Protonai, elektronai, neutrinai, fotonai, gravitonai yra stabilios elementarios dalelės. Šiuo metu mokslininkai neabejoja, kad beveik visi žinomi mikroelementai turi savo antidaleles. Iki šiol taip pat įrodytas dalelių naikinimas.
Sunaikinimas – sunaikinimas
Apie antidalelių egzistavimą fizikai diskutavo ilgai, kol 1932 metais buvo atrasta elektrono antidalelė – pozitronas. Vėliau greitintuvuose buvo aptiktas antiprotonas ir antineutronas.
Po šio atradimo nebeliko abejonių, kad protonas ir elektronas gali išnykti vieninteliu būdu: susidūrus su antiprotonu ar pozitronu. Šiuo atveju dalelės anihiliuojasi, dėl to abi virsta gama fotonais. Lotyniškai „nihil“ reiškia „nieko“, tai yra, dalelių anihiliacija turėtų reikšti „sunaikinimą“.
Iš tikrųjų mes kalbame ne apie sunaikinimą, o apie transformaciją. Mikroelementai, turintys ramybės energijos (protonas, antiprotonas, elektronas, pozitronas), paverčiami be ramybės masės. Bendras energijos kiekis išlieka nepakitęs. Taip pat išsaugomi stiprūs barionų (protonų ir neutronų) ir silpni leptoniniai (elektronų ir antidalelių) krūviai bei kitos charakteristikos. 
Elementariųjų mikroobjektų antidalelės nesuyra, o dauguma kitų po trumpo laiko suyra savaime.
Materializacija
Materializacija yra procesas, priešingas dalelių sunaikinimui. Abu jie vaidino svarbų vaidmenį pradiniame Visatos formavimosi etape.
Naudodamiesi paprastu pavyzdžiu, pažiūrėkime, kas yra materializacija.
Jei gama fotonas, kurio energija ne mažesnė kaip 1 MeV, skrenda arti atomo branduolio, jis pavirs elektronu ir pozitronu. Tokiu atveju išsaugomas elektros krūvis, fotono krūvis lygus nuliui, o abiejų atsirandančių mikroelementų krūvių suma taip pat lygi nuliui. Panašiai materializacijos metu išsaugomas leptono krūvis. Jei dalelės turi didelį greitį, tada jų bendra energija yra didesnė nei ramybės, o susidariusių gama fotonų energija taip pat bus didesnė.
Dabar aišku, kodėl antžeminės ar saulės kilmės antiprotonas, pozitronas ar antineutronas yra dalelės, kurių gyvavimo laikas trumpas.
Saulė ir Žemė yra sudarytos iš materijos, tai yra protonų, elektronų ir neutronų. Todėl pirmą kartą susitikus su dalelėmis, antidalelės iš karto sunaikinamos.
Medžiaga yra priešiška aplinka antidalelėms, todėl antimedžiaga ir medžiaga negali egzistuoti viena šalia kitos arti.
Kol kas nežinome, kurioje kosmoso vietoje jis yra. Šviesos spindulys negali mums to atskleisti, nes medžiagos skleidžiami fotonai yra lygiai tokie patys.
Kitaip tariant, materializacija reiškia energijos pavertimą dalele, turinčia ramybės masę.
Energija gali būti fotono, einančio šalia atomo branduolio, pavidalu. Gali materializuotis ir kosminės spinduliuotės protono kinetinė energija. Iš kosmoso atkeliavusio protono kinetinė energija gali būti milijardą kartų didesnė už ramybės energiją. Ir būtent šis milžiniškas materialus judėjimo matas pagimdo labai daug dalelių žemės atmosferoje. Toks didelės energijos protonas iš gilios erdvės susiduria su azoto arba deguonies branduoliu žemės atmosferoje. Šio susidūrimo metu branduolys suyra, o dėl milžiniško protono judėjimo kiekio gimsta daugybė milijonų įvairaus tipo dalelių ir antidalelių (barionų ir antibarionų, leptonų ir antileptonų, mezonų ir fotonų). Bendrai šios dalelės yra žinomos kaip kosminių spindulių dušas, kuris yra didelio masto materializacijos pavyzdys. 
Žemės paviršiuje dalelių greitintuvuose vyksta įvairios materializacijos rūšys. Pavyzdžiui, vandenilio kameroje greitasis protonas susiduria su vandenilio branduoliu, tai yra protonu, ir jo kinetinė energija paverčiama neutronu, antiprotonu ir mezonu.
