планетарных туманностей, соединенных воедино.

И наконец, из этой планетарной туманности выходят элементы, важные для нас. В первую очередь это углерод, фтор, фосфор, сера, но не железо. Мы живые существа, так называемая органическая жизнь.И очень важная составляющая нашего организма — это углерод. Эти частицы были рождены в недрах из одной земли, попали в нас. Воздух в комнате — это смесь, которая лишь на четверть состоит из кислорода, но для жизни важен именно кислород. Это что касается маломассивных звезд. В них, как я уже сказал, образуются элементы до железа, причем железо, в общем-то, не улетает. А наша кровь, как мы знаем, она красная, потому что в ней есть железо.Вопрос: если железо не вылетает, как оно в нас попало? А попало оно к нам из других звезд. Не все звезды заканчивают свою жизнь таким спокойным образом. Если звезда достаточно тяжелая, достаточно массивная, живет она недолго, но умирает она ярко. В звездах почти как у людей — чем больше масса, тем короче жизнь. Поэтому следите за своей массой. И вот один из таких примеров — так называемая вспышка сверхновой звезды. Жила-была звезда (на фотокартинках) и 24 февраля 1987 года вспыхнула. По сути, звезда взорвалась.Звезда не смогла больше перерабатывать, вещество и она практически полностью разлетелась. И вот следы этого разлета мы до сих пор можем наблюдать. Эта центральная область — это газовая оболочка, которая разлетается и будет дальше и дальше расширяться. Так взрыв звезды представляет себе художник, а такие оболочки астрономы наблюдают реально в космосе при помощи космических телескопов. Это просто вещество, которое было выброшено в космос.

Уже сейчас понятно, что когда взрывается звезда, образуется практически все. Выбрасывается огромное количество элементов, в том числе которые потом становятся кометами. И да, действительно на кометах может быть вода. Но во время взрыва массивных звезд интересно то, что не просто выбрасывается вещество, но могут образовываться другие элементы, гораздо более тяжелые.
Например, та же самая медь или какой-нибудь кобальт образуются именно в момент вспышки сверхновой. Медную монету я показывал, а показать в качестве примера кобальта могу такую ​​кружечку для минеральной воды.Она синего цвета. Если вы видите где-то старую синюю краску, скорее всего, она синяя, потому что в ней находится кобальт. Эта кружка содержит достаточно большое количество этого вещества, и это то самое вещество, которое когда-то вылетело во время вспышки сверхновой звезды, не очень далеко от того места, где родилось наше Солнце. То есть это память о том событии, о таком взрыве, она у меня дома есть и принимает на данный момент такие формы.

Как это происходит? Это, наверное, самый сложный момент во всей лекции.Я даже не буду говорить, как это называется по-научному, но, как я уже говорил, важно количество протонов. Представьте себе, что есть железо. В железе находится 26 протонов и какое-то количество нейтронов, например, 30. Когда звезда взрывается, вещество начинает разлетаться, там из частиц возникает очень сильная толкучка. Они там все в панике, ну еще бы, они не знают, куда им деваться, они начинают быстро летать и сталкиваться друг с другом. И вполне возможна такая ситуация, что к ядру атома железа присоединяется один нейтрон.Оно не перестанет быть железом, оно просто станет железом, в котором нейтронов не 30, а 31. Так может повториться несколько раз — 32 нейтрона, 33, то есть всего 59 частиц, а не 56, но после чего один из нейтронов превращается в протон , количество протонов увеличилось и уже превратилось в кобальт. Так возник новый элемент.

Этот процесс может повториться и идти дальше, например, до меди. Именно таким образом возникает медь, возникает медная монета. Вот, собственно, как образуется то вещество, частицы, которые образуются, мы сами, из которых состоит наш мир.Часть из них образуется в звездах маломассивных и просто рассеивается типа того же самого титана или алюминия и соли. Элементы более тяжелые типа меди и кобальта образуются в грандиозных вспышках сверхновых звезд. И все те частицы, которые находятся у меня на столе, образовались несколько миллиардов лет назад во время одного или нескольких таких событий. Потом те атомы, образовались, они могут образоваться в молекулы. Вода — это соединение двух атомов водорода и атома кислорода.Этот процесс уже может идти на земле, потому что этот процесс идет за счет электромагнитных сил, а не за счет сил ядерных. Вот на земле ядерные технологии практического развития, именно поэтому все атомы, которые у нас образовались, те атомы, которые есть, они образовались в звездах. Но это не единственное событие, память о нас здесь на столе есть. Есть еще одно, по крайней мере, интересное астрофизическое, астрономическое событие или явление, память о котором есть прямо у нас здесь. Вы помните, что в «Волшебнике изумрудного города», по логике, весь город был усыпан изумрудами.На самом деле он был усыпан стекляшками, но просто им давали зеленые очки. Но будем считать, что он был все-таки изумрудный, то есть он был сделан из изумрудов. А откуда возникли те же самые изумруды? Этот город — это памятник какому астрономическому явлению? Изумруды образовались не в маломассивных и не в массивных звездах. То, что мы сейчас называем изумрудом, по большей части образовалось в рамках другого явления. Их тоже добывают из земли в виде таких самородков, потом их очищают, огранивают, и вот у меня есть вполне настоящий изумруд, ничуть не хуже, чем те, которые находятся здесь.

Что это такое? С точки зрения ученых, это минерал. И главная составляющая в этом минерале (там атомы разных типов) — бериллий. Тот самый бериллий, который в два раза больше показывает, в котором происходит один из четырех последних нейтронов, который не образует звезды. Смотрите, что может произойти. Жила-была галактика, типа такой, — это галактика М33, очень похожа на нашу, и в какой-то момент в ней вспыхивает яркая звезда. Это сверхновая звезда взрывается. Из нее вылетать частицы, то есть образуются новые частицы, и уже начинают вылетать вновь образованные частицы.Они вылетают, начинают лететь по галактике, они называются космические лучи. В принципе, эти частицы, тяжелые ядра, слепые из большого количества протонов и нейтронов, могут столкнуться с кем-то, с такими же протоном, мало ли у нас в галактике летает, с пылинкой, еще чем-то . Они сталкиваются и разлетаются на осколки. Вот осколки могут быть уже ядрами поменьше. И часть этих осколков — это ядро ​​бериллия и лития, тоже достаточно редкий элемент, который в звездах практически не образуется.Бериллий потом переходит в изумруды. Литий потом переходит в те же самые мобильные телефоны, в них находится аккумулятор, литиевый аккумулятор. То вещество (литий), из которого он сделан, было образовано в рамках таких систем как в галактике более тяжелых частиц с более легкими. То есть, прежде чем прилететь к нам на Землю и стать аккумулятором, эти частицы прошли очень долгий путь во многие тысячи световых лет.

