Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Более того, электронвольт – невеликая единица измерения энергии, так что в масштабах, к которым привыкли люди, даже 92 миллиона – это немного. Но атомы тоже невелики, и если добавить энергию связи ядра в атомы Углерода в чешуйке графита, она будет соответствовать энергии пассажирского поезда с шестью вагонами, который весит 680 тонн и несется вперед со скоростью в 130 км/ч! Именно поэтому ядерные превращения – независимо от того, происходят ли они на атомной электростанции или в бомбе, – настолько мощнее химических реакций, в которых взаимодействие каждого атома с его ближайшим окружением производит примерно в 10 000 000 раз меньше энергии.

Энергию связи любого ядра можно рассчитать, просто взвесив его (или, выражаясь более точно, измерив его массу). Можно было бы подумать, что такое измерение даже не понадобится, поскольку нам известно число протонов и нейтронов в каждом ядре, поэтому мы могли бы просто сложить сумму масс составляющих частиц и вычислить итоговую. Но, как показал нам Альберт Эйнштейн, масса – это просто иная форма энергии, и вся эта энергия, связывающая ядро воедино, должна откуда-то поступать. На самом деле это «откуда-то» и есть масса: E = ?mc², где E – это энергия связи ядра, ?m – разница между суммой масс составляющих частиц и массой самого ядра, а c – скорость света.

Мы произвольно выбрали атом Углерода, чтобы определить единицу атомной массы (разумно названную «атомной единицей массы» и получившую аббревиатуру а. е. м.). Выстроив шкалу таким образом, чтобы атом Углерода обладал массой в 12 а. е. м., мы можем провести расчеты, подобные тем, что приведены в рамке 4.3, и найти энергию связи ядра Углерода. Определив сумму составляющих атома, мы увидим, что общая масса превышает 12 а. е. м. на 0,8 %. Впрочем, когда мы соединяем все составляющие, эта избыточная масса выделяется в форме энергии – мы подробнее обсудим это в главе 16. Именно поэтому сияют звезды. Обратив массу в энергию при помощи уравнения Эйнштейна, мы получим 92,1 миллиона электронвольт энергии связи для атома Углерода – сверхскоростной пассажирский экспресс в чешуйке графита.

На шкале, где масса Углерода составляет 12 а. е. м., отдельный протон имеет массу 1,00728 а. е. м., а нейтрон – массу 1,00867 а. е. м. Так, шесть протонов обладают массой

6 x 1,00728 а. е. м. = 6,04368 а. е. м. приходится на протоны,

и шесть нейтронов лишь немногим тяжелее

6 x 1,00867 а. е. м. = 6,05202 а. е. м. приходится на нейтроны.

Но нам нельзя забывать об электронах. Их масса очень мала, но она не нулевая и составляет 9,1 x 10^–31 кг для каждого электрона, так что шесть электронов добавляют

6 x 0,000548 а. е. м. = 0,00329 а. е. м.,

и тем самым общая масса частиц, составляющих атом, равна 12,0989 а. е. м.

Если мы вычтем из этого числа 12,000 и произведем преобразование в единицы энергии, то получим

0,0989 а. е. м. x 1,66054 x x 10^–27 кг/а. е. м. x (2,99792 x 10⁸ м/с)² = 1,476 x x 10^–11 Дж/1,6022 x 10^–13 Дж/МэВ = 92,1 Мэ В.

Энергия химической связи

Заключительная тема, требующая нашего внимания в этой главе, касается понимания процесса, благодаря которому формируются молекулы. Путем исключения можно со всей очевидностью установить, что атомы связываются в молекулы благодаря электромагнитной силе – гравитация чрезвычайно слаба, чтобы играть важную роль на атомном масштабе, а два других взаимодействия, сильное ядерное и слабое ядерное, не проявляются за пределами ядра. И все же как взаимодействующие электроны – все отрицательно заряженные и тем самым взаимно отталкивающие друг друга – образуют прочные связи между атомами?

Разгадка кроется в эффективном распределении электронных волн вокруг ядра, а также в стремлении атомов к симметрии, которая рождается благодаря заполненным электронным оболочкам. Хороший пример – атомы Водорода и Кислорода в воде. Каждый атом Водорода, имеющий лишь один электрон, был бы гораздо счастливее, если бы его 1s-подуровень был бы либо заполнен (с двумя электронами), либо пуст (без электронов). Атом Кислорода имеет конфигурацию 1s²2s²2p⁴ и хотел бы заполнить два своих оставшихся свободных места на 2p-подуровне. Так совершаются браки на атомных небесах. Каждый из атомов Водорода может поделиться своим электроном с атомом Кислорода, так что его 2p-подуровень оказывается более заполненным. Тем временем, когда электроны в большей степени сосредотачиваются вокруг атома Кислорода, он приобретает, в среднем, слегка отрицательный заряд, тогда как оба атома Водорода становятся слегка положительно заряженными. А положительные и отрицательные заряды притягиваются (см. рис. 3.5).