Lapkričio 11-oji yra Tarptautinė energijos taupymo diena. Alternatyvūs energijos šaltiniai sukurti taip, kad vartojimas būtų ekonomiškesnis ir draugiškesnis aplinkai. Skaitykite apie tai, kaip aprūpinti gyvenamąjį namą energija naudojant dumblius, kokie yra vėjo jėgainių veikimo principai ir kurios šalys yra alternatyvios energijos lyderės.
Kiek toli galite nueiti ant aliuminio skardinės?
Alternatyvūs energijos šaltiniai jau tapo įprasta šiuolaikiniame pasaulyje. Tačiau šioje srityje dar yra vietos nuostabiems mokslininkų atradimams. Kad ir kas tarnautų kaip energijos šaltinis. Kai kurios idėjos prieš kelis dešimtmečius galėjo kilti tik mokslinės fantastikos rašytojams, tačiau XXI amžiuje tai jau tapo realybe.
Prieš keletą metų Vokietijoje, Hamburge, buvo pastatytas namas, šildomas tik dumbliais. 129 akvariumai su augalais yra pritvirtinti ant išorinių pastato pastolių ir gali pasisukti po saulės. Taigi dumbliai, veikiami šviesos, išskiria šilumą. Jei „bioreaktoriaus“ fasadas generuoja per daug šilumos (kaitriu saulėtu oru), energija kaupiama rezerve specialiame buferyje. Kai dumblių kiekis rezervuare pasiekia ribą, perteklius siunčiamas perdirbti į biokurą ir užtikrina atsargas visam žiemos laikotarpiui.
Vasarą žaliųjų dumblių plokštės atlieka dar vieną funkciją: sukuria pavėsį butų viduje. Futuristinė konstrukcija buvo pastatyta apie trejus metus, o jo statybai išleista apie 5 mln.
Ar galima žaidžiant futbolą ne švaistyti energiją, o, priešingai, ją pasigaminti? „Socket“ kamuoliuko kūrėjai (iš soсcer - futbolas ir lizdas - jungtis) į šį klausimą atsako teigiamai. Technologiškai pažangus kamuolys turi įrenginį, galintį paversti kinetinę energiją iš smūgių į elektros energiją. Žaidimo įrenginyje įmontuota baterija visiškai įkraunama vos per 15 minučių. Šios galios gali pakakti įkrauti mobilųjį telefoną ar lempą. Kamuolys turi specialią jungtį, skirtą elektros energijai perduoti į kitą šaltinį.
Rusijos kūrėjai taip pat gali pasigirti atradimais alternatyviosios energijos srityje. NUST MISIS Spalvotųjų metalų ir aukso katedros mokslinė grupė, vadovaujama iš Vokietijos pakviesto profesoriaus Aleksandro Gromovo, sukūrė alternatyvaus aplinkai nekenksmingo kuro (vandenilio) gamybos iš aliuminio ir spalvotųjų metalų atliekų metodą. . Tai yra, šios plėtros dėka automobiliai galės važiuoti ant aliuminio skardinių. Perdirbus vieną nedidelę sodos skardinę (0,33 litro), degalų užtenka 20 metrų nuvažiuoti.
„Pasiūlėme sistemą, kuri apima žaliavos analizę, optimalius aliuminio atliekų malimo būdus, oksidacijos mechanizmų ir būdų kūrimą, taip pat gauto kietojo metalo reagento saugojimą ir transportavimą. Radome optimalius aliuminio oksidavimo reagentus atliekų, sukūrė vandenilio gamybos aparato – analoginio acetileno karbido generatoriaus – koncepciją“, – pasakojo Gromovas.
Vienas iš technologijos pranašumų yra jos priešgaisrinė sauga. Konservuotas kuras taip pat padeda išspręsti aliuminio atliekų perdirbimo problemą bei atkreipia dėmesį į atliekų rūšiavimo ir atskiro surinkimo problemą.
Alternatyvios energijos pliusai ir minusai
Daugelis pasaulio šalių savo energetikos sistemose aktyviai diegia alternatyvių šaltinių naudojimą. Kinija yra viena iš lyderių. Ši šalis į atmosferą išmeta daugiausiai CO2, o tai privertė Kinijos vadovybę galvoti apie alternatyvius aplinkai nekenksmingus energijos šaltinius. Pagal valstybės planą, iki 2020 metų septyniuose šalies regionuose bus pastatytos didžiulės vėjo jėgainės. Kartu su vėjo energija Kinija planuoja aktyviai naudoti saulės energiją.
Alternatyvi energija taip pat aktyviai vystosi JAV. Dar 2014 metais bendra amerikietiškų vėjo jėgainių galia siekė 65 879 MW. Šalis pirmauja pasaulyje plėtojant geoterminę energiją – lauką, kuriame energijai gaminti naudojamas temperatūros skirtumas tarp Žemės šerdies ir jos plutos.
