Текст книги "Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом"

Автор книги: Дэвид Хелфанд

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 21 страниц) [доступный отрывок для чтения: 8 страниц]

Рис. 3.1. Кривые, отражающие распределение скоростей частиц воды при 0 °C и 100 °C. Поскольку ни одна частица не может двигаться медленнее 0 м/с, обе кривые усечены слева. Вертикали представляют средние скорости, которые из-за усечения оказываются немного выше самой распространенной. Обратите внимание, что средняя скорость частиц в кипящей воде составляет примерно 640 м/с, или 2300 км/ч (!), а некоторые движутся в несколько раз быстрее

Получается, что моя недавняя реплика – о том, что вы не «чувствуете» воздух, который вас окружает, пока вы сидите и читаете эти строки, – не совсем соответствует реальному положению дел. Вы чувствуете воздух, поскольку его температура определяет скорость, с которой его частицы ударяются о вашу кожу. Эта скорость может доходить до триллионов раз в секунду, и именно благодаря этому, в свою очередь, возникает испытываемое вами ощущение тепла, холода или «подходящей» температуры.

Эта модель также объясняет, как ваша посуда ухитряется высохнуть (то есть испарить все капельки воды, которые на ней находятся), когда вы оставляете ее просушиться на ночь, – даже несмотря на то, что температура в комнате (на что я очень надеюсь) никогда не достигает точки кипения воды (100 °C). В среднем скорость частиц воды на посуде равна скорости частиц в воздухе, поскольку они постоянно соударяются и уравновешивают свои энергии. Их средняя скорость намного меньше той, какая необходима, чтобы перевести частицу воды из жидкой формы в газообразную. Впрочем, не будем забывать, что существуют некоторые частички воды (и воздуха), которые движутся намного быстрее средних значений, и они могут достигать скорости высвобождения; именно эти стремительные частицы и теряет капля. Когда это происходит, средняя скорость частиц падает (если вычесть самые быстрые, то среднее значение понизится). Если бы на этом все и закончилось, то утром вам потребовалось бы полотенце для кухонной посуды. Но в вашей комнате – просторном хранилище воздушных частиц – все еще содержатся некоторые из быстрых частиц, и когда они соударяются с водой, оставшейся в капле, средняя скорость снова возрастает, и высокоскоростной конец распределения заполняется вновь (рис. 3.1). Эти молекулы воды, в свою очередь, тоже могут улетучиваться, и процесс продолжается до тех пор, пока вся жидкость не превратится в газ, благодаря чему утром вы сможете убрать с подставки сухую посуду.

Эта тепловая модель также объясняет, почему мы потеем. Наше тело так тонко настроено, что оно работает при температуре примерно в 37 °C, и любое отклонение от этой величины вызывает немедленный отклик. Если мы активно занимаемся спортивными упражнениями, то обращаем химическую энергию, запасенную в мышцах, в избыточное тепло, от которого телу необходимо избавиться. Один механизм, предназначенный для этого, задействует наши потовые железы, из-за чего на нашей коже появляются капельки воды. Частицы кожи, покачиваясь немного сверх меры – если говорить о том, как это «воспринимает» наше тело, – передают часть своей энергии частицам воды, заставляя самые быстрые улетучиваться и тем самым уносить энергию с кожи, остужая последнюю. При нанесении ацетона на кожу мы чувствуем холод, поскольку точка его кипения намного ниже, чем у воды (всего лишь 56 °C), поэтому при нормальной температуре тела многие из частиц ацетона начинают двигаться достаточно быстро и переходят в газообразную форму, унося с собой колебательную энергию ваших частиц и заставляя кожу почувствовать холод.

И абсолютно все, от того, почему остывает вода в ванной⁵, до того, почему земная атмосфера не падает вниз⁶ (подсказка: она падает), а также от того, почему нагревается ваш велосипедный насос⁷, до того, почему ваш кондиционер остужает комнату⁸, объясняется этой моделью, в которой температура представляет собой просто меру скорости движения частиц.