В результате таблица химических элементов для астрономов выглядит немного в другом раскраске.Здесь все показано то, как произошли эти элементы. Водород и гелий — считает их первичное происхождение, что они родились еще в момент происхождения вселенной. Более легкие элементы, которые показаны розовым цветом, образовывались в маломассивных звездах. Естественно, они пересекаются с более тяжелыми, которые разрастаются в массивных звездах, сверхновых. Какие-то элементы в маломассивных звездах не вырабатываются. Например, в нашем Солнце железо, никогда не будет выработано, но, тем не менее, свою водородно-гелиевую оболочку оно скинет через несколько миллиардов лет.Но помимо этого, здесь есть несколько элементов, которые показаны серым цветом. Это элементы, которых в природе нет. Что это значит? Казалось бы, в природе их нет, а в таблице они есть. Это элементы, которые в природе, скорее всего, не образуются. Они были созданы и открыты у нас на земле человеком в лабораторных условиях. Люди начали экспериментировать: давайте возьмем несколько тяжелых состояний и будем их сталкиваться, вдруг они слепятся во что-то очень тяжелое. И действительно это получается сделать.

В качестве примера очень часто используемых элементов дают имена известных ученых — к примеру, элемент менделевий, в котором содержится 101 протон, вокруг вращается 101 электрон. Единственная фотография, которую я нашел, это такой слегка светящийся голубоватым светом кусочек металла. Это вообще металл. Эйнштейний — это тоже металл, он тоже светится. Дело в том, что эти элементы радиоактивны, нестабильны и живут недолго. Менделевий живет лишь полтора месяца, потом половина его распадается.Этих элементы очень мало, их воспринимают несколько элементов, но, тем не менее, для ученых достаточно, чтобы считать, что они открыты очень мало. И нельзя сказать, что то, что окружает нас, из них сделано. Поэтому по большей части, на 99%, те частицы, те элементы, те атомы, из которых состоит мы, из которых все окружающее нас пространство, они хотя бы один раз уже побывали в недрах звезд, таких же звезд, которые вы видите, когда выходите ночью, за городом. Видите Млечный путь, видите звезды, в которых прямо сейчас формируются такие же элементы.
И если меня спрашивать, не хотел, чтобы я стала звездой, я обычно отвечаю: спасибо, я уже был. На этом у меня все. Спасибо за внимание.

ИОНИЗАЦИЯ • Большая российская энциклопедия

ИОНИЗА́ЦИЯ, положительных и отрицательных электронов из электрических и нейтральных атомов и молекул. Положительные ионы образуются в результате отрыва электрона (или электронов) от атомов и молекул.Присоединить электроны и образовывать отрицательные ионы. Подвергаться И. могут и ионы, при этом повышается их кратность. Под И. понимают как элементарный акт (И. атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (И. газа, жидкости). И. может происходить при столкновении частиц (столкновение, или ударная, И.), под действием электромагнитного излучения (фотоионизация), под действием электрич.поля ( ионизация полем ). На поверхности твёрдого тела или жидкости — поверхностной ионизацией, происходит происходящая при взаимодействии частиц или частиц внутри вещества (среды). Положительные и отрицательные ионы образуются также при электролитической диссоциации .

Атомы и молекулы, имеющие много электронов, в результате одного акта И. или при последовательных актах И.-} $), либо в случае положительно заряженных вил, в виде спектроскопич. символ (напр., для приведенных выше указанного кислорода и железа: $ \ ce {OII, \, OIV, \, FeXXV} $). Здесь рим. цифрой указывается число, на единицу большее заряда иона. Цифра $ \ ce {I} $ соответствует нейтральному атому. Атомы могут быть ионизованы до ядер. Молекулы не бывают сильно заряженными, т. к. они становятся устойчивыми и распадаются (диссоциируют).Максимально возможный отрицательный заряд и заряд сродством к электрону и не большим трёх электронных зарядов (см. Отрицательные ионы).

При установке заряженных частиц ионизованный газ превращается в плазму, которая резко отличается по своим свойствам от газа нейтральных частиц. Процессом, обратным И., рекомбинация является первым и электронов — образование из нейтральных атомов и молекул.Процессы И. и рекомбинации восстанавливают роль во всех электрич. разрядах в газах и в разл. газоразрядных приборов.

Столкновительная (ударная) ионизация

Важнейшим механизмом И. в газах и плазме является И. при столкновении (ударе) свободного электрона с невозбуждёнными или возбуждёнными атомами или молекулами. Для отрыва электрона из атома, находящегося в осн. состояние, требуется затратить энергия ионизации , равная энергия связи.Энергия связи осн. уровня колеблется от миним. энергии 3,89 эВ для цезия до максимальной 24,59 эВ для гелия. Свободный электрон, обладающий энергией большей (или равной) энергии связи, при столкновении с атомом (молекулами) выбивает из него (ее) один электрон и образует однозарядный положительный ион. Минимум. значение кинетич. энергии ионизующего электрона называется порогом И. Элементарный акт И. частицей (или фотоном) характеризуется эффективным сечением И.Величина сечения растёт от нуля при пороговой энергии до определенного макс. значения и затем плавно с эффектом энергии. В случае ударной И. сечение максимально при отрыве внешних валентных электронов и малó для внутр. электронов. Если свободный электрон обладает кинетич. энергией, достаточной, чтобы оторвать от атома два электрона или более, то происходит двухэлектронная или многоэлектронная И. Сечение И.таких процессов значительно меньше, чем сечение одноэлектронной ионизации.