Vokietija yra dar viena pirmaujanti šalis alternatyviosios energijos srityje. Praėjusį balandį šalis pasiekė savotišką rekordą: paskutinį balandžio savaitgalį Vokietija 85% energijos gavo iš atsinaujinančių šaltinių, tai yra saulės, vėjo ir hidroelektrinių dėka.
Alternatyvi energija gali būti gera pagalba šalims, kurios neturi savo angliavandenilių atsargų. Japonija pasuko šiuo keliu. 2011 metais Japonijos parlamento priimtas įstatymas numato paramą alternatyviai energijai, taip pat vėjo, saulės, vandens ir geoterminės energijos plėtrai. Dauguma šalies gyventojų pritaria perėjimui prie alternatyvios energijos po Fukušimos avarijos, daugelis japonų griežtai priešinasi atominei elektrinei.
Šiais laikais alternatyvioji energija daugiausia grindžiama vėjo ir saulės energijos naudojimu. Remiantis Pasaulio vėjo energijos asociacijos (WWEA) skelbiama statistika, bendra visų pasaulyje vėjo jėgainių galia 2017 metų pabaigoje buvo 539 291 MW. Nuo 2017 metų pabaigos visame pasaulyje įrengtos vėjo turbinos galėtų patenkinti daugiau nei 5% pasaulio elektros poreikio.
Vėjo jėgainių veikimo principas – kinetinę vėjo energiją paversti elektros energija. Tokios stotys susideda iš vėjo variklio, elektros srovės generatoriaus, automatinio vėjo variklio veikimo valdymo įtaiso ir generatoriaus. Pati vėjo jėgainių gamyba yra gana pigi. Trūkumai yra maža galia ir tai, kad jų veikimas priklauso nuo oro sąlygų. Savotiška priklausomybė nuo oro. Be to, tokios stotys kelia daug triukšmo ir dažniausiai būna išjungiamos nakčiai. Vėjo jėgainės taip pat trukdo oro eismui ir net radijo bangoms.
Saulės energija taip pat turi nemažai privalumų ir trūkumų. Ekspertai įtraukia ekologiškumą, prieinamumą beveik bet kurioje pasaulio vietoje ir šio ištekliaus atsinaujinimą kaip saulės naudojimo pranašumus. Trūkumai apima sudėtingą stočių priežiūrą ir brangią įrangos kainą.
Kaip ginčijosi vokietis Oskarovičius ir Anatolijus Borisovičius
Rusijoje nėra sutarimo dėl alternatyvios energijos naudojimo. Tai liudija „Gaidaro forumo“ metu vykęs ginčas tarp „Sberbank“ vadovo Germano Grefo ir „Rusnano“ bendrovės vadovo Anatolijaus Chubaiso.
Germanas Grefas išreiškė nuomonę, kad artimiausiais metais mažai tikėtina, kad alternatyvi energetika turės didelio masto plėtros galimybių.
„Nesuprantu, kodėl turime saulę (saulės energiją – red.), atsižvelgiant į dabartinį mūsų išteklių pigumą, aš tiesiog nematau jokios galimybės per ateinančius 10 metų, kad turėsime kokią nors saulę ar vėją. “ – pažymėjo „Sberbank“ vadovas.
„Mes sutariame Energetikos ministerijoje šiuo klausimu, pratęsti ir tęsti paramą atsinaujinančiai energijai po 2024 m., dabar diskutuojame apie tokios paramos apimtį, dydį“, – sakė Texleris, kalbėdamas ketvirtajame tarptautiniame kongrese. Reencon „Atsinaujinanti energija – XXI amžius: energija ir ekonominis efektyvumas“.
Šiuo metu Rusija turi programą, skirtą „žaliajai“ energetikai remti, įskaitant elektrinių statybą, kurios atrenkamos konkurso būdu, tačiau ši programa baigsis 2024 m. Pramonė diskutuoja, kas bus toliau.
Anksčiau energetikos ministras Aleksandras Novakas sakė, kad įgyvendinant plataus masto Rusijos elektrinių modernizavimo programą, kurios vertė iki 2035 m. vertė 3,5 trilijono rublių, 405 mlrd. . Novakas taip pat aiškino, kad kol kas neaišku, ar parama išliks tokia, kokia yra dabar, ar bus kitų priemonių.
Kad ir kaip būtų, akivaizdu, kad alternatyvūs energijos šaltiniai Rusijoje ir kitose šalyse kasmet didins savo pajėgumus. Tuo pat metu angliavandeniliai greičiausiai artimiausiu metu nustos būti pagrindiniu energijos šaltiniu.