Те самые «частицы» – атомы и молекулы

Теперь настало время снова вернуться к изначальной теме главы. Нужно сказать, что до сих пор мы игнорировали все, что мы знаем о внутренней структуре атомов, и принимали древнегреческую идею, согласно которой каждое вещество обладает мельчайшей единицей – именно их я на протяжении всей нашей беседы именовал частицами. Но что именно собой представляют частицы, составляющие серебряную ложку или каплю воды? Демокрит и Левкипп утверждали, что они «неделимы» (напомню, от греческого atomos – «неразрезаемый») и существуют в бесконечном множестве размеров и форм, чем легко объяснялось наличие миллионов различных веществ, составляющих наш мир. Теперь нам известно, что обе гипотезы неверны. Атомы вовсе не обладают неделимостью, а миллионы веществ состоят из особых сочетаний девяноста четырех уникальных строительных блоков⁹.

То, что я называл «частицами», – это либо один из девяноста четырех типов таких единообразных блоков, которым мы, пренебрегая этимологией, присвоили имя «атомов», или одна из миллионов «молекул», четко определенных сочетаний, в которые атомы вступают друг с другом. Серебро – это один из девяноста четырех базовых «кирпичиков», и атомы Серебра, соединяясь, могут создать серебряную ложку. Вода – это сочетание двух базовых «кирпичиков», Водорода и Кислорода, которые в пропорции 2:1 формируют молекулу H₂O.

Золото в ваших кольцах, Вольфрам в нити накала (если вы еще помните лампы накаливания) и Кремний в чипах вашего телефона – это примеры одного соответствующего из девяноста четырех базовых строительных блоков, которые мы в совокупности называем элементами (подробнее см. гл. 4). Выдыхаемый вами воздух, по большей части диоксид Углерода (CO₂), алкоголь в вашем бокале (C₂H₆O) и песок, из которого был сделан этот бокал (SiO₂), – это молекулы, объединенные в фиксированные сочетания и призванные создать неисчислимые сложные структуры, из которых и состоит наш мир. Молекулы могут оказаться очень непростыми: в одной только молекуле ДНК, составляющей первую человеческую хромосому, присутствуют тринадцать миллиардов атомов, и все они соединяются друг с другом, следуя точной закономерности, а она, в свою очередь, представляет собой часть кода, благодаря которому вы – это вы.

Разделить неделимое: строительные блоки атомов

Итак, мы уже отметили, что атомы, несмотря на происхождение термина, можно разделить. Они сделаны из более фундаментальных строительных блоков, подразделенных на два семейства – это лептоны и кварки. Их удерживают воедино четыре фундаментальных взаимодействия, которые передаются при помощи еще одного семейства частиц – бозонов. Если составить перечень всех лептонов и кварков, которые нам удалось открыть, вместе с их антиматериальными двойниками, и добавить к ним бозоны, переносящие взаимодействия, мы получим список из тридцати одной «фундаментальной» частицы¹⁰ – и это звучит так, будто они не слишком-то фундаментальны! Многие физики полагают, что нам необходимо спуститься еще на один уровень в строении вещества, и мы обнаружим, что все эти различные частицы – на самом деле проявления крошечных вибрирующих «струн»¹¹. Но пока что наша модель для мельчайших величин, существующих в природе, насчитывает тридцать один объект, и впредь мы будем называть такие объекты фундаментальными частицами.

На рис. 3.2 показана иерархия вещества, начиная от общих состояний, о которых мы говорили в начале этой главы, – твердое тело, жидкость, газ – до молекул и атомов, а потом – от атомов до их составляющих частей. Кроме того, показано число сочетаний частиц на каждом уровне.

Рис. 3.2. Строение вещества, начиная с чашки кофе, в которой присутствуют твердое тело, жидкость и газ, при этом все они состоят из молекул, а те, в свою очередь, созданы из особых сочетаний атомов, которые и сами состоят из более фундаментальных частиц. Число типов частиц на каждом уровне обозначено как n; обратите внимание, что четвертое состояние вещества (не показанное на рисунке) – это плазма, в которой атомы разрываются на части. Представлено лишь первое из трех поколений фермионов

Большая часть рис. 3.2, как и вопрос о том, существует ли еще более глубокий уровень материи, выходит за пределы нашего исследования, поскольку нам в данный момент необходима просто надежная и точная модель атомов, из которых состоит космос. С первых микросекунд возникновения Вселенной имеют значение лишь несколько фундаментальных частиц, и их примерно полдесятка: это электроны (e или e^—) и их антиматериальные двойники, позитроны (e⁺ или e^+***); нейтрино, ассоциируемые с ними (v_e и v_e); а также «верхние» (u) и нижние (d) кварки и переносчики взаимодействий. Поговорим обо всех по очереди.