Если энергия налетающего электрона меньше порога И., то атом может перейти в возбуждённое состояние, а ионный атом при следующем столкновении с др. электроном. Такая И. называется ступенчатой. И. газа обычно осуществляется в последовательных столкновениях (многоступенчатая И.). Когда происходит столкновение, происходит так, что части в промежутке между двумя соударениями не успевает потерять энергию, полученное в предыдущем столкновении (плотные газы, высокоинтенсивные потоки бомбардирующих частиц и излучения).Многоступенчатая И. существенна, когда частицы ионизуемого вещества обладают метастабильным состоянием, т. е. способны относительно долгое время возбуждения возбуждения. При быстром росте числа носителей зарядов, когда возникает достаточно высокая степень И. среды, происходит электрич. пробой, среда становится проводящей, происходит резкое уменьшение сопротивления среды. (Отношение числа к числу нейтральных частиц в единице объёма называется степенью ионизации.)

При столкновениях и атомами может происходить происходить И. не только бомбардируемых, но и бомбардирующих частиц. Налетающие нейтральные атомы, теряя электроны, превращаются в ионы, а у налетающих увеличивается заряд. Такой процесс называется «обдиркой» пучка частиц.

Термическая ионизация

И. может вызываться не только частями, налетающими извне. При достаточно высокой скорости темп-ре, когда энергия теплового движения элементов (молекул) велика, они могут ионизовать друг друга при взаимных столкновениях — происходит термическая И.Значит. темп-рах 10 ³ –10 ⁴ К, напр. в пламени, в дуговом разряде, в ударных волнах, в звёздных атмосферах. Степень термической И. функция газа как функция его темп-ры и давление для термодинамически равновесной среды можно оценить Сахалой, согласно которой степень И. любого атома растёт с темпами роста электронов. В достаточно разреженной горячей среде (напр., в солнечной короне) степень И. газа определяется рождением зарядов за счёт И. электронами и их гибелью в результате радиационной и диэлектронной рекомбинаций. В этих условиях степень И. среды зависит только от её темп-ры, но не зависит от плотности среды, поскольку И. и рекомбинация одинаково (пропорционально) оказывает от концентрации электронов.

Фотоионизация

В этом случае энергии ионизующего фотона $ hν $ должна быть не меньше энергии ионизации ($ h $ — постоянная Планка, $ ν $ — частота излучения).Для всех этих состояний удовлетворяют фотоны ультрафиолетового и коротковолнового излучения. Фотоионизация играет важную роль, напр., В процессах И. верхних слоёв атмосферы (ионосферы), в образовании стримеров при электрич. пробое газа и т. д. Фотоны больших энергий (рентгеновские и $ γ $ -кванты) могут эффективно вырывать электроны не только с внешних, но и с внутр. электронных оболочек элементов.

Ионизация лазерным излучением

Обычно частота лазерного излучения недостаточна для того, чтобы поглощение одного фотона вызвало И. Однако высокая плотность потока фотонов в лазерной пучке делает возможной И., обусловленную поглощением нескольких фотонов (многофотонная ионизация). Напр., В разреженных пара́х щелочных металлов наблюдалась И. с поглощением 7–9 фотонов.В плотных газах И. лазерным излучением не очень большой расход происходит комбинированным образом. Сначала многофотонная И. освобождает «затравочные» электроны. От них начинается лавинная И. Разгоняясь полем световой волны, электроны ударно возбуждают атомы, которые ионизируются светом, но с поглощением меньшего числа фотонов.

Ионизация в твёрдом теле

представляет собой процесс перехода электронов из валентной зоны кристалла в зоне проводимости, в результате чего атомы твёрдого тела появляются в ионы.В случае примесных элементов И. происходит при потере или захвате ими электронов. Энергия И. в твёрдом теле имеет значение порядка ширины запрещённой зоны. В кристаллах с узкой запрещённой зоны электроны могут приобретать энергию за счёт энергии тепловых колебаний атома (термическая И.). Если сообщенной электронам энергии при поглощении твёрдым телом фотонов достаточно для И., возможна фотоионизация. И. происходит также, когда через тело проходит поток заряженных (электроны, протоны) или нейтральных (нейтроны) частиц.Самостоят. интерес представляет также ударная И. в сильном электрич. поле, наложенном на твёрдое тело. В поле участвующих в электропроводности электроны в зоне проводимости могут быть установлены достаточные кинетич. энергия, чтобы выбить электроны из валентной зоны, где они не участвуют в электропроводности. При этом в валентной зоне образуются дырки, в зоне проводимости вместо каждого «быстрого» электрона появляются два «медленных», которые, ускоряясь в поле, могут, в свою очередь, стать «быстрыми» и вызвать И.Вероятность ударной И. возрастает с ростом напряжённости электрич. поля. При некоторой критич. напряжённости ударная И. приводит к резкому увеличению плотности тока, т. е. к электрич. пробою твёрдого тела.

О чем мечтает доктор Хаус: Книги: Культура: Lenta.ru

Из чего состоят живые тела и при чем тут углерод? Что такое генетический код, кто такие вирусы, как устроено эволюционное древо и почему произошел кембрийский взрыв? Книга Сергея Ястребова «От элементов к древу: Введение в современную науку о жизни» дает ответы на эти и многие другие вопросы.«Фокусом» служит эволюция жизни на Земле: автор считает, что только под этим углом самые разные биологические проблемы обретают единый смысл. Книга вышла в финал конкурса в области научно-популярной литературы «Просветитель». С разрешения издательства «Альпина Нон-фикшн» «Лента.ру» публикует фрагмент исследования.

Из чего состоят живые организмы?

Ответить на это очень легко: живые организмы, как и неживые тела, состоят из атомов.

Значение этого утверждения, что называется, трудно переоценить.Нобелевский абсолютный лидер Ричард Фейнман говорил в начале своих знаменитых «Фейнмановских лекций по физике»: «Если в результате какого-то мирового катастрофы все накопленные научные знания оказались уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло наименьшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза (называть ее не гипотезой, а фактом, но это не меняет): все тела состоят из атомов — маленькие телец, которые находятся в непрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются на небольшом расстоянии. них плотнее прижать в другому ».