Medžiaga parengta remiantis informacija iš RIA Novosti ir atvirų šaltinių
Iš ko susideda gyvi kūnai ir ką su tuo turi anglis? Kas yra genetinis kodas, kas yra virusai, kaip veikia evoliucinis medis ir kodėl įvyko Kambro sprogimas? Nuo atomų iki medžių: Įvadas į šiuolaikinį gyvosios gamtos mokslą atsako į šiuos ir daugelį kitų klausimų. Pasakojimo „fokusas“ – gyvybės Žemėje raida: autorius mano, kad tik tokiu kampu įvairios biologinės problemos gali įgyti vieną prasmę. Knyga pateko į „Šviesuolio“ premijos mokslo populiarinimo srityje finalininkę. Leidyklai leidus, „Alpina Non-Fiction“ publikuoja studijos fragmentą.
Iš ko sudaryti gyvi organizmai?
Atsakymas į tai labai paprastas: gyvi organizmai, kaip ir negyvi kūnai, susideda iš atomų.
Šio teiginio reikšmę, kaip sakoma, sunku pervertinti. Nobelio premijos laureatas Richardas Feynmanas savo garsiosios „Feynmano fizikos paskaitų“ pradžioje pasakė: „Jei dėl kokios nors pasaulinės katastrofos būtų sunaikintos visos sukauptos mokslo žinios ir tik viena frazė perduota būsimoms gyvų būtybių kartoms, kas tada teiginys, sudarytas iš mažiausiai žodžių, kurie suteiktų daugiausia informacijos? Manau, kad tai atominė hipotezė (galite tai vadinti ne hipoteze, o faktu, bet tai nieko nekeičia): visi kūnai susideda iš atomų – mažų kūnų, kurie nuolat juda, traukia nedideliu atstumu, bet atstumti, jei vienas iš jų tvirčiau įspaus juos į kitą.
Tai, ką pasakė Feynmanas, žinoma, yra tiesa. Tačiau bet koks mokslinis teiginys turi turėti tam tikras taikymo ribas. Ieškokime jų ir čia. Atominė hipotezė yra puikus žmogaus minties pasiekimas, bet ar Visata yra sudaryta tik iš atomų? Ir ar visi gyvi organizmai susideda tik iš jų?
Atsakymas į pirmąjį iš šių klausimų, kaip bebūtų keista, bus vienareikšmiškai neigiamas. Pirmiausia, mūsų Visata prasidėjo Didžiojo sprogimo metu maždaug prieš 13,8 milijardo metų, ir nuo to laiko jos sudėtis labai pasikeitė. Kiek galime pasakyti, pirmuosius 300 000 metų Visatoje nebuvo nė vieno atomo (nors būta ir kelių kitų dalelių tipų). Tačiau net ir atsiradus atomams jie netapo pagrindiniu kosmoso komponentu. Plancko kosmoso observatorijos duomenimis, dabartinę Visatą sudaro 4,9 procentai įprastų elementariųjų dalelių, galinčių sudaryti atomus, 26,8 procento tamsiosios medžiagos (kuri nepasižymi jokiomis stebimomis savybėmis, išskyrus masę) ir 68,3 procentai yra iš tamsiosios energijos (apie kurią). paprastai neaišku, ar jis susijęs su kokiais nors materialiais kūnais). Grubiai tariant, Visatą sudaro ne daugiau kaip 5 procentai paprastų atomų.
Pabrėžiame, kad šie rodikliai atspindi dabartinę padėtį. Prieš kelis milijardus metų jie tikriausiai buvo kitokie, nes Visata nuolat vystosi; tai patvirtina tiek skaičiavimai, pagrįsti bendrąja reliatyvumo teorija, tiek tiesioginiai kosminės reliktinės spinduliuotės stebėjimai. Taigi, tyrimų duomenys rodo, kad dabar iš įprastos materijos sukurtos Visatos dalys iš tikrųjų tėra salos tarp tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos vandenynų, į kurių gelmes žmonės dar turi pažvelgti. (Beje, būtent apie tokius tyrimus svajoja daktaras Hausas pirmoje garsiojo serialo aštuntojo sezono serijoje.)
