Protonlar, elektronlar, nötrinolar, fotonlar, gravitonlar kararlı temel parçacıklardır. Bilim adamlarının şu anda bilinen neredeyse tüm eser elementlerin kendi antipartiküllerine sahip olduğundan şüphesi yok. Bugüne kadar parçacıkların yok edildiği de kanıtlandı.
İmha - imha
Antiparçacıkların varlığı, 1932 yılında elektronun antiparçacığı olan pozitron keşfedilene kadar fizikçiler tarafından uzun süre tartışıldı. Daha sonra hızlandırıcılarda bir antiproton ve bir antinötron tespit edildi.
Bu keşiften sonra, bir proton ve bir elektronun tek yolla, yani bir antiproton veya pozitronla çarpışarak yok olabileceğine dair hiçbir şüphe kalmamıştı. Bu durumda parçacıklar yok olur ve bunun sonucunda her ikisi de gama fotonlarına dönüşür. Latince'de "nihil" "hiçlik" anlamına gelir, yani parçacıkların yok olması "yok olma" anlamına gelmelidir.
Gerçekte yıkımdan değil, dönüşümden bahsediyoruz. Durgun enerjiye sahip mikro elementler (proton, antiproton, elektron, pozitron), durgun kütlesi olmayanlara dönüşür. Toplam enerji miktarı değişmeden kalır. Güçlü baryon (proton ve nötron) ve zayıf leptonik (elektron ve antipartikül) yükler ve diğer özellikler de korunur. 
Temel mikro nesnelerin antipartikülleri bozunmazken, diğerlerinin çoğu kısa bir süre sonra kendiliğinden bozunur.
Gerçekleştirme
Maddeleşme, parçacıkların yok edilmesinin tersi bir süreçtir. Her ikisi de Evrenin oluşumunun ilk aşamasında önemli bir rol oynadı.
Basit bir örnek kullanarak materyalizasyonun ne olduğuna bakalım.
Enerjisi en az 1 MeV olan bir gama fotonu atom çekirdeğinin yakınında uçarsa bir elektrona ve bir pozitrona dönüşecektir. Bu durumda elektrik yükü korunur, fotonun yükü sıfırdır ve ortaya çıkan her iki mikro elementin yüklerinin toplamı da sıfırdır. Benzer şekilde maddeleşme sırasında lepton yükü de korunur. Parçacıkların hızı yüksekse, toplam enerjileri dinlenme halindekilerden daha büyük olur ve sonuçta ortaya çıkan gama fotonlarının enerjisi de daha büyük olur.
Artık karasal veya güneş kaynaklı bir antiprotonun, pozitronun veya antinötronun neden kısa ömürlü parçacıklar olduğu açıktır.
Güneş ve Dünya maddeden, yani protonlardan, elektronlardan ve nötronlardan yapılmıştır. Bu nedenle antipartiküller parçacıklarla ilk karşılaştıklarında anında yok olurlar.
Madde, antipartiküller için düşmanca bir ortamdır, bu nedenle antimadde ve madde, yakın çevrede yan yana bulunamaz.
Şu ana kadar uzayın neresinde olduğunu bilmiyoruz. Maddenin yaydığı fotonlar tamamen aynı olduğundan, bir ışık huzmesi bunu bize gösteremez.
Başka bir deyişle, maddeleşme, enerjinin durgun kütleli bir parçacığa dönüştürülmesi anlamına gelir.
Enerji, bir atomun çekirdeğinin yakınından geçen bir foton biçiminde olabilir. Kozmik radyasyon protonunun kinetik enerjisi de gerçekleşebilir. Uzaydan gelen bir protonun kinetik enerjisi dinlenme enerjisinden milyar kat daha fazla olabilir. Ve dünya atmosferinde çok sayıda parçacığın oluşmasını sağlayan da bu devasa maddi hareket ölçüsüdür. Uzayın derinliklerinden gelen bu kadar yüksek enerjili bir proton, dünya atmosferindeki bir nitrojen veya oksijen çekirdeğiyle çarpışır. Bu çarpışma sırasında çekirdek parçalanır ve protonun muazzam miktardaki hareketi, milyonlarca farklı türde parçacık ve antiparçacık (baryonlar ve antibaryonlar, leptonlar ve antileptonlar, mezonlar ve fotonlar) doğurur. Bu parçacıklar toplu olarak kozmik ışın yağmuru olarak bilinir ve bu, büyük ölçekte maddeleşmenin bir örneğidir. 