Сказанное Фейнманом, конечно, правда. Однако утверждение обязано иметь или другие границы применимости. Поищем их и тут. Атомная гипотеза — это великое достижение мысли, но целиком ли Вселенная гипотеза из атомов? И все ли живые организмы состоят только из них?

На первый из этих вопросов ответ, как ни странно, будет однозначно отрицательным. Начнем с того, что наша Вселенная возникла в результате Большого взрыва примерно 13,8 миллиарда лет назад, и с тех пор ее состав сильно изменился.Насколько можно судить, в первые 300 000 лет во Вселенной не было ни одного атома (хотя были частицы других типов). Но и после того, как атомы возникли, они не стали главной составляющей космоса. По данным космической обсерватории «Планк», нынешняя Вселенная на 4,9 процента из обычных частиц, способных сложиться в атомах, на 26,8 процента — из темной материи (которая не проявляет никаких наблюдаемых свойств, кроме массы) и на 68, 3 процента — из темной энергии (про которую вообще непонятно).Грубо говоря, Вселенная из обычных атомов не больше чем на 5 процентов.

Подчеркнем, что эти соотношения отражают современное положение вещей. Несколько миллиардов лет назад они наверняка были иными, ведь Вселенная непрерывно развивалась; это подтверждается и расчетами на основе общей теории относительности. Итак, данные исследования показывают, что сейчас части Вселенной, построенные из обычных веществ, представляют собой, по сути, всего лишь острова среди океанов темной материи и темной энергии, в глубину которых предстоит еще только заглянуть людям.

А вот на наш второй вопрос — все ли системы состоят из элементов? — ответом будет уверенное «да». В этом плане биологический мир гораздо менее разнообразен, чем физический. Любое живое существо построено из атомов, в полном соответствии с классической атомной гипотезой. Примеры использования не атомных форм жизни можно пока найти лишь в научной фантастике.Например, в великом романе Станислава Лема «Солярис» регистрируются живые существа, созданные не из атомов, элементы частиц — нейтрино. Но это не более чем мысленный эксперимент, поставленный писателем. В реальной биологии нам приходится иметь дело только с атомами и устойчивыми сочетаниями, которые называются молекулами. А из молекул, в свою очередь, складываются вещества. Как писал тот же Фейнман, любое вещество — это свой тип расположения элементов.

Фото: Питер Макдиармид / Getty Images

Мир элементов довольно разнообразен.На момент написания этих статей ученым известно 118 видов элементов, которые допускаются называть химическими элементами. Правда, в живых телах встречаются далеко не все из них, а те, что встречаются, распределены там очень неравномерно.

Хорошая новость заключается в том, что атомы часто бывают очень долговечными. В тех процессах, которые непосредственно изучает биология, они почти никогда не распадаются, не возникают заново и не превращаются друг в друга. Это не означает, что они не превращаются друг в друга вообще никогда: очень скоро мы увидим, что, если бы не было взаимных превращений элементов (точнее, их ядер), во Вселенной не смогла бы вся жизнь.Однако для понимания, как устроены живые тела.

Кратко про атомы

Итак, атомы.

Уже давно известно, что они состоят из трех типов частиц частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны — частицы относительно массивные, любой из них примерно в 1800 раз тяжелее электрона. Из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, а из электронов — внешняя оболочка атома, которая обычно прямо так и называется электронной оболочкой.Электроны, образующие оболочку, перемещаются вокруг него по устаревшим траекториям, но, как правило, не слишком от него удаляясь.

Самое важное для нас свойство элементарных частиц даже не масса, а электрический заряд. Здесь используются абсолютно четкие и очень простые закономерности.

• Протон электрически заряжен положительно, электрон — отрицательно, а нейтрон не имеет никакого заряда.

• По величине отрицательный заряд электрона строго равенство положительному заряду протона.Принято считать, что протон имеет заряд +1, а электрон –1.

• Число электронов в атоме по умолчанию количество протонов, так что заряд целого атома равен нулю. Если же число электронов отличается от числа протонов, значит, перед нами не просто атом, а заряженная ионца.

Физики еще в XVIII веке электрическнили, что электрические заряды бывают двух типов: положительные и отрицательные. Также они появляются, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются.Этот закон называется основным законом электростатики, или законом Кулона (на самом деле он записывается формулой, позволяющей точно определить силу притяжения или отталкивания, но мы тут обойдемся без математики). Закон Кулона действует где угодно, в том числе и внутри атома. Собственно говоря, электроны и протоны, потому что они электростатически притягиваются друг к другу. Протоны и нейтроны «склеиваются» в атомное ядро ​​притяжением совсем другого рода — так называемым сильным ядерным добавлением, которое на маленьких расстояниях мощнее электростатического.Именно поэтому протоны в ядре держатся вместе, несмотря на отталкивающую их друг от друга кулоновскую силу.

Фото: Питер Макдиармид / Getty Images

Самый главный параметр любого атома — это число протонов, или атомный номер (Z). Величина Z однозначно определяет положение данного атома в периодической системе элементов, то есть в таблице Менделеева. Как мы уже знаем, число электронов, обычно число протонов. А вот что касается числа нейтронов, то оно может при одном и том же числе протонов быть разным.Атомы, имеющие одинаковый атомный номер, но разное число нейтронов, называются изотопами. Не упоминается слово «изотопы», значит, число нейтронов в данном случае неважно. Все атомы, имеющие одинаковое число протонов, по определению к одному химическому элементу.

Самый простой из всех атомов — водород (Z = 1). Он состоит из одного протона и одного электрона. Нейтронов в нем может не быть вовсе (хотя могут и быть, в зависимости от того, какой это изотоп). Если будет лишен обычный простейший ионный ион, как «голый» протон, останется положительно заряженный ион.