Электрон, открытый в 1897 году, неизмеримо мал (меньше 10^–18 м, миллионная триллионная доля метра в диаметре), наделен крохотной (но определенно измеримой) массой в 9 × 10^–31 кг и несет отрицательный электрический заряд –1, установленный нами произвольно как единица заряда на атомном уровне. Его антиматериальный двойник, позитрон, обладает такими же размером и массой, но, как и все античастицы, характеризуется противоположным зарядом, +1. Вещество и антивещество не очень хорошо сочетаются – более того, когда электрон встречается с позитроном, они взаимно уничтожают друг друга во вспышке света. Все атомы в современной Вселенной содержат электроны, но нам не следует забывать и о позитронах, поскольку в ходе естественных процессов, как мы еще увидим, могут рождаться и они, а сами эти процессы сыграют ключевую роль в воссоздании наших историй.

Электроны и позитроны входят в группу фермионов (см. рис. 3.2), в которой каждая частица обладает еще одним дополнительным свойством, важным для нашего повествования – это свойство с причудливым именем «спин». Представьте, что все подобные частицы – это крошечные волчки, способные вращаться лишь по часовой стрелке или против нее с амплитудой в ±½ (опять же, это произвольно выбранная шкала атомных единиц, на которой бозоны, переносчики взаимодействий, имеют спин 1 или 2). С другими частицами они вступают в гравитационное (поскольку обладают массой), электромагнитное (поскольку имеют заряд) и слабое ядерное взаимодействие (поскольку у них есть свойство, называемое «лептонным числом» ±1).

Нейтрино (v_e) были обнаружены только в 1956 году, хотя ученые постулировали их существование еще за десятилетия до этого, пытаясь объяснить исчезновение энергии в определенных ядерных реакциях. Нейтрино обладают крошечными размерами и еще меньшей массой; ее верхний предел составляет примерно 1/600 000 от массы электрона. Они электрически нейтральны, и для них характерен спин с амплитудой ±½. Поскольку они могут откликаться лишь на гравитацию (очень слабо, при условии их крошечной массы) и на слабое ядерное взаимодействие, они почти не взаимодействуют с обычным веществом. За время, которое вы затратите на прочтение этой фразы, 20 000 триллионов нейтрино, излученных Солнцем, пройдут через ваше тело, а вы этого даже не заметите. Это окажется правдой даже в том случае, если вы читаете эту страницу ночью, когда Солнце находится на другой стороне Земли, поскольку нейтрино проходят прямо через земную толщу и достигнут вас, пройдя через пол. Они играют главную роль в некоторых радиоактивных распадах и будут важны, когда мы применим атомные ядра в роли часов, чтобы составить карту наших будущих исторических экскурсов.

В современной Вселенной есть еще одно семейство фермионов, кварки, которые никогда не оказываются в одиночестве; они всегда связаны в пары или триплеты (см. рис. 3.2). Важное значение для нас имеют два определенных кварка, которые сочетаются, формируя протоны и нейтроны – кварки u и d. Ученые впервые постулировали их существование в 1960-х годах, а впоследствии подтвердили и описали его в многочисленных экспериментах, проведенных на ускорителях частиц. Кварки имеют дробные заряды: u = + ²/₃ и d = – ¹/₃, их массы составляют примерно 4,0 и 9,4 массы электрона соответственно, и, как фермионы, они также имеют спин ± ¹/₂. Все кварки обладают дополнительной уникальной характеристикой: они реагируют на сильное ядерное взаимодействие благодаря своему четвертому свойству, которое мы называем «цветовым зарядом».

Многие сочетания этих и четырех других разновидностей кварков возможны в принципе и могут на мгновения возникать в лабораториях. Но для нашего мира важны два – это триплет uud, образующий протон, и триплет udd, благодаря которому создается нейтрон. Простое суммирование даст нам заряды этих составных частиц: uud — +²/₃ + ²/₃ – ¹/₃ = +1 для протона и udd – + ²/₃ – ¹/₃ – ¹/₃ = 0 для нейтрона. Их спины, сочетаясь, дают чистую величину в ± ¹/₂. Но с их массами дело обстоит совершенно иначе.