Bet į antrąjį mūsų klausimą – ar visos gyvos sistemos yra sudarytos iš atomų? - atsakymas bus užtikrintas „taip“. Šiuo atžvilgiu biologinis pasaulis yra daug mažiau įvairus nei fizinis pasaulis. Bet kuri gyva būtybė yra sukurta iš atomų ir tik iš atomų, visiškai laikantis klasikinės atominės hipotezės. Kitų, ne atominių gyvybės formų pavyzdžių kol kas galima rasti tik mokslinėje fantastikoje. Pavyzdžiui, puikiame Stanislovo Lemo romane „Solaris“ minimos gyvos būtybės, sukurtos ne iš atomų, o iš labai lengvų elementariųjų dalelių – neutrinų. Tačiau tai ne kas kita, kaip rašytojo sukurtas minties eksperimentas. Tikrojoje biologijoje turime susidurti tik su atomais ir jų stabiliomis kombinacijomis, kurios vadinamos molekulėmis. O molekulės savo ruožtu sudaro medžiagas. Kaip rašė tas pats Feynmanas, bet kuri medžiaga yra savas atomų išdėstymo tipas.
Atomų pasaulis yra gana įvairus. Rašydami šias eilutes mokslininkai žino 118 atomų tipų, kurie paprastai vadinami cheminiais elementais. Tiesa, ne visi jie randami gyvuose kūnuose, o tie, kurie randami, ten pasiskirsto labai netolygiai.
Geros naujienos yra tai, kad atomai dažnai yra labai patvarūs. Tuose procesuose, kuriuos tiesiogiai tyrinėja biologija, jie beveik niekada nesuyra, neatsiranda iš naujo ir nevirsta vienas į kitą. Tai nereiškia, kad jie apskritai niekada nevirsta vienas į kitą: labai greitai pamatysime, kad jei nebūtų buvę atomų (tiksliau, jų branduolių) tarpusavio virsmų, gyvybė Visatoje nebūtų galėjusi atsirasti. Tačiau norint suprasti, kaip yra sudaryti gyvi kūnai, mums visiškai pakaks atsižvelgti į paruoštų ir nekintančių atomų sąveiką tarpusavyje.
Trumpai apie atomus
Taigi, atomai.
Jau seniai žinoma, kad jie susideda iš trijų tipų elementariųjų dalelių: protonų, neutronų ir elektronų. Protonai ir neutronai yra gana masyvios dalelės, kurių kiekviena yra apie 1800 kartų sunkesnė už elektroną. Atomo branduolys sudarytas iš protonų ir neutronų, o išorinis atomo apvalkalas – iš elektronų, kurie paprastai tiesiogiai vadinami elektronų apvalkalu. Apvalkalą sudarantys elektronai juda aplink branduolį itin sudėtingomis trajektorijomis, tačiau, kaip taisyklė, per daug nuo jo nenutolsta.
Mums svarbiausia elementariųjų dalelių savybė yra net ne masė, o elektros krūvis. Čia veikia visiškai aiškūs ir labai paprasti dėsniai.
Protonas elektra įkrautas teigiamai, elektronas – neigiamai, o neutronas neturi.
Neigiamas elektrono krūvis yra griežtai lygus teigiamam protono krūviui. Visuotinai pripažįstama, kad protono krūvis yra +1, o elektrono –1.
Elektronų skaičius atome pagal nutylėjimą yra lygus protonų skaičiui, todėl viso atomo krūvis yra lygus nuliui. Jei elektronų skaičius skiriasi nuo protonų skaičiaus, tai reiškia, kad prieš mus yra ne tik atomas, bet ir įkrauta dalelė – jonas.
Fizikai dar XVIII amžiuje atrado, kad yra dviejų tipų elektros krūviai: teigiami ir neigiami. Jie taip pat išsiaiškino, kad skirtingai nei krūviai traukia, o panašūs – atstumia. Šis dėsnis vadinamas pagrindiniu elektrostatikos dėsniu, arba Kulono dėsniu (tiesą sakant, jis parašytas kaip formulė, leidžianti tiksliai nustatyti traukos ar atstūmimo jėgą, bet čia apsieisime be matematikos). Kulono dėsnis galioja bet kur, taip pat ir atomo viduje. Griežtai tariant, elektronai ir protonai sudaro vieną atomą, nes yra elektrostatiškai traukiami vienas prie kito. Primename, kad protonai ir neutronai yra „suklijuojami“ į atomo branduolį dėl visiškai kitokio pobūdžio traukos - vadinamosios stipriosios branduolinės sąveikos, kuri nedideliais atstumais yra daug galingesnė nei elektrostatinė. Štai kodėl protonai branduolyje sulimpa, nepaisant Kulono jėgos, atstumiančios juos vienas nuo kito.
