Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

☢ Устройство атома — атомное ядро

Main page / Живомордность / ☢ Устройство атома — атомное ядро

Содержание

    Человеку, который собрался изучать генетику, пролистал несколько книг по этой тематике, прочел оттуда несколько параграфов, наверное покажется странным наличие такой главы в генетическом курсе. Устройство атома?… Устройство молекул — это было бы вполне понятно, но атомы? Для того, чтобы понимать в общих чертах разные генетические штуки, слишком детально представлять себе устройство атома, конечно, не обязательно, но если ты хочешь более глубоко разобраться в межмолекулярных взаимодействиях, на которых и строится собственно вся биохимия, то без хотя бы поверхностного понимания того, как устроен атом, уже совершенно точно не обойтись. И я даже не говорю о таких очевидных вещах, как, например, ковалентная или ионная связи, разобраться в сути которых было бы интересно, если ты хочешь понимать, какие молекулярные и атомные сочетания могли бы быть более устойчивы, а какие менее, и почему, и при каких условиях они будут разрушаться, и почему, и как они могли бы видоизмениться, и почему. Это очевидно.

    Но нужно учесть еще и то, что живая клетка представлет собой настолько поразительный организм, что для нее квантовая физика, физика элементарных частиц являются не чем-то далеким и отвлеченным, а самым что ни на есть актуальным, злободневным, данным ей в непосредственном ощущении. Например, клеточные мембраны представляют собой настолько филигранно работающие механизмы, что кроме осуществления транспорта довольно крупных ионов они способны управлять даже отдельными протонами. А переконфигурация электронных облаков — совершенно обыденное дело при разнообразных превращениях веществ внутри и вовне клетки.

    Поэтому, чтобы не оставлять в этой области белых пятен, пугающих тебя своей неизвестностью, лучше во всем этом постепенно разобраться. Самый минимум информации об устройстве атома, которого будет вполне достаточно для дальнейшего движения по генетической линии данной книги, будет изложен в нескольких главах, а дальше тема уйдет в боковое ответвление, которое можно продолжать читать, или пропустить и вернуться к нему позже или не возвращаться вовсе. Но при этом следует иметь в виду, что чем больше существенной информации у тебя есть из области смежных наук, тем больше вероятности того, что общая картина, которую ты перед собой видишь, приобретет особенно пронзительные, особенно выпуклые черты. Тем больше вероятности, что в твоей голове зародятся неожиданные и смелые гипотезы. Тем больше вероятности, что ты сможешь получать наслаждение от изучения наук.

    Я прекрасно понимаю, что у многих аллергия или на физику в целом, или конкретно на атомную физику. Многие еще в детстве получили такую прививку, после которой уже даже и пробовать не хочется разобраться во всех вопросах устройства атома. И тем не менее я уверяю, что при определенной степени упрощения всё тут обстоит довольно просто — попробуй, увидишь.

     * * *

    atom1

    Представить себе какой-нибудь атом можно довольно просто. Представь себе нечто вроде солнечной системы, ядро которой состоит из одного или нескольких тяжелых комочков материи, а вокруг ядра вращаются более мелкие. Это и есть самая элементарная картина атома. Можно при этом представлять себе такую картинку, как здесь, можно какую-то другую, более или менее красочную — это не важно, потому что в любом случае это пока ещё слишком далеко от реальности — это лишь самая грубая модель. Тем не менее, и эта модель позволит нам запомнить несколько важных фактов:

    *) Тяжелые частицы, находящиеся в ядреnucleus [‘njuːklɪəs] ) атома, бывают двух типов: протон ( proton [‘prəutɔn] ) и нейтрон ( neutron [‘njuːtrɔn] ). На этой картинке мы тоже видим два вида шариков, окрашенных в разные цвета. Каждый протон имеет положительный электрический заряд, равный условной единице (+1), в то время как нейтрон электрически нейтрален, т.е. электрического заряда у него нет.

    *) Протоны и нейтроны почти одинаковы. Их масса и размеры отличаются настолько малой величиной, что мы совершенно спокойно можем считать их идентичными совершенно во всем, кроме того, что протон имеет электрический заряд. Шарики на картинке тоже нарисованы примерно одинакового размера.