Parçacık hızlandırıcılarda dünya yüzeyinde farklı türde materyalizasyonlar meydana gelir. Örneğin bir hidrojen odasında hızlı bir proton, hidrojen çekirdeği yani proton ile çarpışır ve kinetik enerjisi bir nötron, antiproton ve mezona dönüşür.
11 Kasım Uluslararası Enerji Tasarruf Günü. Alternatif enerji kaynakları tüketimin daha ekonomik ve çevreci olmasını sağlayacak şekilde tasarlanmaktadır. Algler kullanılarak bir konut binasına nasıl enerji sağlanacağı, rüzgar santrallerinin çalışma prensiplerinin neler olduğu ve alternatif enerjide hangi ülkelerin lider olduğu hakkında bilgi edinin.
Alüminyum bir kutuda ne kadar ileri gidebilirsiniz?
Alternatif enerji kaynakları modern dünyada zaten sıradan hale geldi. Ancak bu alanda bilim adamlarının şaşırtıcı keşiflerine hala yer var. Enerji kaynağı olarak hizmet eden her şey. Birkaç on yıl önce bazı fikirler yalnızca bilim kurgu yazarlarının aklına gelebilirdi, ancak 21. yüzyılda bu zaten bir gerçektir.
Birkaç yıl önce Almanya'nın Hamburg kentinde tamamen yosunlarla ısıtılan bir ev inşa edildi. Binanın dış iskelesine sabitlenen 129 adet bitkili akvaryum güneşten sonra dönebilmektedir. Böylece algler ışığa maruz kaldıklarında ısı açığa çıkarırlar. Eğer “biyoreaktör” cephesi çok fazla ısı üretirse (sıcak güneşli havalarda), enerji özel bir tamponda yedek olarak depolanır. Tanktaki alg miktarı sınıra ulaştığında, fazlası biyoyakıt olarak işlenmek üzere gönderilir ve tüm kış dönemi boyunca tedarik sağlar.
Yaz aylarında yeşil alg panelleri başka bir işlevi daha yerine getirir: Dairelerin içinde gölge oluştururlar. Fütüristik yapının inşası yaklaşık üç yıl sürdü ve yapımına yaklaşık 5 milyon euro harcandı.
Futbol oynarken enerji harcamamak, aksine üretmek mümkün mü? Soket topunun geliştiricileri (futbol - futbol ve soket - konnektörden) bu soruyu olumlu yanıtlıyor. Teknolojik açıdan gelişmiş olan top, darbelerden kaynaklanan kinetik enerjiyi elektriğe dönüştürebilen bir cihazla donatılmıştır. Yalnızca 15 dakikalık oyun süresinde oyun cihazının dahili pili tamamen şarj olur. Bu güç bir cep telefonunu veya bir lambayı şarj etmeye yetebilir. Top, elektriği başka bir kaynağa iletmek için özel bir konektörle donatılmıştır.
Rus geliştiriciler alternatif enerji alanındaki keşiflerle de övünebilir. Almanya'dan davet edilen Profesör Alexander Gromov liderliğindeki NUST MISIS Demir Dışı Metaller ve Altın Bölümü'nün bilimsel ekibi, atık alüminyum ve demir dışı metallerden alternatif çevre dostu yakıt (hidrojen) üretmek için bir yöntem geliştirdi. . Yani bu gelişme sayesinde arabalar alüminyum kutular üzerine binebilecek. Küçük bir soda kutusunun (0,33 litre) geri dönüştürülmesi, 20 metrelik sürüş için yakıt sağlar.