Nuotrauka: Peter Macdiarmid / Getty Images
Svarbiausias bet kurio atomo parametras yra protonų skaičius arba atominis skaičius (Z). Z reikšmė vienareikšmiškai nustato tam tikro atomo padėtį periodinėje elementų sistemoje, tai yra periodinėje lentelėje. Kaip jau žinome, elektronų skaičius paprastai yra lygus protonų skaičiui. Tačiau kalbant apie neutronų skaičių, jis gali skirtis tam pačiam protonų skaičiui. Atomai, turintys tą patį atominį skaičių, bet skirtingą neutronų skaičių, vadinami izotopais. Jei nepaminėtas žodis „izotopai“, tai reiškia, kad neutronų skaičius šiuo atveju mums nėra svarbus. Visi atomai, turintys tą patį protonų skaičių, pagal apibrėžimą priklauso tam pačiam cheminiam elementui.
Paprasčiausias iš visų galimų atomų yra vandenilis (Z=1). Jį sudaro vienas protonas ir vienas elektronas. Neutronų jame gali nebūti (nors gali būti, priklausomai nuo to, koks tai izotopas). Jei iš paprasto paprasčiausio vandenilio atomo atimsite vienintelį elektroną, jis liks su teigiamai įkrautu jonu, kuris šiuo atveju yra ne kas kita, kaip „nuogas“ protonas.
pradžioje anglų chemikas ir gydytojas Williamas Proutas iškėlė savo laiką aplenkusią hipotezę: kad visų kitų cheminių elementų atomai susidaro susijungus vienam ar kitam vandenilio atomų skaičiui. . Ir jis nebuvo taip toli nuo tiesos. Visi atomai iš tikrųjų susideda iš to paties tipo dalelių, kurių paprasčiausias įmanomas rinkinys yra ne kas kita, kaip vandenilio atomas (Z=1). Antras sudėtingiausias atomas yra helis (Z = 2), trečiasis yra litis (Z = 3), tada mes turime visą periodinę lentelę. Sunkiausiuose atomuose yra daugiau nei šimtas protonų ir apie du šimtus neutronų. Tačiau biologijoje su tokiais monstrais nesusidursime.
Cheminiai ryšiai
Svarbiausias būdas mums sąveikauti tarp atomų vadinamas kovalentiniu ryšiu. Tai ryšys, kurį sudaro bendra elektronų pora – po vieną iš dviejų atomų. Galime manyti, kad šios poros elektronai priklauso abiem atomams iš karto. Grafinėse formulėse, kurios vizualiai parodo molekulių struktūrą, kovalentinis ryšys nurodomas paprasta linija tarp cheminių elementų simbolių. Būtent šie ryšiai jungia atomus daugumoje įprastų molekulių. Pavyzdys yra vandenilio molekulė. Jį sudaro du vandenilio atomai (H), sudarantys vieną kovalentinį ryšį vienas su kitu: H-H arba trumpiau H2.
Kartais kovalentiniai ryšiai yra dvigubi – sudaryti iš dviejų elektronų porų iš karto – arba net trigubieji – sudaryti iš trijų porų iš karto. Kuo didesnis jungties kartotinis, tuo ryšys stipresnis, kai kiti dalykai yra vienodi. Biologijoje labai paplitę dvigubi kovalentiniai ryšiai. Trigubos yra daug retesnės, tačiau vis tiek nepakenks žinoti apie jų egzistavimą. Grafinėse formulėse dvigubi ir trigubi ryšiai žymimi atitinkamai dvigubais arba trigubais brūkšneliais tarp atominių simbolių. Pavyzdžiui, tarp deguonies atomų (O) gali susidaryti dviguba jungtis. Rezultatas yra O=O molekulė arba trumpiau O2. Beje, tai yra tas pats atmosferos deguonis, kuriuo kvėpuojame.
Daug rečiau nei kovalentinis ryšys (bent jau gyvojoje medžiagoje) yra joninis ryšys, kuris yra elektrostatinė įkrautų dalelių trauka. Jau žinome, kad pagal Kulono dėsnį elektros krūviai kaip ir atstumia, o kitaip nei traukia. Todėl teigiamai įkrauta dalelė (katijonas) ir neigiamo krūvio dalelė (anijonas) tikrai pritrauks viena kitą. Jau buvo minėta, kad jonas yra bet kuri savarankiškai egzistuojanti dalelė, kurioje elektronų skaičius skiriasi nuo protonų skaičiaus. Pats terminas, kurį sukūrė Michaelas Faradėjus, kilęs iš graikų kalbos žodžio, reiškiančio „eiti“: tirpale, per kurį teka elektros srovė, teigiamai įkrauti jonai juda link neigiamo poliaus, o neigiami – link teigiamo. Atomas tampa jonu, jei jis įgijo papildomą elektroną arba, atvirkščiai, kažkur prarado dalį savo elektronų.