    *) Протоны и нейтроны очень плотно упакованы, тесно прижимаются друг к другу в ядре. Плотность материи в ядре такая, что кубический сантиметр такого вещества весил бы пол-миллиарда тонн. Из такого материала состоят нейтронные звезды. Если такой кубик уронить себе под ноги, то он в силу своей огромной массы и маленького размера пролетел бы сквозь всю Землю, практически не замечая сопротивления — как сквозь газ. И так и продолжал бы летать туда-сюда вокруг центра тяжести Земли, делая дырку за дыркой.

    За счет чего же протоны и нейтроны так притягиваются друг к другу? За счет особой силы, которая действует на такие частицы, как они. Эта сила называется «сильным взаимодействием» ( strong interaction [strɔŋ ɪntər’ækʃn] ). Эта сила никак себя не показывает нам в нашей обыденной жизни. Мы ходим по Земле, а не улетаем в космос, благодаря гравитации, которую пока что условно будем считать «силой». Кроме этого, мы везде вокруг себя видим проявления электрической и магнитной сил, которые являются на самом деле единой электромагнитной силой. С электричеством мы сталкиваемся не только тогда, когда суем вилку в розетку. Такое привычное нам трение — это тоже отчасти результат того, что электроны, принадлежащие атомам одной поверхности вступают во взаимодействие с электронами, принадлежащими атомам другой поверхности, что и создает трение даже в том случае, когда обе поверхности будут идеально ровными на наш взгляд. А вот с сильным взаимодействием мы никаким образом в своем быту непосредственно не пересекаемся, хотя весь мир атомов, из которых мы состоим, обладает такой стабильностью именно потому, что нейтроны и протоны в ядре атомов очень мощно притягиваются ею друг к другу.

    *) Мы видим на этой картинке и вращающиеся вокруг ядра электроны. По сравнению с протоном, электронelectron [ɪ’lektrɔn] ) очень мал. Насколько именно? Масса электрона в 1836 раз меньше массы протона.

    Здесь и сейчас в этой главе появилось первое число. Не стоит бояться чисел. Числа помогают нам составить более точное представление о предмете изучения. Если сейчас нашей глобальной целью является изучение клетки, ДНК, разных генетических механизмов, то было бы очень неудобно не иметь никакого представления о том, какие размеры присущи тому или иному элементу. Без правильных представлений о размерах мы могли бы начать придумывать разные несообразные глупости. Поэтому встречающиеся в этой книге числа ты воспринимай спокойно и с предвкушением. Их не будет слишком много, и немного сложно будет только в начале. Чем больше ты будешь узнавать размеров тех или иных объектов, тем легче будут укладываться в голове и остальные параметры.

    Если тебе интересно, ты можешь запомнить число 1836 тем или иным образом. Если ты живешь в Техасе, то возможно знаешь, что Республика Техас получила независимость от Мексики именно в 1836-м году. Если тебе не чужды сексуальные игры мазохистского плана, то может быть ты знаешь, что в 1836-м году родился Захер-Мазох. Ну или в конце концов ты можешь запомнить, что масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона — этого будет вполне достаточно.

    Поскольку масса протона исключительно мала, то измерять ее в граммах было бы совершенно бессмысленно — пришлось бы писать слишком много нулей после запятой, да и зачем это? В чем смысл каждый раз писать, что масса такой-то молекулы равна одной триллионной от одной миллиардной грамма, да еще сколько-то там долей… свихнуться можно. Гораздо проще массу атомов и молекул измерять какой-то такой величиной, которая сравнима с ними. Поэтому сделали очень просто: вместо граммов и килограммов ввели единицу массы, удобную для использования именно в мире атомов и молекул. Мы взяли один протон и сказали, что его масса теперь и будет исходным мерилом всех масс микромира, и назвали мы эту меру «атомной единицей массы» ( atomic mass unit [ə’tɔmɪk mæs ‘juːnɪt] ), или сокращенно «а.е.м.» ( amu ). Масса нейтрона, как уже говорилось выше, равна (с устраивающей нас точностью) массе протона и тоже равна 1 а.е.м.