Кажется очевидным, что масса трех кварков должна просто составлять сумму масс каждого отдельного кварка. Согласно таким расчетам, масса протона должна была бы оказаться в 4,0 + 4,0 + 9,4 = 17,4 раза больше массы электрона. Но, взвесив протон, мы получим совершенно иной результат: его масса превышает массу электрона в 1836 раз, иными словами, она в сто с лишним раз больше простой суммы отдельных масс (и эквивалентна 1,67 × 10^–27 кг). Откуда берется вся эта избыточная масса? Ее источник – «клей», благодаря которому кварки соединяются воедино. Как мы уже говорили, кварки – это уникальные обитатели «зоопарка частиц», поскольку только они реагируют на сильное ядерное взаимодействие. Точно так же, как и дополняющее его слабое ядерное взаимодействие, оно имеет свои особенности, поскольку существует только на масштабах, сравнимых с размерами атомного ядра (примерно 10^–14 м, 1 % от триллионной доли метра). Кварк, проходящий мимо протона, скажем, в 5 % от триллионной доли метра, не отреагирует совершенно никак.

Это радикально отличается от других взаимодействий, знакомых нам по повседневной жизни, а именно электромагнитного и гравитационного – их дальность неограниченна. Чем дальше друг от друга располагаются два объекта, обладающие массой или зарядом, тем слабее воздействие электромагнетизма и гравитации, которому они подвергаются, но само оно не исчезает. Нептун находится на расстоянии в 4,5 миллиарда километров от Солнца, и сила притяжения воздействует на него в 900 раз слабее, чем на Землю, но он тем не менее движется по орбите вокруг Солнца из-за их взаимного гравитационного взаимодействия. Оба ядерных взаимодействия, напротив, просто исчезают за пределами атомного ядра.

И именно глюоны, сами по себе не обладающие массой, но в изобилии переносящие энергию, увеличивают массу протона в сто с лишним раз по сравнению с простой суммой масс составляющих его кварков (сюда вносит свой вклад и кинетическая энергия самих кварков, болтающихся в своем маленьком мешочке). У нейтрона, по сравнению с протоном, один из u-кварков заменен на немного более тяжелый d-кварк, и сам нейтрон тоже слегка массивнее (на 0,14 %). За исключением атома Водорода, ядро которого составляет один-единственный протон, все остальные атомы, о чем мы подробно поговорим чуть позже, содержат как протоны, так и нейтроны, соединенные вместе.

Ядро

Сердце атома и его сущность, воплотившая в себе все его своеобразие, – это ядро, тугой маленький шарик из протонов и нейтронов, упакованных в пространстве, диаметр которого равен всего нескольким триллионным долям миллиметра¹². Здесь, где все положительно заряженные частицы находятся в такой тесноте, электростатическое отталкивание, которое испытывают протоны по отношению друг к другу, огромно, но сильное ядерное взаимодействие оказывается сильнее и удерживает частицы, не позволяя им разлететься.

Своеобразие атома определяется количеством его протонов, и все возможности, от 1 до 94, представлены в природе. Количество протонов называется атомным номером и символически записывается как подстрочный индекс, предшествующий химическому символу элемента. У Углерода это выглядит так: ₆С. Поскольку у каждого элемента есть уникальный символ, а также уникальное количество протонов, подобная система обозначений в каком-то смысле избыточна, и подстрочный индекс часто не указывают: если это атом Углерода, то у него шесть протонов, а если у атома шесть протонов, то это Углерод.

Другие обитатели ядра – нейтроны. Они электрически нейтральны и не усиливают электростатическое отталкивание, однако вносят свой вклад в большую часть притяжения, обусловленного сильным ядерным взаимодействием, и тем самым помогают стабилизировать ядро. У самой легкой пары из десятка элементов число протонов и нейтронов, как правило, примерно равно, но по мере того как мы восходим все выше в иерархии и добираемся до более тяжелых элементов с большим количеством протонов, приходится добавлять дополнительные нейтроны, чтобы противостоять уже упомянутым силам электростатического отталкивания: например, у Урана 92 протона обычно сопровождаются 146 нейтронами.

Обратите внимание на слово «обычно» в последнем предложении. В то время как число протонов однозначно определяет, какой именно перед нами элемент, у числа нейтронов нет столь явно выраженной «обязанности». В главе 5 мы еще поговорим о том, что в ядре того или иного элемента может присутствовать разное количество нейтронов. Более того, этот факт станет критически важным по мере того, как мы начнем применять атомы для воссоздания истории.