Puikų joninio ryšio pavyzdį demonstruoja gerai žinoma valgomoji druska NaCl (natrio chloras), kurios formulę galima perrašyti kaip. Tai reiškia, kad druskos kristalą sudaro teigiamai įkrauti natrio jonai ir neigiamai įkrauti chloro jonai santykiu vienas su vienu. Šiuo atveju atrodo, kad kiekvienas chloro atomas paima vieną elektroną iš gretimo natrio atomo.
Gyvenimo elementai
Gyvosios medžiagos cheminė sudėtis yra gana vienoda. Norint iš pirmo žvilgsnio suprasti gyvos ląstelės sandarą, pakanka žinoti tik penkis cheminius elementus. Tai vandenilis (H), deguonis (O), azotas (N), anglis (C) ir fosforas (P). Į šių elementų atominius skaičius kol kas nekreipsime dėmesio: pirma, nėra nieko lengviau, kaip juos rasti periodinėje lentelėje, antra, dabar mums daug svarbesnis kitas rodiklis. Svarbiausias dalykas, kurį turime žinoti apie bet kurį cheminį elementą, yra jo valentingumas, tai yra kovalentinių ryšių, kuriuos gali sudaryti jo atomas, skaičius.
Taigi, vandenilio valentingumas yra 1, deguonies - 2, azoto - 3, anglies - 4 ir fosforo - 5. Tereikia atsiminti šiuos skaičius. Kartais kai kurie iš išvardintų elementų turi ir kitokių valentybių, tačiau studijuojant biologiją į tai visais atvejais galima nepaisyti, išskyrus keletą specialiai nurodytų. Vienavalentis vandenilis, dvivalentis deguonis, trivalentis azotas, keturvalentė anglis ir penkiavalentis fosforas yra pagrindiniai cheminiai gyvybės komponentai (žr. 1.2 pav.). Kartais kalbėdami susidursime su kitais atomais, tokiais kaip siera (S), natris (Na), chloras (Cl), kalis (K) arba geležis (Fe). Bet jums nereikia jų nuolat prisiminti. Iš pradžių visiškai pakanka penkių pagrindinių biogeninių (tai yra gyvybę formuojančių) cheminių elementų.
Supernovos ir gyvenimas
Nėra jokių abejonių, kad dauguma mūsų Visatos atomų yra vandenilio ir helio atomai. Astrofizikai teigia, kad prieš 13 milijardų metų, tai yra, „tik“ praėjus keliems šimtams milijonų metų po Didžiojo sprogimo, santykiai buvo tokie: maždaug 75 procentai visų Visatoje esančių atomų buvo vandenilio atomai, maždaug 25 procentai – helio atomai, ir sunkesni elementai kartu sudarė 0,00007 proc. Žinoma, nuo to laiko visata pasikeitė. Tačiau net ir dabar visi elementai, išskyrus vandenilį ir helią, sudaro ne daugiau kaip 2 procentus esamų atomų. Tuo tarpu akivaizdu, kad iš vandenilio, kurio valentingumas lygus vienetui, ir helio, kuris paprastai nelinkęs sudaryti cheminių jungčių, negalima sukurti sudėtingų molekulių.
Palyginus skirtingų tipų atomų skaičių šiuolaikinėje Visatoje, iš karto pamatysime, kad joje po vandenilio ir helio dažniausiai pasitaikantys elementai yra deguonis (Z=8), anglis (Z=6) ir azotas (Z=7). Tai galima aiškiai parodyti grafike, vaizduojančiame santykinį cheminių elementų gausą mūsų Paukščių Tako galaktikoje (žr. 1.3 pav.). Išilgai horizontalios ašies galite nubrėžti atominį skaičių (Z), o išilgai vertikalios ašies - elementų gausą, pageidautina logaritmine skale (paprasčiau tariant, tai reiškia, kad kiekvienas vertikalios ašies „žingsnis“ atitinka skirtumą ne vienu, o 10 kartų). Tokiame grafike pirmiausia į akis krenta faktas, kurį jau žinome: vandenilio ir helio galaktikoje yra daug kartų daugiau nei visų kitų cheminių elementų kartu paėmus. Šie du elementai nekonkuruoja. Ličio (Z=3), berilio (Z=4) ir boro (Z=5) srityje yra aiškus gedimas, nes šių atomų branduoliai yra gana nestabilūs: žvaigždėse vykstančių branduolinių reakcijų sistemoje jie lengvai susintetinami, bet taip pat lengvai ir suyra. Geležinė šerdis (Z=26), atvirkščiai, yra itin stabili. Daugelis žvaigždžių gelmėse vykstančių branduolinių reakcijų tuo ir baigiasi, todėl geležis grafike suteikia aukštą smailę. Tačiau labiausiai paplitę Paukščių Tako elementai po vandenilio ir helio, be abejo, yra deguonis, anglis ir azotas, būtent tie, kurie tapo cheminiais gyvybės „statybiniais blokais“. Vargu ar tai nelaimingas atsitikimas.
