Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Пару слов вместо введения — атомы разных элементов отличаются друг от друга и их строение как будто бы подчиняется какой-то систематике. Есть мнение, что конструкцией управляет некоторое «описание строения или инструкция» (этакий программный код), но на самом деле всё и проще, и интереснее. Инструкция определяет не саму конструкцию атома, а кое-что другое. Но, обо всём по порядку…
По стандартному представлению вся материя состоит из частиц. Этими частицами являются атомы. Сами атомы тоже будут делиться на составляющие и поиск мельчайшей частицы превращается тут в бесконечную увлекательную игру. Не будем сейчас погружаться именно в эту тему. Есть тут другой невероятно интересный вопрос.
Ответьте мне и напишите в комментариях. А что определяет свойства того или иного атома и, как следствие, материи из атомов? Почему одни материалы получаются радиоактивными, а другие — хорошо вступают в химические реакции?
Логика ответа будет простой — это определяется свойствами самих атомов. При этом свойства атома зависят от его строения. И теперь самое интересное! А что вообще определяет физическое строение атома? Почему эти частицы получились именно такие, а не какие-нибудь ещё?
Очевидно, что в поиске ответа нужно сначала рассмотреть сами атомы и их конструкцию. Тут имеется довольно объемный массив знаний. Оттолкнемся от самой простой и доступной информации. Да, во многом это будет моделью, ведь даже электроны никто не видел и атомы нормально не сфотографировали, но этих знаний вполне достаточно, чтобы объяснять множество процессов и свойств самих атомов. Будем считать, что классическая модель у нас вполне доверительная.
Согласно этой модели внутри находится атома ядро, а вокруг ядра распределены электроны. Само ядро состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. И классическое представление на этом ограничивается.
Атомы отличаются друг от друга количеством нуклонов в своем строении и электронов, которые окружают эту систему. Это и формирует свойства. Атомы можно классифицировать и составить периодическое распределение, которым и является легендарная периодическая система. И теперь начинается самое интересное!
Почему атом водорода, например, лёгкий и имеет простую конструкцию, а атом урана — тяжелый? Если вы пока не поняли к чему я веду, то давайте сформулируем чуточку иначе.
Логично описывать эти свойства через устройство атома. Ядро атома водорода содержит один протон, а ядро атома урана содержит 92 протона. А почему всё именно так, а не иначе?
Что заставляет субатомные частицы объединяться именно в такие конфигурации, как мы наблюдаем?
Взаимоотношения субатомных частиц
Все протоны, нейтроны и электроны одинаковые. Получается, что в какой-то момент сформировались именно такие объекты и произошло это примерно как сборка моделей из неокуба.
Конечно тут мы можем обратиться к базовым принципам. Например, мы знаем, что атом в целом электрически нейтрален. Это означает что количество плюсиков и минусов должно соответствовать друг другу ну и логично, что протонов и электронов будет одинаковое количество.
Число нейтронов в атоме в общем случае равно разности атомной массы и номера элемента. Протоны отталкиваются друг от друга электрическими силами, и без нейтронов они бы просто разлетелись в разные стороны. Силы, которыми нейтроны удерживают протоны вместе. Число протонов может не ровняться количеству нейтронов.
Но вопрос «а почему именно столько» всё равно остаётся и ответ из базовых знаний не следует. Или всё-таки следует?
Наверное тут уместно копать в сторону истории формирования первых атомов и по этой логике анализировать все наблюдения. Тут целый том книги можно написать. Но давайте кратенько.
Откуда появились атомы?
Почти сразу после Большого взрыва образовались нейтрино, кварки и электроны. Протоны и нейтроны начали формироваться вскоре после этого. Когда система охладилась, протоны и нейтроны образовали ядра водорода. Это называется эрой нуклеосинтеза. Некоторые из этих ядер, соединяясь, также образовывали гелий, хотя и в гораздо меньших количествах (всего несколько процентов).
Пока всё довольно логично и просто, если не лезть глубже протонов и нейтронов. Протонов наплодилось невероятное количество, а это уже считай ядра атома водорода. Они болтались в пространстве. Им оставалось притянуть электрон под действием кулоновских сил. И вуаля — имеем немерено водорода! Пока всё не то, чтобы стабильно. Но мы работаем над другим вопросом и этих знаний достаточно.
Помимо протонов в системе болтались нейтроны. Логично, что и им нужно как-то с чем-то провзаимодействовать. Ну а нам на этот счёт известно, что когда протоны или нейтроны оказываются достаточно близко друг к другу, они обмениваются частицами (мезонами), связывая их вместе. В итоге протон притягивает нейтрон за счёт сильного взаимодействия. В нашем случае протоны и нейтроны в этой каше вполне могли оказаться очень даже близко.