    Теперь стало очень легко сравнивать массы молекул, ведь если одна молекула весит, скажем, 20 а.е.м., а другая — 100 а.е.м, то мы сразу легко представляем себе существующую между ними разницу. Более того, мы понимаем сразу, что в первой молекуле в сумме имеется 20 протонов и нейтронов, раз ее вес равен 20 а.е.м, а во второй — 100, и нам совершенно всё равно, сколько это в килограммах или фунтах.

    Когда что-то измеряют в а.е.м., то говорят, что «относительная атомная масса этой молекулы равна такой-то величине». Иногда говорят просто «атомная масса» или даже «атомный вес» — для генетики это неважно, все эти термины равно приемлемы.

    *) Каждый электрон имеет электрический отрицательный заряд, также равный условной единице со знаком минус (-1). Потому-то электроны и привязаны к атомному ядру — между ними и протонами возникает сильное электрическое притяжение. Это притяжение и обеспечивает стабильность атома.

    *) В любом атоме число протонов и число электронов обычно одинаково, поэтому в целом, издалека, сумма положительных зарядов уравновешивается суммой отрицательных, так что атом получается электрически нейтральным. Но электроны, хоть и привязаны к ядру очень прочно, все же могут быть оторваны от него ещё большей силой. Бывает и так, что при некоторых обстоятельствах атом захватывает лишние электроны.

    Если атом отдал один свой электрон (или несколько электронов), то теперь в нем электронов стало меньше, чем протонов, а значит положительных зарядов в нем стало больше, и в целом атом становится положительно заряженным. Такой атом уже называется «ион» ( ion [‘aɪən] ), и в данном случае — это положительно заряженный ион.

    Если же атом захватил один или несколько лишних электронов, то он становится отрицательно заряженным ионом.

    *) Количество протонов внутри ядра атома обозначается в физике буквой «Z» и имеет ключевое, огромное значение. Эксперименты показали, что именно это и определяет то — атом какого химического элемента находится перед нами. Ни количество нейтронов, ни количество электронов на это не влияют. Если в ядре один протон — перед нами водород. Если два — гелий, и так далее. Порядковый номер элемента в «Периодической таблице элементов» ( periodic table [pɪrɪ’ɔdɪk ‘teɪbl] ) и показывает — сколько в его ядре находится протонов.

    *) Но если электроны, «вращающиеся» вокруг ядра, не оказывают никакого влияния на то, какой перед нами химический элемент, то это не значит, что они совсем не важны. С точки зрения химии, с точки зрения химических взаимодействий они как раз оказываются важнее, чем протоны в ядре, и понятно почему. Ведь когда два атома приближаются друг к другу, то они начинают взаимодействовать между собой именно своими «электронными оболочками» ( electron shell [ɪ’lektrɔn ʃel] ), то есть совокупностью «вращающихся» вокруг ядер электронов. Именно поэтому химические свойства элементов в гораздо большей степени зависят от того — как именно эти электроны начнут между собой взаимодействовать, чем от того, сколько там протонов.

    Для того, чтобы понять, как именно электронные оболочки атомов взаимодействуют друг с другом, нам надо разобраться в том, как же именно электроны в атомах располагаются на своих местах, и почему слово «вращаться» я беру в кавычки. Это будет рассмотрено в одной из следующих глав, а пока что можно отвлечься и подумать вот о чем. В космосе существуют так называемые «нейтронные звезды», которые состоят только из нейтронов. Невообразимой силы гравитация сверхмассивных звезд привела к мощному сжатию звезды, и в итоге это сжатие стало таким мощным, что электронные оболочки попросту вдавились в ядро. Когда протон сдавливается с электроном, он превращается в нейтрон, и в итоге вместо протонов, нейтронов и электронов у нас остаются только нейтроны. Плотность материи нейтронной звезды как раз примерно такая же, как и плотность вещества в ядрах атомов. Получается, что ядро каждого атома представляет собой микроскопическую нейтронную звезду, и мы сами состоим из бесчисленного количества нейтронных микрозвезд. Так может и черные дыры в нас есть?

    нетроннпя звезда

    (Автор статьи: Бодх)