"Hammaddenin analizini, alüminyum atıkların öğütülmesi için en uygun yöntemleri, oksidasyon mekanizmalarının ve modlarının geliştirilmesinin yanı sıra elde edilen katı metal reaktifinin depolanmasını ve taşınmasını içeren bir sistem önerdik. Alüminyumun oksidasyonu için en uygun reaktifleri bulduk. Gromov, "Atık, hidrojen üretmek için bir analog asetilen karbür jeneratörü konsepti geliştirdi" dedi.
Teknolojinin avantajlarından biri de yangın güvenliğidir. Konserve yakıt aynı zamanda alüminyum atıkların geri dönüştürülmesi sorununun çözümüne de yardımcı oluyor ve atıkların ayrıştırılıp ayrı toplanması sorununa dikkat çekiyor.
Alternatif enerjinin artıları ve eksileri
Dünyadaki birçok ülke alternatif kaynakların kullanımını enerji sistemlerine aktif olarak dahil ediyor. Çin liderlerden biri. Bu ülke atmosfere en fazla CO2 salıyor ve bu da Çin liderliğini alternatif çevre dostu enerji kaynakları hakkında düşünmeye zorladı. Devlet planına göre 2020 yılına kadar ülkenin yedi bölgesinde dev rüzgar santralleri inşa edilecek. Çin rüzgar enerjisinin yanı sıra güneş enerjisini de aktif olarak kullanmayı planlıyor.
Alternatif enerji de Amerika Birleşik Devletleri'nde aktif olarak gelişiyor. 2014 yılında Amerika rüzgar türbinlerinin toplam kapasitesi 65.879 MW'tı. Ülke, enerji üretmek için dünyanın çekirdeği ile kabuğu arasındaki sıcaklık farkını kullanan jeotermal enerjinin geliştirilmesinde dünya lideridir.
Almanya alternatif enerjide önde gelen ülkelerden biri. Geçtiğimiz Nisan ayında ülke bir tür rekora imza attı: Nisan ayının son haftasonunda Almanya enerjisinin %85'ini yenilenebilir kaynaklardan, yani güneş, rüzgar ve hidroelektrik santralleri sayesinde elde etti.
Alternatif enerji, kendi hidrokarbon rezervlerine sahip olmayan ülkeler için iyi bir yardımcı olabilir. Japonya bu yolu izledi. 2011 yılında Japon Parlamentosu tarafından kabul edilen bir yasa, alternatif enerjinin yanı sıra rüzgar, güneş, hidro ve jeotermal enerjinin geliştirilmesine de destek sağlıyor. Ülke sakinlerinin çoğunluğu alternatif enerjiye geçişi destekliyor; Fukushima kazasının ardından birçok Japon nükleer santrale şiddetle karşı çıkıyor.
Günümüzde alternatif enerji ağırlıklı olarak rüzgar ve güneş enerjisinin kullanımına dayanmaktadır. Dünya Rüzgar Enerjisi Birliği'nin (WWEA) yayınladığı istatistiklere göre 2017 yılı sonunda dünyadaki tüm rüzgar türbinlerinin toplam kapasitesi 539.291 MW oldu. 2017 yılı sonu itibarıyla dünya çapında kurulan rüzgar türbinleri, dünya elektrik talebinin %5'inden fazlasını karşılayabilecek kapasitededir.
Rüzgar santrallerinin çalışma prensibi rüzgarın kinetik enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmektir. Bu tür istasyonlar bir rüzgar motoru, bir elektrik akımı jeneratörü, rüzgar motorunun çalışmasını kontrol etmek için bir otomatik cihaz ve bir jeneratörden oluşur. Rüzgar santrallerinin üretimi oldukça ucuzdur. Dezavantajları arasında düşük güç ve çalışmalarının hava durumuna bağlı olması yer alır. Bir tür hava bağımlılığı. Ayrıca bu tür istasyonlar çok fazla gürültü çıkarıyor ve genellikle geceleri kapatılıyor. Rüzgar enerjisi santralleri aynı zamanda hava trafiğine ve hatta radyo dalgalarına da müdahale etmektedir.
Güneş enerjisinin de bir takım artıları ve eksileri vardır. Uzmanlar, güneşten yararlanmanın avantajları arasında çevre dostu olması, dünyanın hemen her yerinde bulunabilmesi ve bu kaynağın yenilenebilir olmasını sayıyor. Dezavantajları arasında istasyonların karmaşık bakımı ve pahalı ekipman maliyeti yer alır.