Атом

Теперь, когда мы разобрались с ядром, нужно только добавить электроны, и мы получим завершенный атом. Для этого требуется сделать так, чтобы положительно заряженное ядро привлекло к себе свиту из отрицательно заряженных электронов, и в этом ему помогает электромагнетизм: противоположности притягиваются. Поскольку заряды протона и электрона в точности равны и противоположны по знаку, у нейтрально заряженного атома количество электронов совпадает с количеством протонов: у Водорода один электрон, у Углерода шесть, у Кислорода восемь, а у Урана девяносто два.

Повторим, что два взаимодействия, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни, – это гравитация и электромагнетизм. Гравитационное взаимодействие, которое, в сущности, представляет собой отклик на свойство вещества, называемое массой, позволяет вам стоять на земле (и сидеть на стуле) и ощущается в вашей жизни как довлеющая сила – даже Майкл Джордан в свои лучшие годы мог подпрыгнуть вверх не более чем на 120 см. Электромагнитное взаимодействие, происходящее благодаря положительным и отрицательным зарядам, рождает свет, служит основой химических реакций, движет стрелкой компаса и заряжает ваш телефон, но вы почувствуете его только в том случае, когда пройдете по ковру, коснетесь металлической дверной ручки и получите краткий удар током. На основе такого опыта можно предположить, что гравитация сильна, а электромагнетизм слаб.

И если мы сделаем такое предположение, то окажемся в высшей степени неправы. На самом деле электромагнитное взаимодействие в триллион триллионов триллионов (это не опечатка, в 10³⁶ раз) сильнее гравитации. Ключевая разница между двумя этими фундаментальными силами заключается в том, что у гравитации только один знак – она всегда притягивает, – в то время как в электромагнитном взаимодействии участвуют два заряда, положительный и отрицательный, которые в обычных условиях, причем в масштабах от одного-единственного атома до планеты, совершенно нейтрализуют друг друга. Но если бы ваш положительный заряд превышал отрицательный на тысячную долю (0,1 %), а ваша супруга, у которой отрицательный заряд на 0,1 % превышал бы положительный, показалась бы на пороге комнаты в трех метрах от вас, чтобы сказать, что ужин готов, вы двое притянулись бы друг к другу с такой силой, что Земля сошла бы со своей орбиты. Следовательно, абсолютное равенство и противоположные знаки зарядов электрона и протона позволяют стабильной Вселенной существовать.

При наличии столь огромной притягивающей силы между частицами атома можно было бы ожидать, что любой блуждающий электрон, которому не посчастливится оказаться неподалеку от атомного ядра, в то же мгновение будет затянут туда, точно в воронку. Но на атомном уровне все работает совсем иначе. Электрон (как, в сущности, и все фундаментальные частицы) ведет себя по законам квантовой механики – нашей высокоточной модели, призванной описывать мир мельчайших явлений. Можно сказать, что даже слово «частица» в макроскопическом масштабе этого термина здесь неуместно, поскольку электрон – это не отдельная локализованная данность, подобная песчинке; его лучше всего охарактеризовать как размазанное «вероятностное облако», окружающее весь атом. Другими словами, электрон не присутствует постоянно «где-то», а находится везде в пределах своего очень ограниченного мира.

Исследование квантового мира – это увлекательная тема, которой посвящено множество книг, однако нам незачем углубляться в этот предмет. Наша цель – использовать атомы, чтобы выявить поддельные произведения искусства; выяснить, как наши предки научились выращивать кукурузу; представить, как выглядела укрытая льдом Земля 400 000 лет назад; и узнать, как появилась Солнечная система. Таким образом, все, что нам нужно, – это модель атома, которая бы точно содержала все характеристики, необходимые для наших экспертно-криминалистических обращений к истории мира. Такую модель нам еще сто с лишним лет назад предоставил датский физик Нильс Бор.

Вероятно, вы видели эту хрестоматийную картинку (см. рис. 3.3), в которой атом представлен как миниатюрная Солнечная система и вокруг ядра, расположенного в центре, вращаются, подобно планетам, электроны. Мы примем ее, но тем не менее важно помнить об ограничениях аналогии с Солнечной системой. Во-первых, в Солнечной системе тела взаимодействуют посредством гравитации, в то время как электроны удерживаются на месте электромагнитными силами. Во-вторых, протяженность орбит значительно различается, и тогда как планеты движутся по ним на расстояниях, которые от 41 до 3200 раз превышают диаметр Солнца, протяженность первой электронной орбиты в атоме Водорода превышает диаметр протона в 24 000 раз, и для атомов это соотношение размеров совершенно типично (вспомните теннисный мячик на 120-й улице и электрон на 145-й).

Рис. 3.3. Репрезентация боровской модели для атома Углерода, содержащая главные характеристики, необходимые нам, – протоны и нейтроны ядра и четко определенную систему электронов, движущихся вокруг ядра по орбите. Обратите внимание, что рисунок выполнен в условном масштабе; если бы размеры реального ядра совпадали с изображенными, то электроны следовало бы отобразить примерно в 300 метрах от него

Рис. 3.4. У атома Водорода только один электрон, и этот электрон может перемещаться по орбите вокруг протона лишь на особых, точно заданных расстояниях. Они определены допустимыми длинами волн электрона (см. гл. 4) и соответствуют его конкретным энергиям (см. рис. 4.5, где приведены численные значения этих энергий). Если электрон получит необходимое количество энергии – либо благодаря столкновению с другой частицей, как в случае а, либо поглотив фотон, как в случае в, то он сможет перескочить на одну из допустимых орбит, и в этом случае его называют «возбужденным». В дальнейшем он вновь вернется в основное состояние, испустив излишек энергии в форме света (случаи б и г). Обратите внимание, что чем значительнее скачок, тем больше выделяется энергии и тем короче длина волны света (б в сравнении с г). В люминесцентных лампах атомы газа, присутствующие в трубке лампы, при помощи столкновений переводятся в возбужденное состояние, благодаря чему при возвращении электронов в основное состояние возникает свет

Атом Водорода настолько прост, насколько это возможно, – ядро, состоящее из одного протона, и один-единственный электрон на орбите. В нормальных условиях этот электрон остается на своей орбите, о границах которой мы говорили выше, но если по атому ударяет другая частица или рядом оказывается странствующая световая волна подходящего цвета, электрон может перейти на другую, более высокую орбиту, расположенную дальше от ядра. Но он не может перемещаться везде, где захочет, а ограничен лишь определенными, четко заданными расстояниями (см. рис. 3.4). В других атомах, где электронов больше, для каждого из них установлен набор особых дистанций. Такая система орбит играет очень важную роль в том, как атомы взаимодействуют друг с другом и со светом, что позволяет нам распознавать их по всей Вселенной. Об этих системах мы поговорим в следующей главе, в которой объясним устройство Периодической таблицы, ставшей украшением стен в каждом школьном классе, где изучают химию.

Молекула

Теперь мы совершим последний шаг в нашем восхождении от фундаментальных частиц к частичкам вещества, из которых состоит наш узнаваемый мир, и поговорим о молекулах. Как мы уже упоминали, молекула – это сочетание двух и более атомов, одинаковых или различных, сцепленных в особом, четко зафиксированном соотношении. Кислород, который мы вдыхаем, – это молекула Кислорода, в которой соединены два атома, О₂ (подстрочный индекс обозначает число атомов данного рода в молекуле), а выдыхаемые нами углекислый газ (CO₂) и водяной пар (H₂O) – это сочетание трех атомов (где подстрочные «единички» для Углерода и Кислорода подразумеваются, но не указываются; см. рис. 3.5).

Молекулы могут оказаться сложными. Витамин С состоит лишь из двадцати атомов трех типов – C₆H₈O₆, а вот витамин B₁₂ (также известный как цианокобаламин) – уже из атомов шести типов: C₆₃H₈₈CoN₁₄O₁₄P. Самая длинная молекула вашей ДНК, как мы уже отмечали, содержит миллиарды атомов.

И хотя у атомов нет ни крючков, ни проушин, ни шарниров, которые представляли себе древние греки, распределение их внешних электронов уникально для каждого из девяноста четырех элементов, и эти электронные конфигурации управляют связями, в которые склонен вступать тот или иной атом. В следующей главе мы объясним, почему некоторые из них постоянно задействуют режим «привлечения», другим компания требуется не так сильно, а третьи вообще предпочитают пребывать в одиночестве и вполне этим довольны. Орбиты электронов, соединяясь, слегка меняют расположение, укрепляют связи, создают тем самым особое трехмерное пространство и наделяют молекулу всеми своими свойствами, которые можно ощутить извне, – например такими, как вкус, аромат, цвет, текстура и плотность, иными словами, всем тем, что отличает воду от песка, а гранат от брокколи.