Это постепенно подводит нас к тем нескольким процентам ядер гелия, которые тоже сформировались.
Наш глобальный вопрос на всё обсуждение — почему они сформировались именно такими? Что же, пока всё просто. Простая комбинаторика и действие стандартных сил.
Сначала появились ядра дейтерия — комбинация протона и нейтрона. Дальше, пока ещё это позволяли плотность и температура, происходили дополнительные реакции. Если дейтерий взаимодействовал с протоном, то получался гелий-3 (изотоп гелия, содержащий два протона и один нейтрон). Если дейтерий взаимодействовал с нейтроном, получался тритий, сверхтяжёлый изотоп водорода (один протон, два нейтрона). На следующем этапе гелий-3 присоединял ещё один нейтрон, и образовывалось ядро гелия-4, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Это одно из самых устойчивых во Вселенной.
Понимаете суть? Пока это формирование подчиняется только базовой программе взаимодействия. Мы имеем дело со стандартными реакциями и явлениями. Дальше это банальная и простая комбинаторика. Атомы именно такие по той причине, что протоны, нейтроны и электроны могут соединяться именно таким образом, что обусловлено базовыми силами природы.
А как быть с более тяжелыми и сложными элементами? Что же, тут следует добавить существование сложных условий и, так или иначе, подход будет повторяться. Одно прилипает к другому благодаря базовым взаимодействиям. Свойства готовых атомов всё также будут определяться их строением. Но интереснее всего поговорить тут о граничных состояниях. Или даже сформулировать вопрос иначе — а чем кончилась стандартная таблица Менделеева?
Ведь фактически таблица указывает распределение и последний элемент с самым большим номером будет указывать на максимальный вес атома, который удалось зафиксировать.
Чем кончится таблица Менделеева? Самым тяжелым?
В настоящее время таблица Менделеева заканчивается на 118-м элементе — оганесоне. Однако теоретически таблица не имеет конца, так как элементов может быть бесконечное количество, но далеко не все из них будут стабильными. При этом стабильность того или иного тяжелого элемента очень сложно правильно оценить из-за сложной цепочки перекрестных взаимодействий. Есть даже легенда, что где-то за пределами измерений будет находиться островок стабильности — группа тяжелых стабильных элементов.
Стабильность определяется множеством параметров. Тут тоже можно написать трактат. Чем тяжелее элемент, тем больше паразитных сил будет присутствовать. Например, наблюдается такое явление, как захват ядром нейтронов. Захват нейтронов ядром увеличивает нестабильность ядер. Да и сами тяжелые элементы (порядковый номер которых больше 82) испускают альфа-бета-гамма-лучи превращаясь в свинец. Или стремятся к наиболее стабильному состоянию.
При этом обозначенная логика продолжает работать. Всё также система строится на базовых взаимодействиях. Если условиях благоприятны то работает несколько фундаментальных сил, которые и собирают из шариков конструкцию. При этом пока эта конструкция не выходит за рамки стабильной конфигурации, всё просто отлично. Как только она оказывается за этой зоной, то мы имеем известные явления в виде радиоактивного распада и прочих радостей. Это напоминает строительство башни из камней на галечном пляже. При некоторой критической высоте система будет неустойчиво. Опять всё та же комбинаторика.
Так есть ли у атома программный код?
Я решил рассмотреть этот вопрос, поскольку в обсуждениях витала идея существования некоторого «информационного кода» для каждого элемента (привет теории симуляции). Тут же, на мой взгляд, скорее работает некоторая система, похожая на матрёшку.
Есть некоторые, вероятно запрограммированные, методы объектов, которые определяют существование базовых взаимодействий.
Субатомные частицы могут притягиваться, отталкиваться и образовывать группы при должном балансе сил отталкивания, притяжения и внешнего воздействия со стороны гравитации и похожих явлений.
Дальше начинается образование устойчивых и не очень конструкций, формирование которых определено исходными методами субатомных частиц. Это как из точек изображение собрать.
Всё выглядит довольно просто и держится на нескольких явлениях, которые мы хорошо знаем. При этом я сомневаюсь, что существует именно что запрограммированный код для каждого атома системы. Существует только исходный код каждого взаимодействия, а дальше получается неуправляемый коктейль. Это подтверждается и знаниями о продолжении таблицы Менделеева.
Вывод простой — на базе нескольких классических взаимодействий между субатомными частицами сугубо механически формируется огромное количество всевозможных конструкций, которые и являются «разными» атомами. У них нет собственного кода и они являются производными от стандартных функций частиц.
Поделись видео: