Строение вселенной

В предыдущих статьях мы больше внимания уделяли микромиру. Теперь поговорим про строение вселенной.

Строительным материалом вселенной служат три вида элементарных частиц:

  1. протоны,
  2. электроны
  3. и нейтроны.

Из протонов и нейтронов состоят ядра, из ядер и электронов — атомы, из атомов состоят молекулы (2), из молекул — кристаллы (3), кристаллы образуют горные породы, из которых состоят малые планеты и спутники (4). Звезды (5) тоже являются системами большого количества протонов, нейтронов и электронов (см.Рис.65).

В недрах звезд из водорода возникли все элементы тяжелее водорода. Из них позднее образовались сложные молекулы (6) и живые клетки (7), а также все живые организмы, то есть биосфера (8) см.Рис.65.

Строение вселенной от элементарных частиц к сверхгалакикам
Рис.65.

Строение вселенной: от кварков к сверхгалактикам

В этой статье мы начнем разговор о разных объектах Вселенной, начиная с кварков и т.д. до сверхгалактик. Для более наглядного представления об их величине мы приводим рисунок 66, на котором одно деление вверх означает десятикратное увеличение числа элементарных частиц, два деления — стократное и т.д.

Взаимодействия во вселенной
Рис.66

Рис.66. В атомном ядре нуклоны (1) связаны сильным взаимодействием (1). Между объектами Вселенной, от атомов до небольших тел планетной системы, действуют силы электромагнитного взаимодействия (2—4). Планеты, звезды и их системы связаны силой гравитации (5). По вертикали дан перечень частиц, из которых складываются системы. Слева направо возрастает организация систем.

Нуклон — система кварков?

Из предыдущих статей нам известно, что все тела во Вселенной вокруг нас состоят из нуклонов и электронов. До сих пор мы предполагали, что это и есть самые простые элементарные частицы, более не делимые. Ведь действительно, до сих пор никому не удалось расщепить протон, нейтрон или электрон на более простые составные.

Но незыблемость этой точки зрения о неделимости частиц в последнее время несколько пошатнулась. Многие специалисты склоняются к предположению, что даже элементарные частицы должны состоять из более простых, так называемых субэлементарных частиц.

В таком случае не только протон и нейтрон, но и все адроны состоят из кварков. Барионы состоят из трех кварков, мезоны лишь из двух.

Так могла бы выглядеть структура протонов и нейтронов, построенная из гипотетических кварков d (1/3) и кварков u (+2/3).

Гипотетическое строение протона и нейтрона из кварков
Рис.67. Гипотетическое строение протона и нейтрона из кварков.

Протон состоял бы из u u d, а нейтрон из кварков d d u.

А так бы выглядела структура антипротона и антинейтрона, построенная из гипотетических антикварков d~ (+1/3) и кварков u~ (2/3).

Гипотетическое строение антипротона и антинейтрона из антикварков
Рис.68. Гипотетическое строение антипротона и антинейтрона из антикварков.

Антипротон состоял бы из антикварков u~ u~ d~, а нейтрон из d~ d~ u~.

Кварки должны иметь дробный заряд (1/3 и +2/3) и могут существовать лишь внутри адронов.

Но необходимо помнить о том, что кварки остаются лишь гипотетическими частицами, существование которых не доказано до сих пор ни одним экспериментом.

В то же время, ни электрон, ни любой другой лептон нельзя объяснить в виде системы кварков.

Атомное ядро — система нуклонов

Самой малой системой элементарных частиц является атомное ядро.

Атомное ядро состоит из нуклонов, взаимосвязанных между собой мощной ядерной силой. Ядро атома имеет в диаметре всего лишь несколько ферми, но плотность его огромна (1014 кг/см3).

В зависимости от количества нуклонов различаются разные виды атомных ядер, т. е. нуклидов. Каждый нуклид определяется двумя величинами:

  • количеством протонов Z
  • и количеством нейтронов N.

Таким образом, количество нуклонов в нуклиде равно Z + N, оно обозначается символом А и называется массовое (нуклонное) число, так как определяет массу нуклида.

Ядро гелия
Рис.69. Ядро гелия.

К примеру, на рисунке 69 приведено ядро гелия (его ещё называют альфа-частица). Состоит из двух протонов (Z) и двух нейтронов (N), то есть из четырех нуклонов (А).

В настоящее время известно более 1400 нуклидов.

Количество протонов в нуклидах колеблется от 1 до 105. Количество нейтронов в нуклидах от 0 до 157. Большинство нуклидов радиоактивно, т.е. со временем распадаются.

Ядро радиоактивного изотопа углерода
Рис.70. Ядро радиоактивного изотопа углерода.

Постоянных нуклидов насчитывается немногим больше 280. Множество нуклидов создано искусственно, но они нестабильны и распадаются.

Ядро радиоактивного углерода с шестью протонами и восемью нейтронами нестабильно (6 + 8 = 14). Приблизительно за 5000 лет в нем произойдет распад одного нейтрона и возникает ядро азота 147N.

Ядро кислорода с восемью протонами и восемью нейтронами
Рис.71. Ядро кислорода с восемью протонами (Z) И восемью нейтронами (N).
Кстати, именно определение количества этого изотопа углерода в органических останках положено в основу радиоуглеродного метода датирования.

Специалисты пользуются так называемой картой нуклидов. Это сеть квадратиков, где на горизонтальной оси дано количество нейтронов N, а на вертикальной — количество протонов Z. Каждому нуклиду соответствуют две величины (N, Z), то есть один квадрат на карте нуклидов.

В то же время каждому квадрату не обязательно соответствует реальный нуклид. Возьмем для примера квадратик 10,2 на нашей карте. Известно, что соответствующий нуклид с десятью нейтронами и двумя протонами в природе не существует. Не существует также ядро углерода, которое состояло бы из двадцати нейтронов — квадрат 20,6 не заполнен.

Такие ядра не могут существовать, так как этому препятствуют ядерные силы, связующие ядро в одно целое.

Ядро — это сердце атома. Поэтому его обозначают химическим символом атома (элемента). Символу предшествуют две цифры:

  • нижняя обозначает количество протонов в ядре (Z),
  • над ней — массовое число (А).

Например:

11Н представляет ядро водорода (протон),

42Не — ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами, т.е. в сумме с четырьмя нуклонами.

Нуклон связан со своим нуклидом значительной энергией связи. Эту энергию связи передал нуклон, вступая в систему. Чем больше энергия связи нуклонов в нуклиде, тем стабильнее нуклид.

Долина стабильности

Чтобы сравнить энергию связи разных нуклидов, воспользуемся следующей моделью.

Представьте себе, что карта нуклидов нарисована на верхней плоскости прямоугольного параллелепипеда. Параллелепипед изготовлен из мягкого вещества, так что в него можно вдавить любой квадрат из карты нуклидов.

Долина стабильности

Определим для каждого нуклида энергию связи, относящуюся к одному из его нуклонов (физики разработали соответствующие таблицы нуклидов). Нуклид с энергией связи 3 Мэв на 1 нуклон вдавим на глубину 3 см, нуклид с энергией связи 7 Мэв — на глубину 7 см и т.д.

Таким образом карта нуклидов превратится в террасы. Каждой ступеньке террасы соответствуют три величины:

  • количество нейтронов,
  • количество протонов
  • и энергия связи.

Эту модель назовем «долиной» стабильности.

В ней должно находиться свыше 1400 постепенно понижающихся квадратов, ибо столько нуклидов нам известно. Террасы стабильности функционируют как наглядная модель, позволяющая понять все ядерные реакции, которые имеют место во Вселенной.

При помощи террас стабильности легко понять процесс возникновения химических элементов из водорода, протекающий в звездах. Нуклид, попавший на более низкую ступеньку террасы, освобождает энергию.

Соединение четырех протонов в ядро гелия, например, или расщепление ядра урана с 235 нуклонами (23592U) на два более легких нуклида означает, что их нуклоны освобождают энергию связи, так как возникшие нуклиды ниже.

В самом начале Вселенной существовали лишь протоны и электроны. Свободные протоны не обладают энергией связи и в нашей модели занимают самое высокое положение. Они готовы скатиться с верхней плоскости вниз. Случай для этого им представился при рождении звезд.

В раскаленных недрах звезд протоны двигались столь стремительно, что при столкновениях преодолевали силы взаимного отталкивания и сближались на расстояние одного ферми. Ядерные силы их привлекли и соединили, создав единое ядро — иначе говоря, протоны попали в «долину» стабильности на террасу 42Не, и каждый отдал энергию связи 7 Мэв. Это произошло в тот момент, когда ядерная сила соединила их в ядро.

Чем старше Вселенная, тем больше протонов попадает в ядра. Поэтому со временем понижается количество протонов вверху и растет количество ядер на террасах внизу.

Звезды живут за счет освобожденной энергии связи.

Электроны не имеют при этих превращениях большого значения, ведь речь идет о ядерных реакциях. Вместо того, чтобы говорить, что ядра водорода соединяются в ядра тяжелых элементов, проще сказать, что водород превращается в тяжелые элементы.

Астрономам удалось определить, сколько атомов, точнее говоря, ядер различных элементов во Вселенной возникло из водорода.

Больше всего во вселенной атомов водорода, так как они еще не превратились в тяжелые атомы (то есть не упали на нижние террасы «долины» стабильности).

Относительно мало лития, берилия и бора, так как эти элементы превратились в гелий еще в начале звездной эволюции.

И наоборот, элементов, располагающихся в периодической системе вокруг железа, во Вселенной относительно много. Их ядра самые стабильные, то есть находятся на самых нижних ступенях „долины“ стабильности.

Несмотря на большую разнородность атомных ядер, или нуклидов, эти системы состоят лишь из двух видов элементарных частиц — из протонов и нейтронов. Они связаны ядерной силой, радиус действия которой только один ферми.

Наоборот, электрическая сила протонов существенно превышает радиус действия ядерных сил. Она притягивает электроны и в то же время отталкивает остальные нуклиды.

Таким образом, более сложная система — атом — построена из нуклидов и электронов при помощи электрической силы.

Атом — система нуклидов и электронов

Нуклид (ядро) с положительным зарядом при помощи электрического притяжения притягивает столько электронов, сколько протонов в нем содержится.

Если увеличить атом в биллион раз (1012), то в центре его мы увидим тяжелое ядро с диаметром несколько миллиметров. Вокруг ядра на расстоянии нескольких сотен метров будут вращаться легкие электроны с диаметром около одного миллиметра (в нашей модели они обозначены синим цветом).

Ядро атома в несколько тысяч раз тяжелее всех электронов вместе взятых.

Как было уже сказано, электроны вращаются вокруг ядра на довольно отдаленном расстоянии. Все вместе они составляют так называемую электронную оболочку. В пространстве между ядром и электронами действуют электрические силы.

Электроны организованы вокруг ядра в соответствии с определенными правилами.

Основным правилом в организации электронов в электронной оболочке атома является запрет Паули: в той же самой орбите могут находится только два электрона, спины которых противоположны.

По своим размерам электронная оболочка атома примерно в 100 000 раз превышает ядро.

Энергия связи электронов составляет несколько электронвольт. Электроны внутри оболочки, около ядра, могут обладать энергией связи до тысячи электронвольт. Даже эта величина очень мала по сравнению с энергией связи нуклона в ядре (примерно 8 миллионов электронвольт).

Именно в этом и кроется причина, почему атом далеко не так стабилен и устойчив к ударам извне и прочим влияниям, как его ядро. Поэтому ядро разлагается на нуклоны при гораздо большей температуре, чем ионизация атома.

Большая часть вещества во Вселенной сосредоточена в недрах звезд.

Атомы в них полностью разрушены (ионизированы) резкими столкновениями. Плотность некоторых звезд (например, белых карликов) столь велика, что их вещество выродилось.

Во Вселенной мало мест, температура и плотность которых достаточно низкие для того, чтобы ядра могли сохранить полную электронную оболочку.

К счастью, так обстоит дело и на поверхности нашей планеты, благодаря магнитосфере и атмосфере, которые защищают все атомы, находящиеся на поверхности Земли, от влияния разрушительных фотонов и быстрых частиц, прилетающих из космического пространства.

Молекула — система атомов

Атомы складываются в высшие системы — молекулы.

Молекула — это самый маленький образец вещества.

Например, мельчайшей частью воды является молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода. А молекулы белков состоят из многих атомов углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы.

Приблизительно из ста разных атомов можно построить неограниченное количество разных видов молекул. Химикам известно более миллиона разных молекул.