Alman Oskarovich ve Anatoly Borisovich nasıl tartıştı?
Rusya'da alternatif enerji kullanımı konusunda fikir birliği yok. Bu, Gaidar Forumu çerçevesinde Sberbank German Gref başkanı ile Rusnano şirketi Anatoly Chubais'in başkanı arasında yaşanan anlaşmazlıkla kanıtlanıyor.
Alman Gref, önümüzdeki yıllarda alternatif enerjinin büyük ölçekli bir gelişme şansına sahip olmasının pek mümkün olmadığı görüşünü dile getirdi.
“Kaynaklarımızın şu anki ucuzluğu göz önüne alındığında neden güneşe (güneş enerjisi) sahip olduğumuzu anlamıyorum. Önümüzdeki 10 yıl içinde bir çeşit güneşe veya rüzgara sahip olacağımıza dair tek bir şans görmüyorum. ” diye belirtti Sberbank'ın başkanı.
Dördüncü uluslararası kongrede konuşan Texler, "Yenilenebilir enerjiye verilen desteğin 2024 sonrasında da genişletilmesi ve devam ettirilmesi konusunda Enerji Bakanlığı'nda belli bir fikir birliğine vardık, şu anda bu tür desteklerin hacmini, büyüklüğünü tartışıyoruz" dedi. Reencon "Yenilenebilir Enerji - XXI. Yüzyıl: Enerji ve Ekonomik Verimlilik".
Şu anda Rusya'nın, rekabet esasına göre seçilen enerji santrallerinin inşasını da içeren "yeşil" enerjiyi desteklemeye yönelik bir programı var ancak bu program 2024 yılında sona erecek. Sektör bundan sonra ne olacağını tartışıyor.
Daha önce Enerji Bakanı Alexander Novak, 2035 yılına kadar 3,5 trilyon ruble değerindeki Rus enerji santrallerinin modernizasyonu için geliştirilen büyük ölçekli programın bir parçası olarak, 2024'ten sonra "yeşil" enerjiyi desteklemeye yönelik yeni bir programa 405 milyar ruble tahsis edilebileceğini söylemişti. . Novak ayrıca desteğin mevcut haliyle kalıp kalmayacağı veya başka tedbirlerin olup olmayacağının henüz belli olmadığını da açıkladı.
Öyle olsa bile Rusya ve diğer ülkelerdeki alternatif enerji kaynaklarının kapasitelerinin her geçen yıl artacağı aşikardır. Aynı zamanda hidrokarbonların yakın gelecekte ana enerji kaynağı olmaktan çıkması pek mümkün görünmüyor.
Materyal RIA Novosti'den ve açık kaynaklardan alınan bilgilere dayanarak hazırlandı
Canlı bedenler neden yapılmıştır ve karbonun bununla ne ilgisi vardır? Genetik kod nedir, virüsler kimlerdir, evrim ağacı nasıl çalışır ve Kambriyen patlaması neden olmuştur? Atomlardan Ağaçlara: Modern Yaşam Bilimine Giriş bu ve diğer birçok soruyu yanıtlıyor. Hikayenin "odak noktası" Dünya'daki yaşamın evrimidir: Yazar, çeşitli biyolojik sorunların yalnızca bu açıdan tek bir anlam kazanabileceğine inanıyor. Kitap, popüler bilim edebiyatı alanında “Aydınlatıcı” ödülünde finalist oldu. Alpina Non-Fiction, yayınevinin izniyle araştırmanın bir bölümünü yayınlıyor.
Canlı organizmalar nelerden yapılmıştır?
Bunun cevabı çok kolaydır: Canlı organizmalar da tıpkı cansızlar gibi atomlardan oluşur.