Nuotrauka: Peter Macdiarmid / Getty Images
Be to, negalima nepastebėti, kad cheminių elementų gausos galaktikoje grafikas yra aiškiai „dantytas“. Elementai su lyginiais atominiais skaičiais Visatoje vidutiniškai yra daug dažniau nei „maždaug tokios pačios vertės“ elementai su nelyginiais. Prieš šimtą metų du chemikai, italas Giuseppe Oddo ir amerikietis Williamas Harkinsas, nepriklausomai vienas nuo kito atkreipė dėmesį į tai. Jų straipsniai buvo publikuoti atitinkamai 1914 ir 1917 m. O taisyklė, pagal kurią elementai su lyginiais skaičiais, kai visi kiti dalykai yra lygūs, vyrauja prieš elementus su nelyginiais skaičiais, jų garbei dar vadinama Oddo-Harkinso taisykle. Į šią taisyklę reikia atsižvelgti, pavyzdžiui, analizuojant žemės plutos cheminę sudėtį.
Oddo-Harkinso taisyklės sprendimą jau pasiūlė jos atradėjai. Faktas yra tas, kad sunkiųjų elementų atominiai branduoliai susidaro daugiausia dėl lengvesnių branduolių susiliejimo. Tuo tarpu aišku, kad susiliejus dviems vienodiems atominiams branduoliams bet kuriuo atveju bus gautas elemento branduolys su lyginiu protonų skaičiumi, tai yra su lyginiu atominiu skaičiumi. Ir tada susidarę branduoliai susilieja vienas su kitu, vėl suteikdami pirmiausia elementus su lyginiais skaičiais. Pavyzdžiui, helio „deginimas“ (Z=2), kai jo branduoliai jungiasi vienas su kitu ir išgauna didelę energiją, pirmiausia sukuria nestabilius trumpaamžius berilio branduolius (Z=4), o paskui anglies branduolius (Z=6). ), tada deguonis (Z=8).
Prieš prasidedant žvaigždžių formavimuisi, Visatoje buvo tik vandenilis, helis ir nedidelis kiekis ličio. Kiek dabar žinome, visi už litį sunkesni elementai yra susintetinami tik žvaigždėse ir pasiskirsto dėl supernovos sprogimų. Tai reiškia, kad gyvi organizmai tiesiog neturėjo nuo ko formuotis, kol nesibaigė bent pirmosios žvaigždžių kartos gyvavimo ciklas ir šios žvaigždės sprogo.
Garsiausio straipsnio, kuriame aprašytas cheminių elementų sintezės mechanizmas žvaigždėse, autoriai buvo keturi mokslininkai: Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler ir Fred Hoyle. Šis straipsnis dažnai vadinamas autorių inicialais B2FH („ba-square-ef-ash“). Tyrimo iniciatorius buvo astrofizikas Hoyle'as: būtent jis pirmasis atspėjo, kad žvaigždėse gali susintetinti ne tik helis, bet ir anglis. Hoyle'o dėka į darbą pirmiausia įsitraukė profesionalus branduolio fizikas Fowleris (iš pradžių jis buvo skeptiškas, bet Hoyle'as jį įtikino), o vėliau – Burbidge astronomai. Internete nesunku rasti nuostabią nuotrauką, kurioje visi keturi švenčia vyriausio iš jų Fowlerio 60-metį, o pastarasis džiaugiasi kolegų padovanotu veikiančiu garvežio modeliu.
B2FH dokumentas paneigė ankstesnę hipotezę, kuri manė, kad visų elementų branduoliai buvo susintetinti tiesiogiai Didžiojo sprogimo metu ir nuo to laiko jų koncentracija išliko maždaug pastovi. Tiesą sakant, daug labiau tikėtina, kad per pirmuosius milijardus metų po Didžiojo sprogimo Visata buvo grynai vandenilis-helis. Ir tik tada jis buvo pradėtas praturtinti sunkiais elementais supernovų pagalba („sunkiais elementais“ dabar vadiname viską, kas sunkesnė už helią arba, kraštutiniais atvejais, litį).