Атомы в молекуле точно организованы в пространстве. Так, например, в молекуле этилового спирта (С2Н5ОН) атом углерода связан электрической силой с тремя атомами водорода (С—Н) и со вторым атомом углерода (С—С). Второй атом углерода соединяется с двумя атомами водорода и с одним атомом кислорода (С—О). Атом кислорода соединяется еще с одним атомом водорода (О—Н).

При возникновении молекулы из атомов ничтожная часть (примерно одна миллиардная) энергии покоя атомов освобождается. Эта энергия называется энергией связи.

Вследствие химических реакций меняется строение молекул. Для того, чтобы произошла реакция, мы должны использовать энергию новых связей (реакция экзотермии) или, наоборот, приходится привносить энергию (реакция эндотермии).

Молекулы находятся во Вселенной повсюду, где температура или плотность не слишком высоки, например, в земной коре и атмосфере, на других планетах и спутниках, в кометах и пылевых облаках в межзвездном пространстве.

Простейшие молекулы можно с помощью спектра обнаружить и в сравнительно холодных звездах, но лишь на их более холодной поверхности, так как в раскаленных недрах нет даже атомов.

Примерно сорок молекул было открыто при помощи радиоволн в пылевых межзвездных облаках. Молекулы в них защищены от фотонов ультрафиолетового и рентгеновского излучения, а также от опасных частиц космического излучения.

Кристалл и клетка — системы молекул

До сих пор мы говорили об электрической силе, связующей электроны с ядром атома или атомы в молекулах. Но притяжение электрических сил действует и между молекулами, создавая из них сложные системы.

Из рисунка 66 мы узнали, что все во Вселенной строится из элементарных частиц при помощи трех основных сил взаимодействия. Здесь обратим внимание на переход от молекул к их системам.

На протяжении более чем трех миллиардов лет молекулы на поверхности нашей Земли организовывались в более сложные и совершенные системы: молекулы — макромолекулы — клетки — колонии клеток — многоклеточные организмы (рис. 66).

Эволюция жизни (филогенез) проявлялась в том, что на Земле постепенно появлялись все более совершенные системы молекул.

Поскольку существование условий, необходимых для развития живых организмов весьма вероятно и в других планетных системах, можно предположить, что жизнь существует и во многих других местах Млечного Пути и даже в других галактиках. Этими вопросами занимается научная дисциплина экзобиология.

Молекулы всякого вещества находятся в состоянии постоянного неупорядоченного движения. Их движение тем быстрее, чем выше температура вещества.

В процессе охлаждения их движение замедляется. При определенной температуре сила притяжения между молекулами начинает преобладать над их движением и связывает их в упорядоченную структуру. Так возникает кристалл твердого вещества.

При наличии достаточно низкой температуры почти каждое вещество превращается в кристаллы.

Кристалл — это система многих молекул. В отличие от газов и жидкостей молекулы в кристалле организованы в определенном порядке. Они составляют правильную пространственную структуру, которую принято называть кристаллической решеткой.

Кристаллы разных молекул отличаются друг от друга формой и цветом. Разнообразие в мире кристаллов является следствием электрических сил, действующих между молекулами и их атомами.

Кристаллы намного проще самой простой клетки — живой системы молекул. В то же время они встречаются в гораздо большем количестве во Вселенной, они всюду, где вещество находится в твердом состоянии (земная кора, межзвездная пыль, кометы, спутники и т.д.).

Кристаллы в значительной мере отличаются от живой клетки. Лишь одно важное свойство у них общее — рост. Кристаллы вырастают в растворе, упорядоченно увеличивая свой объем. Так, например, в соленой воде возникают мелкие кристаллики соли, которые увеличиваются по мере испарения воды.

Когда кристалл растет, он прибавляет к своим стенкам все новые и новые молекулы, создавая продолжение своей решетки. Прирастая к стенке кристалла, молекула освобождает ничтожную часть своей энергии покоя.

Электрическая сила упорядочивает молекулы в пространстве таким образом, чтобы освободившаяся энергия была как можно больше. Этим и объясняется то, что разные вещества, отличающиеся друг от друга молекулами, создают кристаллы разных форм.

Энергия, которая освобождается при возникновении кристалла, называется и в данном случае энергией связи. Чем она больше, тем система молекул, кристалл, стабильнее и устойчивее по отношению к вмешательству извне. И тем больше нужно нагревать кристалл для того, чтобы он растаял.

Оцените статью
Добавить комментарий