Еще в начале XIX века английский химик и врач Уильям Праут выдвинул опередившую свое время гипотезу, что атомы всех других химических элементов образуются в результате объединения того иного количества атомов водорода. И он был не так уж далек от истины. Все атомы действительно состоят из однотипных частиц, самый простой возможный набор, который дает не что иное, как атом водорода (Z = 1). Второй по сложности атом — гелий (Z = 2), третий — литий (Z = 3), ну а дальше в нашем распоряжении вся таблица Менделеева.Самые тяжелые атомы содержат больше сотни протонов и около двух сотен нейтронов. Но с такими чудовищами мы в биологии не встретимся.

Химические связи

Самый важный для нас способ взаимодействия атомов называется ковалентной связью. Это связь, образуемая общей парой электронов — по одному от каждого из двух элементов. Можно считать, что электроны этой пары принадлежат обоим атомам сразу. На графических формулах, отображающих строение молекул наглядно, ковалентную связь обозначают простые чертой символами химических элементов.Именно такими связями и соединены атомы в большинстве обычных молекул. Пример — молекула водорода. Она состоит из двух атомов водорода (H), образующих единственную ковалентную связь между собой: H – H, или сокращенно h3.

Иногда ковалентные связи бывают двойными — образованными сразу двумя парами электронов — или даже тройными — образованными тремя парами. Чем выше кратность связи, тем эта связь при прочих равных условиях прочнее. Двойные ковалентные связи встречаются в биологии очень часто.Тройные — намного реже, но знать об их существовании все-таки не помешает. На графических формулах двойные и тройные связи обозначают, соответственно, двойными или тройными черточками между символами элементов. Например, между атомами кислорода (O) вполне может образоваться двойная связь. В результате получится молекула O = O, или сокращенно O2. Кстати, это и есть тот самый атмосферный, которому мы дышим.

Гораздо реже ковалентной (по крайней мере, в живой материи) представляет собой ионная связь, представляющая собой электростатическое притяжение заряженных частиц.Мы уже знаем, что по закону Кулона одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Поэтому положительно заряженная частица (катион) и отрицательно заряженная (анион) обязательно притянутся друг к другу. Уже регистрируется, что ионом называется любая самостоятельно существующая части, в которой число электронов отличается от числа протонов. Сам этот термин, предложенный Майклом Фарадеем, происходит от греческого слова, означающего «идущий»: в растворе, через который пропущен электрический ток, положительно заряженные ионы движутся к отрицательному полюсу, отрицательные — к положительному.Атом становится ионом, если он приобрел лишний электрон или наоборот, часть своих электронов где-то потерял.

Отличный пример ионной связи демонстрирует всем известная поваренная соль NaCl (натрий хлор), формулу которой можно переписать как [Na +] [Cl–]. Это означает, что в кристалле используется один из положительно заряженных заряженных автомобилей. В данном случае каждый атом хлора как бы отбирает один электрон у соседнего атома натрия.

Элементы жизни

Химический состав живой материи довольно однообразен. Для того чтобы в первом приближении разобраться в мобильном устройстве, достаточно знать всего-навсего пять химических элементов. Это водород (H), кислород (O), азот (N), углерод (C) и фосфор (P). На атомные номера этих элементов мы пока не будем обращать внимания: во-первых, нет ничего легче, чем больше в таблице Менделеева, для нас гораздо важнее другой показатель.Самое главное, что нам нужно знать о любом химическом элементе, — это его валентность, то есть число ковалентных связей, которые могут образовать его атом.

Итак, валентность водорода равна 1, кислород — 2, азот — 3, углерод — 4 и фосфора — 5. Эти числа надо просто запомнить. Иногда из перечисленных элементов бывают и другие валентности, но, занимаясь биологией, можно игнорировать во всех некоторых случаях, кроме немногих особо оговоренных. Одновалентный водород, двухвалентный кислород, трехвалентный азот, четырехвалентный углерод и пятивалентный фосфор — главные химические слагаемые жизни (см.рис. 1.2). Иногда по ходу разговора нам будут встречаться другие атомы, например, сера (S), натрий (Na), хлор (Cl), калий (K) или железо (Fe). Но постоянно помнить о них не надо. Пяти главных биогенных (то есть образующих жизнь) химических элементов для начала вполне достаточно.

Сверхновые и жизнь

Не подлежит сомнению, что большинству в Вселенной — это атомы водорода и гелия. Астрофизики утверждают, что 13 миллиардов лет назад, есть «всего» через несколько сот миллионов лет после Большого взрыва, соотношения были следующие: примерно 75 процентов атомов во Вселенной составляющих атомы водорода, примерно 25 процентов — атомы гелия, а на атомы всех более тяжелых элементов, вместе взятых, приходилось 0,00007 процента.Конечно, с тех пор Вселенная изменилась. Но и сейчас все элементы, кроме водорода и гелия, составляют в сумме не больше 2 процентов химических элементов. Между тем очевидно, что из водорода, валентность которого равна единице, и гелия, который вообще неохотно образует химические связи, никаких сложных молекул не построишь.

Сравнив количество разных видов элементов в современной Вселенной, мы сразу увидим, что самые распространенные в ней после водорода и гелия элементы — кислород (Z = 8), углерод (Z = 6) и азот (Z = 7).Это можно наглядно показать на графике, изображем относительное обилие химических элементов нашей галактике Млечный Путь (см. Рис. 1.3). По горизонтальной оси там можно отложить атомный номер (Z), а по вертикальной — распространенность элементов, причем желательно в логарифмическом масштабе (попросту говоря, это означает, что каждая «ступенька» на вертикальной оси соответствует разнице на единицу, а в 10 раз) . На таком графике первым делом взяты уже известные нам факты: водорода и гелия в Галактике во много раз больше, чем всех остальных химических элементов вместе.Эти два элемента — вне конкуренции. В области лития (Z = 3), бериллия (Z = 4) и бера (Z = 5) наблюдается явный провал, потому что ядра этих состояний устойчивы: в системе ядерных факторов, происходящих в звездах, они легко синтезируются, но так же легко и распадаются. Ядро железа (Z = 26), наоборот, исключительно устойчиво. Многие ядерные реакции, идущие в недрах звезд, на нем заканчиваются, поэтому железо дает на графике высокий пик. Самые распространенные, кислород, углерод и азот, именно те, которые стали химическими «кирпичиками» жизни.Вряд ли это случайность.