Dedikleri gibi, bu ifadenin önemini abartmak zordur. Nobel ödüllü Richard Feynman, ünlü “Feynman Fizik Dersleri”nin başında şunları söyledi: “Eğer, bir dünya felaketinin sonucu olarak, birikmiş tüm bilimsel bilgi yok olsaydı ve gelecek nesil canlılara yalnızca bir cümle aktarılsaydı, o zaman ne olurdu? En fazla bilgiyi sağlayacak en az kelimeden oluşan ifade? Bunun atomik bir hipotez olduğuna inanıyorum (buna bir hipotez değil, bir gerçek diyebilirsiniz, ancak bu hiçbir şeyi değiştirmez): tüm bedenler atomlardan oluşur - sürekli hareket halinde olan küçük cisimler, kısa mesafeyi çeker, ancak eğer biri diğerine daha sıkı bastırırsa geri püskürtün.”
Feynman'ın söyledikleri elbette doğrudur. Ancak herhangi bir bilimsel ifadenin belirli uygulanabilirlik sınırları olması gerekir. Onları da burada arayalım. Atom hipotezi insan düşüncesinin büyük bir başarısıdır, fakat Evren tamamen atomlardan mı oluşmuştur? Ve tüm canlı organizmalar sadece onlardan mı oluşuyor?
Garip bir şekilde bu sorulardan ilkinin cevabı kesinlikle olumsuz olacaktır. Öncelikle evrenimiz yaklaşık 13,8 milyar yıl önce Büyük Patlama ile başladı ve o zamandan bu yana bileşimi büyük ölçüde değişti. Bildiğimiz kadarıyla ilk 300.000 yıl boyunca Evren'de tek bir atom bile yoktu (her ne kadar başka türde parçacıklar da olsa). Ancak atomlar ortaya çıktıktan sonra bile evrenin ana bileşeni haline gelmediler. Planck uzay gözlemevine göre mevcut Evrenin yüzde 4,9'u atom oluşturabilen sıradan temel parçacıklardan, yüzde 26,8'i (kütle dışında gözlemlenebilir herhangi bir özellik göstermeyen) karanlık maddeden ve yüzde 68,3'ü karanlık enerjiden (yaklaşık olarak bu oran) oluşuyor. herhangi bir maddi cisimle bağlantılı olup olmadığı genellikle belirsizdir). Kabaca söylemek gerekirse, Evren yüzde 5'ten fazla sıradan atomdan oluşmuyor.
Bu oranların mevcut durumu yansıttığını vurguluyoruz. Birkaç milyar yıl önce muhtemelen farklıydılar çünkü Evren sürekli gelişiyor; bu, hem genel görelilik teorisine dayanan hesaplamalarla hem de kozmik kalıntı radyasyonun doğrudan gözlemleriyle doğrulanır. Araştırma verileri, artık Evren'in sıradan maddeden inşa edilen bazı bölümlerinin aslında karanlık madde ve karanlık enerji okyanusları arasındaki, insanların henüz derinliklerini göremediği adalar olduğunu gösteriyor. (Bu arada bu tam da ünlü dizinin sekizinci sezonunun ilk bölümünde Dr. House'un hayalini kurduğu türden bir araştırma.)
Ancak ikinci sorumuza gelelim; tüm canlı sistemler atomlardan mı oluşuyor? - cevap kendinden emin bir "evet" olacaktır. Bu bakımdan biyolojik dünya, fiziksel dünyaya göre çok daha az çeşitliliğe sahiptir. Herhangi bir canlı yaratık, klasik atom hipotezine tam uygun olarak atomlardan ve yalnızca atomlardan yapılmıştır. Atomik olmayan diğer yaşam biçimlerinin örnekleri şu ana kadar yalnızca bilim kurguda bulunabilir. Örneğin, Stanislaw Lem'in büyük romanı Solaris, atomlardan değil, çok hafif temel parçacıklardan, nötrinolardan yaratılmış canlılardan bahseder. Ancak bu, yazarın kurguladığı bir düşünce deneyinden başka bir şey değildir. Gerçek biyolojide yalnızca atomlar ve onların molekül adı verilen kararlı bileşimleriyle ilgilenmemiz gerekir. Ve moleküller de maddeleri oluşturur. Aynı Feynman'ın yazdığı gibi, her madde kendine özgü atom dizilişinden oluşur.