Это асимметричное распределение заряда в молекуле воды, называемое полярностью, оказывается причиной многих важных свойств воды. Во-первых, благодаря ему ее молекулы притягиваются друг к другу (положительный конец – к отрицательному; отрицательный, в свою очередь, – к положительному…), и возникает то, что мы называем поверхностным натяжением. Его примером может стать пленка на лужице, достаточно прочная для того, чтобы некоторые насекомые могли в прямом смысле слова ходить по воде. Так объясняется и способность воды растворять практически все: электрические силы разрывают слабые связи, посредством которых молекулы других веществ скрепляются друг с другом. Благодаря этой характерной черте вода становится столь важной для жизни – она растворяет химические элементы любого рода и переносит их, протекая через стебель растения или кровеносный сосуд. Кроме того, полярность проясняет и еще одно необычное свойство, которым обладает вода, – в твердой фазе она менее плотная, чем в жидкой (то есть лед плавает на поверхности воды).

Для создания воды нужно в прямом смысле слова «сжечь» газообразный Водород, H₂ (он сочетается с газообразным Кислородом, O₂) в ходе реакции, представленной в следующем виде:

2H₂ + O₂ – > 2H₂O + 19,2 эВ

Иными словами, каждые две молекулы H₂ (четыре атома Водорода в целом) связываются с одной молекулой O₂ (двумя атомами Кислорода), чтобы создать две молекулы воды (два соединения H₂O), и в процессе выделяют 19,2 эВ энергии. В среднем это означает, что каждая связь O – H в молекуле воды обладает энергией связи, равной 19,2 эВ/4 = 4,8 эВ. Это типично для энергий связи в сравнительно простых молекулах, которые, как правило, охватывают диапазон от 1 до 10 эВ. Одну из самых прочных простых связей мы обнаружим в молекулах Азота, составляющих большую часть нашей атмосферы – на то, чтобы разорвать связь N₂, нужно затратить 9,8 эВ. И это проблема, поскольку Азот неимоверно важен для жизни растений. Растения не могут расщепить Азот, содержащийся в воздухе, и доверяют эту задачу бактериям, которые живут на их корнях, а бактерии используют Кислород как источник энергии и разрывают с его помощью связь N₂, благодаря чему атомы Азота становятся пригодными для растений (см. гл. 10).

Как мы отмечали чуть раньше в этой главе, асимметричное распределение заряда в молекуле позволяет молекулам притягиваться друг к другу. У воды это притяжение сравнительно сильное и составляет 0,42 эВ на молекулу в жидком состоянии – иными словами, именно столько энергии нужно добавить, чтобы разорвать связи между молекулами воды при переходе из жидкого состояния в газ (можно выразиться иначе: чтобы вскипятить воду и получить пар). Для перехода воды из твердой фазы в жидкую (таяние льда) нужно частично разорвать связи и позволить молекулам проскальзывать друг над другом. На это уходит в семь раз меньше энергии (0,06 эВ на молекулу).

Итак, мы завершили цикл, пройдя от начала главы 3 к концу главы 4. Мы начали с того, что разделили всю материю на три группы в зависимости от ее состояния и увидели, что эти состояния, или фазы, определяются лишь прочностью связей между элементарными частицами. Теперь мы понимаем, что на превращение твердого тела в жидкость, а жидкости – в газ требуется примерно 0,05 эВ и 0,5 эВ, а для разложения частиц на соответствующие атомы – примерно 5 эВ на связь. Расщепление атомов на электроны и ядро требует от 15 до 150 000 эВ, разрушение ядра на протоны и нейтроны – 5–10 миллионов эВ, а распад протонов на кварки происходит при затрачивании 50 миллионов эВ. Шкала энергий охватывает значения, доходящие до 1 миллиарда, но принципы остаются неизменными: от кварков и лептонов до кубиков льда иерархия вещества, которой управляют четыре фундаментальных взаимодействия, связывает элементарные частицы в девяносто четыре базовых «кирпичика», придающие облик нашему миру. И хотя нам все-таки удалось разделить эти «неделимые» атомы, они стали нашими добрыми знакомыми, и мы хорошо изучили их внутренний мир и внешние связи. Теперь осталось лишь кратко поговорить о степени их родства и о времени жизни в главах 5 и 6, и мы будем готовы вместе с ними отправиться в путешествие по давно минувшим временам.

Глава 5

Изотопы: разновидности элементов

Теперь, когда мы обрисовали уникальный статус девяноста четырех типов атомов, из которых состоят миллионы веществ, определяющих, как выглядит наш мир, пришло время немного все усложнить: не все атомы Углерода одинаково похожи, и то же самое можно сказать об атомах Водорода, Кислорода или, скажем, Урана. Каждый из девяноста четырех элементов существует в двух или нескольких разновидностях, которые мы назвали «изотопами».