Фото: Питер Макдиармид / Getty Images

Кроме того, нельзя не заметить, что график обилия химических элементов в Галактике — отчетливо «зубчатый». Элементы с четными атомными номерами в среднем встречаются во Вселенной намного чаще, чем элементы «примерно того же достоинства» с нечетными. Еще сто лет назад на это независимо друг от друга обратили внимание два химика — итальянец Джузеппе Оддо и американец Уильям Харкинс. Их статьи вышли, соответственно, в 1914 и 1917 годах.Согласно правилам, согласно которым элементы с четными номерами при прочих равных условиях преобладают, до сих пор называется в их честь правилом Оддо — Харкинса. Это правило обязательно принимать во внимание, например при анализе химического состава земной коры.

Разгадка правила Оддо — Харкинса была предложена уже его первооткрывателями. Дело в том, что атомные тяжелые элементы образуются в основном за счет слияния более ядерных ядер. Между тем ясно, что при слиянии двух одинаковых атомных ядер в любом случае получится ядро ​​элемента с четным числом протонов, то есть с четным атомным номером.А затем образовавшиеся ядра сливаются друг с другом, давая опять же в первую очередь элементы с четными номерами. Например, «горение» гелия (Z = 2), при котором его ядро ​​происходит друг с другом с большим выходом энергии, дает сначала неустойчивые короткоживущие ядра бериллия (Z = 4), потом ядра углерода (Z = 6), а потом и кислород (Z = 8).

До начала звездообразования во Вселенной были только водород, гелий и следовые количества лития. Насколько мы сейчас знаем, все элементы, которые синтезируются в звездах, происходят в результате взрывов сверхновых.Это означает, что живым организмам было просто не из чего образоваться, пока не закончился жизненный цикл, хотя бы первого поколения звезд и эти звезды не взорвались.

Авторами самой знаменитой статьи, были механизмы синтетических химических элементов в звездах, были четверо ученых: Маргарет Бербидж, Джеффри Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл. Эту статью часто называют по инициалам авторов B2FH («бэ-квадрат-эф-аш»). Инициатором исследования был астрофизик Хойл: именно он первым догадался, что в звездах может синтезироваться не только гелий, но и углерод.Благодаря Хойлу в работу сперва профессиональный физик-ядерщик Фаулер (поначалу он был настроен скептически, но Хойл его переубедил), а потом астрономы Бербиджи. В сети легко найти замечательную модель, на которой все четверо отмечают 60-й день рождения старшего из них — Фаулера, последний радуется действующей модели паровоза, которую ему подарили коллеги.

Статья B2FH опровергла более раннюю гипотезу Георгия Гамова, который считал, что ядра всех элементов синтезировались прямо во время Большого взрыва и с тех пор их концентрации остаются примерно постоянными.На самом деле намного вероятнее, что в первые миллиарды лет после Большого взрыва Вселенная была чисто водородно-гелиевой. И только потом она стала обогащаться тяжелыми элементами с помощью сверхновых звезд («тяжелыми элементами» называем все, что тяжелее гелия или, в крайнем случае, лития).

Эпикур «Письмо к Геродоту» (начало письма)

]

ЭПИКУР
ПИСЬМО К ГЕРОДОТУ
(начало письма по книге: Тит Лукреций Кар, «О природе вещей». М., 1983, стр.292)

Эпикур Геродоту шлёт привет.

Кто не может, Геродот, тщательно изучить всё, что мы написали о природе, и вникать в более пространные сочинения, для тех я составил обзор всего предмета, достаточный, чтобы удержать в хотя бы самое главное. Я хотел, чтобы это помогало тебе в важных случаях, как придётся взяться за изучение природы. Да и те, кто уже достиг успеха в рассмотрении целого, помнить основные черты облика всего предмета: общее движение мысли часто бывает нам нужно, а подробности — не так часто.Общим чертам и приходится работать, памятуя столько, сколько нужно постоянно и для самого общего движения мысли о предмете, и для всемерной точности подробностей, то есть хорошо усвоив и запомнив самые основные черты. На самом деле, главным признаком совершенного и полного знания, является умение быстро пользоваться бросками мысли, [а это бывает, когда всё] сводится к основам и словам. Ибо кто не может в кратких словах охватить всё, что изучается по частям, тот не может познать толщу всего охватываемого.И вот, так как такой путь полезен для всех, кто освоился с исследованием природы, достигшим своего жизненного мира, перед тем, как он сделал для тебя и нижеследующий обзор, заключающий в себе основы всего учения.

Итак, прежде всего, Геродот, следует понять, что можно было свести к ним для обсуждения все наши мнения, разыскания, недоумения, чтобы в бесконечных объяснениях не оставались они необсуждёнными, а слова не были пустыми.В самом деле, если только мы хотим свести к чему-то наши разыскания, недоумения, мнения, нам необходимо при каждом слове видеть его первое значение, не нуждающееся в доказательстве. И тогда мы должны во всём держаться ощущений, держаться любого иного критерия, держаться испытываемых нами претерпеваний — и это даст нам средства судить об ожидаемом и неясном. А уже разобравшись с этим, следует перейти к рассмотрению неясного.

Прежде всего: ничто не возникает из несуществующего, — нет ничего не возникло бы из всего, не нуждаясь ни в каких семенах.А если бы исчезло разрушающееся в несуществующее, всё давно бы уже погибло, ибо то, что получается от разрушения, не существовало бы. Какова Вселенная теперь, такова она вечно была и вечно будет, потому что изменяться ей не во что, — потому что, кроме Вселенной, нет, что могло бы войти в нее, внеся изменение.

Далее // это он говорит и в начале «Большого обзора», и в книге «О природе» // ¹ , Вселенная есть [тела и пустота]. Что существует тело, это всюду подтверждает наше ощущение, которое, как сказано, неизбежно должно опираться наше рассуждение о неясном; а если бы не существовало того, что мы называем пустотой, простором или неосязаемой природой, то телам не было бы где двигаться и сквозь что двигаться, — между тем как очевидно, что они движутся.Помимо же тел и пустоты, ни постижением, ни сравнением с постигаемым помыслить и никакого самостоятельного свойства таковых, а только случайные или неслучайные свойства таковых.