Atomların dünyası oldukça çeşitlidir. Bu satırları yazdığım sırada bilim adamları, genellikle kimyasal elementler olarak adlandırılan 118 tür atomu biliyorlardı. Doğru, hepsi canlı bedenlerde bulunmuyor ve bulunanlar da orada çok dengesiz bir şekilde dağılıyor.
İyi haber şu ki atomlar genellikle çok dayanıklıdır. Biyolojinin doğrudan incelediği süreçlerde neredeyse hiç parçalanmazlar, yeniden ortaya çıkmazlar, birbirlerine dönüşmezler. Bu, onların hiçbir zaman birbirlerine dönüşmediği anlamına gelmez: Çok yakında göreceğiz ki, atomların (daha doğrusu çekirdeklerinin) karşılıklı dönüşümü olmasaydı, Evrende yaşamın ortaya çıkamayacağını göreceğiz. Ancak canlıların nasıl bir yapıya sahip olduğunu anlamak için hazır ve değişmeyen atomların birbirleriyle olan etkileşimini dikkate almak bizim için yeterli olacaktır.
Kısaca atomlar hakkında
Yani atomlar.
Uzun süredir bunların üç tür temel parçacıktan oluştuğu biliniyor: protonlar, nötronlar ve elektronlar. Protonlar ve nötronlar nispeten büyük parçacıklardır ve her biri elektrondan yaklaşık 1800 kat daha ağırdır. Atom çekirdeği protonlardan ve nötronlardan oluşur ve atomun dış kabuğu genellikle doğrudan elektron kabuğu olarak adlandırılan elektronlardan oluşur. Kabuğu oluşturan elektronlar çekirdeğin etrafında son derece karmaşık yörüngeler boyunca hareket eder, ancak kural olarak ondan çok fazla uzaklaşmazlar.
Bizim için temel parçacıkların en önemli özelliği kütle değil, elektrik yüküdür. Burada kesinlikle açık ve çok basit kanunlar söz konusudur.
Bir proton elektriksel olarak pozitif yüklüdür, bir elektron negatif yüklüdür ve bir nötronun yükü yoktur.
Bir elektronun negatif yükü, büyüklük olarak bir protonun pozitif yüküne kesinlikle eşittir. Genel olarak bir protonun +1 ve bir elektronun -1 yüküne sahip olduğu kabul edilir.
Bir atomdaki elektronların sayısı varsayılan olarak protonların sayısına eşittir, dolayısıyla tüm atomun yükü sıfırdır. Elektronların sayısı protonların sayısından farklıysa, bu, önümüzde sadece bir atomun değil, yüklü bir parçacığın, bir iyonun olduğu anlamına gelir.
18. yüzyılda fizikçiler iki tür elektrik yükünün olduğunu keşfettiler: pozitif ve negatif. Ayrıca farklı yüklerin birbirini çektiğini ve benzer yüklerin ittiğini de keşfettiler. Bu yasaya elektrostatiğin temel yasası veya Coulomb yasası denir (aslında çekme veya itme kuvvetini doğru bir şekilde belirlemenizi sağlayan bir formül olarak yazılmıştır, ancak burada matematik olmadan yapacağız). Coulomb yasası atomun içi dahil her yerde geçerlidir. Kesin olarak konuşursak, elektronlar ve protonlar tek bir atom oluştururlar çünkü birbirlerine elektrostatik olarak çekilirler. Referans olarak, protonların ve nötronların tamamen farklı türden bir çekimle atom çekirdeğine "yapıştırıldığını" ekliyoruz - kısa mesafelerde elektrostatik olandan çok daha güçlü olan sözde güçlü nükleer etkileşim. Bu nedenle çekirdekteki protonlar, Coulomb kuvvetinin onları birbirlerinden uzaklaştırmasına rağmen birbirlerine yapışırlar.