Впрочем, в то время как чистая вода (H₂O) и чистый песок (SiO₂) состоят из одной молекулы, в гранатах и брокколи много самых разных молекул, определяющих их структуру и другие характеристики. Более того, многие вещества в нашей повседневной жизни представляют собой смешение различных атомов и молекул; например, воздух – это смесь молекул N₂, O₂, H₂O, CO₂ и множества других, не столь важных, а кроме того, в нем присутствуют атомы Аргона, Неона, Гелия, Криптона и так далее. В вашем бокале пино-нуар по большей части содержится H₂O, но там есть и целое собрание других молекул, наделяющих его восхитительным ароматом.

Рис. 3.5. Наглядное представление молекулы углекислого газа, на котором указано линейное распределение трех атомов и двойные связи между ними (вверху) в сравнении с изогнутой структурой молекулы воды (внизу)

Можете насладиться этим вином, поскольку наша задача завершена. Начав с грубейшей классификации мира как состоящего из твердых тел, жидкостей и газов, теперь мы знаем, что эти состояния вещества зависят от смешения частиц, которые содержатся в них, соприкасаясь друг с другом или находясь друг от друга вдалеке, а также либо могут свободно двигаться, либо прочно удерживаются на своих местах. В каждом из этих трех состояний вещество, в свою очередь, состоит из молекул, а они создаются из определенных соотношений строительных блоков, называемых атомами, которых насчитывается девяносто четыре. Атомы формируются благодаря особым сочетаниям электронов, протонов и нейтронов, а две последние частицы состоят из трех кварков каждая.

Все эти подробности уводят нас очень далеко от воззрений Демокрита на атомный мир, но основная мысль остается прежней: Вселенная состоит из определенного набора основных «кирпичиков», которые обладают уникальными внутренними свойствами и вступают в бесчисленное множество сочетаний, создавая все богатство нашей реальности. Эти «кирпичики» мы, взяв термин Платона, назвали элементами¹³, и теперь мы готовы исследовать все девяносто четыре их разновидности – и позволить им выступить нашими проводниками к далеким и минувшим временам.

Глава 4

Элементы: наш набор «кирпичиков»

Элемент – одно из тел, на которые разложимы другие тела, но неразделимое в самой своей сути¹. Аристотель

По мере того как в XVIII столетии и в начале XIX века накапливалось все больше свидетельств существования атомов, становилось ясно, что строительные блоки некоторых веществ, в отличие от сотен изучаемых субстанций, не получалось разложить на более базовые формы. Антуан Лавуазье, уделив внимание этим несократимым субстанциям, дал своему трактату, изданному в 1789 году, название «Начальный учебник химии» и перечислил в нем тридцать три элемента. Некоторые из них, как мы уже отмечали, такие как «свет» и «теплород» (последний считался флюидом, переносившим тепло), появились в результате неверного понимания природы вещества и энергии, а другие оказались молекулами, состоящими из нескольких элементов; впрочем, двадцать три элемента были истинными и признаются такими и в наши дни.

Как мы упоминали в третьей главе, модель атома, которую предложил Нильс Бор, содержит все характеристики, необходимые нам, чтобы завербовать атомы на службу истории. Их основная структура, подобная планетарной, показана на рисунке 3.3. Здесь мы расширим базовую модель и покажем, что у атома также есть оболочки и подоболочки, а также поговорим о том, по каким законам их заполняют электроны. Так мы, в свою очередь, объясним и устройство Периодической таблицы химических элементов, и подготовим сцену для исчисления тех межатомных взаимодействий, которые и составляют всю нашу Вселенную.

К 1869 году, когда Дмитрий Менделеев опубликовал свою важную систематизацию элементов, его таблица содержала шестьдесят три субстанции и предсказывала появление еще нескольких. В то время единственными известными свойствами элементов был их относительный вес (вычисленный на основе соотношений масс, в которых они сочетались с другими элементами), а также готовность вступать в такие соотношения и проявляемая при этом избирательность. Свои предсказания о существовании новых элементов и возможности их обнаружения Менделеев основывал на закономерностях, проявленных в свойствах известных элементов, которые, в соответствии с их поведением, указывались в одинаковых столбцах, а возрастающий номер в строке отражал увеличение массы. Это распределение, создаваемое без знания размера, массы или внутренней структуры атома, не говоря уже о каком-либо понимании того, что было причиной их поведения, оказалось пророческим, и мы сохраняем его по сей день как Периодическую таблицу химических элементов (см. рис. 4.1).