Далее // это он повторяет и в которых I, XIV и XV книгах «О природе», и в «Большом обзоре» //, другие из тел суть сложные, а другие — такие, из составлены сложные. Эти последние суть атомы, неделимые и неизменяемые. В самом деле, не всему, что есть, предстоит разрушиться в небытие: таким образом, выстоит в разложении сложностей благодаря природной плотности и потому, что разлагаться ему не с чего и невозможно.Стало быть, начала по природе своей могут быть лишь телесны и неделимы.

Далее, Вселенная беспредельна. В самом деле, что имеет предел, то имеет край; а край — это то, на что можно смотреть со стороны; стало быть, края Вселенная не имеет, а значит и предела не имеет. А что не имеет предела, то беспредельно и неограниченно.

Беспредельна Вселенная как по множеству тел, так и по обширности пустоты. В самом деле, если бы пустота была беспредельна, то они бы не держались в одном месте, а носились бы рассеянными по беспредельной пустоте, не имея ни сдержки, ни отпора; а если бы пустота была предельна, в ней негде было бы существовать беспредельному множеству тел.

К тому же атомы тел, неделимые и сплошные, из которых составляется и которые разлагается всё сложное, необъятно разнообразны по виду, — потому что не может быть, чтобы столько различий возникло из объятного количества одних и тех же видов. В каждом виде количества подобных случаев совершенно беспредельно, но количество разных видов не совершенно беспредельно, а лишь необъятно. // Ведь он говорит ниже, что внутреннее деление совершается не до бесконечности: такую ​​оговорку он делает, чтобы не подумали, как раз качества вещей изменчивы, то и по величине атомы отличаются от совершенной бесконечности. //

Движутся атомы непрерывно и вечно // и с равной скоростью, как говорит он ниже, — потому что в пустоте одинаково лёгок ход и для лёгкого и для тяжёлого //: одни — поодаль друг от друга, а другие — колеблясь на месте, если они случайно сцепятся или будут охвачены сцепленными атомами. Такое колебание происходит, что природа пустоты, разделяющая атомы, неспособна установить им сопротивление; а твёрдость, сила сцепления атомам, заставляет их при столкновении отскакивать настолько, насколько сцепление атомов вокруг столкновения даёт им простору.Начала это не было, потому что и атомы и пустота существуют вечно.

// Ниже он говорит, что атомы не имеют никаких свойств, кроме вида, величины и веса; что до цвета, то он меняется в зависимости от состояния элементов, как сказано в «Двенадцати основах». Величина для элементов возможна не всякая; так, никакой атом не доступен ощущению. //

Напомнив обо всём этом столь длинною речью, мы представляем достаточный очерк наших соображений о природе сущего.

Далее, миры бесчисленны, и некоторые схожи с нашими, а некоторые несхожи. В самом деле, так как атомы бесчисленны, они не расходуются полностью ни на один мир, ни на ограниченное число, сих ли с нашим или несхожих. Стало быть, ничто не препятствует бесчисленности мировоззрения.

Далее, существуют оттиски, подобовидные плотным телам, но гораздо более тонкие, чем видимые предметы.В самом деле, вполне могут быть изображения в воздушном воздухе и такие изображения, и такие средства для образования полых и тонких поверхностей, и такие изображения, которые сохраняют без изменений положение и движение твёрдых тел. Эти оттиски называем мы «видностями». Как движение через пустоту не препятствует никаким сопротивлением, то всякое объятное расстояние покрывается с невероятной скоростью, поскольку скорость и медленность — это то же, что сопротивление и отсутствие сопротивления. Конечно, при этом само движущееся тело за промежутки времени, уловимые только разумом, отнюдь не попадает сразу в несколько мест, за это немыслимо; оно вызывает нас за время, уловимое ощущение, да и то движение исходит из того места в беспредельности.Это положение также полезно держать в памяти.

Что видности бывают наитончайшими, этим не противоречат никакие наблюдения. Каждый из них сталкивается с какими-либо препятствиями, и каждая их скорость наивеличайшая, что каждая находит в беспредельности.

Кроме того, само возникновение видностей совершается быстро, как мысль. От поверхностей тел происходит непрерывное истечение, незаметное лишь потому, что умаление возмещается пополнением.Такое истечение долго сохраняет состояние и порядок твёрдого тела, хотя иногда оно оказывается смятённым, и оно оказывается в составе воздуха истончаются, не имея необходимого наполнения; да и другие бывают способы образования таких естеств. В самом деле, всё это не противоречит испытаниям ощущений, если обратить внимание на то, каким образом через ощущения доходят к нам извне и наглядности и их взаимодействия.

Далее, мы можем видеть [формы], и мыслить их.В этом случае, внешний вид и формула, сохраняющие цвет и форму предметов, проникающие по величине нашей зрение и движущиеся с большой скоростью. Благодаря этой причине они дают представление о едином и целом предмете, и обеспечивают то же взаимодействие, что и в исходном предмете, поддерживаются оттуда соответственным колебанием атомов в глубине плотного тела.Форма эта есть форма предмета, форма эта есть форма плотного тела, получающая или от непрерывного исхождения видностей, или от последнего остатка их остатка. А ложность и ошибочность всегда приходит вместе с мнением, когда подтверждение или подтверждение не наступает // причина этого — движение в нас, сопутствующее образное броску мысли, но отличное от него: из-за этого-то отличия и ложность //.В самом деле, такие видения, какие мы получаем изваяний, или во сне, или от других бросков мысли и прочих орудий суждения, никогда не могли бы иметь сходство с предметами сущими и истинными, если бы не существовало чего-то, долетающего до нас; но в них не могли бы быть собственные ошибки, если бы мы не могли иметь самих себя, даже какого-то связанного [с вообразительным броском], но и отличного от него; если это движение не подтверждается или опровергается, то ложится, если же подтверждается или не опровергается, возникает проблема истина.Этого положения должны мы крепко держаться, чтобы не отбрасывать критериев, основанных на очевидности, но и не допускать беспорядка от ошибки, принятой за истину.