Fotoğraf: Peter Macdiarmid/Getty Images
Herhangi bir atomun en önemli parametresi proton sayısı veya atom numarasıdır (Z). Z değeri, belirli bir atomun periyodik element sistemindeki, yani periyodik tablodaki konumunu benzersiz bir şekilde belirler. Zaten bildiğimiz gibi elektron sayısı genellikle proton sayısına eşittir. Ancak nötron sayısına gelince, aynı sayıda proton için bu durum farklı olabilir. Atom numaraları aynı fakat nötron sayıları farklı olan atomlara izotop denir. Eğer “izotop” kelimesi geçmiyorsa bu durumda nötron sayısının bizim için önemli olmadığı anlamına gelir. Aynı sayıda protona sahip olan tüm atomlar tanım gereği aynı kimyasal elemente aittir.
Mümkün olan tüm atomların en basiti hidrojendir (Z=1). Bir proton ve bir elektrondan oluşur. İçinde hiç nötron olmayabilir (ancak hangi izotop olduğuna bağlı olarak olabilir). Sıradan bir en basit hidrojen atomunu tek elektronundan mahrum bırakırsanız, elinde pozitif yüklü bir iyon kalacaktır; bu durumda bu iyon "çıplak" bir protondan başka bir şey değildir.
19. yüzyılın başında İngiliz kimyager ve doktor William Prout, zamanının ötesinde bir hipotez öne sürdü: Diğer tüm kimyasal elementlerin atomları, bir veya daha fazla sayıda hidrojen atomunun birleşimi sonucu oluşuyor. . Ve gerçeklerden o kadar da uzak değildi. Tüm atomlar aslında aynı tip parçacıklardan oluşur ve bunların mümkün olan en basit kümesi bir hidrojen atomundan (Z=1) başka bir şey değildir. İkinci en karmaşık atom helyumdur (Z=2), üçüncüsü lityumdur (Z=3) ve periyodik tablonun tamamı elimizdedir. En ağır atomlar yüzden fazla proton ve yaklaşık iki yüz nötron içerir. Ama biyolojide bu tür canavarlarla karşılaşmayacağız.
Kimyasal bağlar
Bizim için atomlar arasındaki etkileşimin en önemli yoluna kovalent bağ denir. Bu, iki atomun her birinden birer tane olmak üzere ortak bir elektron çiftinin oluşturduğu bir bağdır. Bu çiftin elektronlarının aynı anda her iki atoma da ait olduğunu varsayabiliriz. Moleküllerin yapısını görsel olarak gösteren grafik formüllerde, kovalent bağ, kimyasal elementlerin sembolleri arasında basit bir çizgiyle gösterilir. Sıradan moleküllerin çoğunda atomları birbirine bağlayan da tam olarak bu bağlardır. Bir örnek bir hidrojen molekülüdür. Birbirleriyle tek bir kovalent bağ oluşturan iki hidrojen atomundan (H) oluşur: H–H veya kısaca H2.
Bazen kovalent bağlar çifttir - aynı anda iki çift elektron tarafından oluşturulur - hatta üçlü - aynı anda üç çift tarafından oluşturulur. Bir bağın çokluğu ne kadar yüksek olursa, diğer şeyler eşit olmak üzere bağ o kadar güçlü olur. Çift kovalent bağlar biyolojide çok yaygındır. Üçlü olanlar çok daha nadirdir, ancak yine de onların varlığını bilmekten zarar gelmez. Grafiksel formüllerde çift ve üçlü bağlar, atom sembolleri arasında sırasıyla çift veya üçlü çizgilerle gösterilir. Örneğin, oksijen atomları (O) arasında bir çift bağ iyi bir şekilde oluşabilir. Sonuç bir O=O molekülü veya kısaca O2'dir. Bu arada, bu soluduğumuz atmosferik oksijenin aynısı.
Yüklü parçacıkların elektrostatik çekimi olan iyonik bağ, kovalent bağdan çok daha az yaygındır (en azından canlı maddede). Coulomb yasasına göre benzer elektrik yüklerinin birbirini ittiğini, farklı olanların ise çektiğini zaten biliyoruz. Bu nedenle pozitif yüklü bir parçacık (katyon) ile negatif yüklü bir parçacık (anyon) mutlaka birbirini çekecektir. Bir iyonun, elektron sayısının proton sayısından farklı olduğu, bağımsız olarak var olan herhangi bir parçacık olduğu daha önce belirtilmişti. Michael Faraday tarafından türetilen terimin kendisi, "gitmek" anlamına gelen Yunanca bir kelimeden gelir: içinden bir elektrik akımının geçtiği bir çözeltide, pozitif yüklü iyonlar negatif kutba doğru hareket eder ve negatif iyonlar da pozitif kutba doğru hareket eder. Bir atom fazladan bir elektron almışsa veya tam tersine elektronlarının bir kısmını bir yerde kaybetmişse iyon haline gelir.