Далее, слышание от истечения, исходящего от предмета, который говорит, звучит, шумит или как-нибудь иначе возбуждает слух. Это истекает на плотные частицы, рассеивание целому и сохраняющее взаимодействие и своеобразное единство по отношению к своему источнику; оно-то вызывает его внешнее состояние.Поэтому не надо думать, что это самый воздух меняет вид от испускаемого голоса или чего-нибудь подобного — такого преобразования воздуха от голоса было бы заведомо недостаточно; нет, это удар, происходящий в нас при испускании голоса, тотчас производит вытеснение некоторых плотностей, образующих поток дыхания, и от этого в нас слуховое претерпевание.

Точно так же и обоняние, подобные слуху, не могло бы вызвать претерпевание, если бы от предмета не доносились частицы, соразмерные возбуждению органа этого чувства; другие возбуждают его беспорядочно и неприятно, другое — мирно и приятно.

Далее следует полагать, что атомы не обладают никакими свойствами видимых предметов, кроме как формы, весом, теми же свойствами, естественно связаны с формой. Ибо всякое свойство переменчиво, атомы же внесены — ведь необходимо, чтобы при разложении сложное оставшееся прочное и неразложимое, благодаря чему перемены совершались не в ничто и не из ничего, а по большей части путём перемещений, иногда же путём прибавления и убавления. Поэтому, чтобы перемещаемые частицы были неразрушимы и свободны от качественного меняющегося тела, имея собственные собственные силы и собственные формы: они-то и должны быть созданы.В самом деле, мы видим, что когда от убавления тело меняет форму, то форма всё же остаётся ему присуща, тогда как свойства, будучи присущи меняющемуся телу, не остается при нём, как форма, а исчезают из него. Так вот, то, что остаётся, и бывает достаточно для образования различий между сложными телами, потому что необходимо, чтобы хоть что-то оставалось, а не разрушалось в ничто.

Далее, не следует полагать, будто атомы бывают любой величины, — это противоречат видимые явления.Следует понимать, что величина их полагается небезразлична: при таком допущении лучше объяснится то, что происходит в наших ощущениях и претерпеваниях. Для объяснения разницы в свойствах вещей нет нужды, чтобы атомы были любой величины; кроме того, будь это так, до нас были бы доходить даже атомы, доступные зрению, однако этого никогда не бывает, и даже представить себе зримые атомы невозможно.

должен думать в ограниченном теле бесконечное множество плотных частиц какой бы то ни было величины.Поэтому не только нужно отвергнуть делимость до бесконечности на меньшие и меньшие части, потому что этим все лишается стойкость и дробь, что при нашем понимании сложных тел сущее будет, разлагаться в ничто; нужно полагать, что даже в конечных телах переход к меньшим и меньшим частям не может совершаться до бесконечности. В самом деле, сказав, что и бесчисленные плотные частицы имеют какое-то значение, а в таком случае, какова, существует бесконечное множество различных частиц. бы она ни была величина предмета бесконечной.Каждый ограниченный предмет имеет предел, хотя бы и не видимый глазом; то, что следует за ним, нельзя не представить себе точно таким же, а следуя таким образом дальше и дальше, мы приходим мыслью к бесконечности.

Мельчайшие воспринимаемые частицы воспринимают не совсем такими, как имеющие протяжённость, но и они не совсем иными: у них есть нечто общее с частями протяжёнными, но они не допускают разъятия на части. [Самостоятельные], и смотреть на них придётся порознь, сперва на одну, потом на другую, а не на совпадение их и не на соприкосновение; и каждая из них сама по себе будет мерилом величин — в большом их будет много, а в малом — мало.Вот по такому подобию мыслить и мельчайшие частицы атома; от чувственно зримых частиц отличает их, понятным образом, меньшая величина, однако подобие поддерживает силу; именно в силу этого подобия утверждали мы, что атом меняет, только считали намного меньше. А эти мельчайшие частицы считаются пределом прочности, используемыми мельчайшими частицами, используемыми для малых и больших размеров, и используемых при умственном рассмотрении предметов. Общие черты этих частиц и тех, соответствуют, вполне достаточны для обоснования всего вышесказанного; но соединение таких частиц в силу их собственного движения невозможно.

Далее, применительно к бесконечности слова «верх» и «низ» нельзя употреблять в значении «самое верхнее» и «самое нижнее». Однако мы знаем, что оттуда, где мы стоим, можно до бесконечности продолжать пространство вверх, из любого мыслимого места — до бесконечности вниз, а всё же оно никогда не показывает нам одновременно и ниже и выше одного и того же места, потому что это помыслить невозможно. Стало быть, невозможно представить только одно мыслимое движение вверх до бесконечности и только одно — вниз до бесконечности, даже если движение от наших к ногам вышестоящих, движение от нас книзу — к головам нижестоящих.В самом деле, движение в целом не теряет противоположностей своего направления, даже помыслено в бесконечности.

Далее, когда атомы несутся через пустоту, не встречая сопротивления, то они должны двигаться с равной скоростью. Ни тяжёлые атомы не будут двигаться быстрее малых и лёгких, если у них ничто не стоит на пути, ни малые атомы не будут двигаться быстрее больших, если имду всю открытость соразмерный проход и нет сопротивления; это относится и к движению вверх или вбок — от столкновений, и к движению вниз — от собственной тяжести.Оно будет двигаться быстро, как мысль, пока сила толчка не встретит сопротивления или вовне, или в собственной тяжести тела. Правда, могут возразить, что хоть атомы движутся и с одинаковой скоростью, однако сложные тела движутся одни быстрее, другие медленнее. Но это потому, что атомы, собранные в телах, стремятся в одно место лишь в течение мельчайших непрерывных промежутков времени; но уже в умопостигаемых промежутках времени это время становится снова — атомы постоянно сталкиваются, и от этого в конце концов времени становится доступно движение.Между невидимыми частицами, невидимыми частицами, невидимыми частицами, возможно непрерывное движение: действительно только то, что доступно невидимым частицам.