İyonik bağın mükemmel bir örneği, formülü şu şekilde yeniden yazılabilen, iyi bilinen sofra tuzu NaCl (sodyum klor) ile gösterilmiştir. Bu, tuz kristalinin bire bir oranda pozitif yüklü sodyum iyonları ve negatif yüklü klor iyonlarından oluştuğu anlamına gelir. Bu durumda her klor atomu komşu sodyum atomundan bir elektron alıyor gibi görünmektedir.
Hayatın unsurları
Canlı maddenin kimyasal bileşimi oldukça tekdüzedir. Canlı bir hücrenin yapısını ilk yaklaşımla anlamak için yalnızca beş kimyasal elementi bilmek yeterlidir. Bunlar hidrojen (H), oksijen (O), nitrojen (N), karbon (C) ve fosfordur (P). Şimdilik bu elementlerin atom numaralarına dikkat etmeyeceğiz: Birincisi, onları periyodik tabloda bulmaktan daha kolay bir şey yok ve ikincisi, başka bir gösterge artık bizim için çok daha önemli. Herhangi bir kimyasal element hakkında bilmemiz gereken en önemli şey onun değerliliği, yani atomunun oluşturabileceği kovalent bağların sayısıdır.
Yani hidrojenin değeri 1, oksijen - 2, nitrojen - 3, karbon - 4 ve fosfor - 5'tir. Sadece bu sayıları hatırlamanız yeterlidir. Bazen listelenen öğelerin bazılarının başka değerleri olabilir, ancak biyoloji çalışırken, özel olarak belirlenmiş birkaç tanesi dışında bu her durumda göz ardı edilebilir. Tek değerlikli hidrojen, iki değerlikli oksijen, üç değerlikli nitrojen, dört değerlikli karbon ve beş değerlikli fosfor, yaşamın ana kimyasal bileşenleridir (bkz. Şekil 1.2). Bazen konuşurken kükürt (S), sodyum (Na), klor (Cl), potasyum (K) veya demir (Fe) gibi başka atomlarla da karşılaşırız. Ancak onları sürekli hatırlamanıza gerek yok. Başlangıç için beş ana biyojenik (yani yaşamı oluşturan) kimyasal element oldukça yeterlidir.
Süpernova ve yaşam
Evrenimizdeki atomların çoğunluğunun hidrojen ve helyum atomları olduğuna şüphe yoktur. Astrofizikçiler, bundan 13 milyar yıl önce, yani Büyük Patlama'dan "sadece" birkaç yüz milyon yıl sonra, oranların şu şekilde olduğunu iddia ediyor: Evrendeki tüm atomların yaklaşık yüzde 75'i hidrojen atomu, yaklaşık yüzde 25'i helyum atomu, yaklaşık yüzde 25'i ise helyum atomuydu. ve daha ağır elementlerin toplamı yüzde 0,00007'yi oluşturuyordu. Elbette o zamandan bu yana evren değişti. Ancak şu anda bile hidrojen ve helyum dışındaki tüm elementlerin toplamı mevcut atomların yüzde 2'sinden fazlasını oluşturmuyor. Bu arada, değerliği bire eşit olan hidrojen ve genellikle kimyasal bağ oluşturmaya isteksiz olan helyumdan hiçbir karmaşık molekülün oluşturulamayacağı açıktır.
Modern Evrendeki farklı atom türlerinin sayısını karşılaştırdığımızda, hidrojen ve helyumdan sonra en yaygın elementlerin oksijen (Z=8), karbon (Z=6) ve nitrojen (Z=7) olduğunu hemen göreceğiz. Bu, Samanyolu galaksimizdeki kimyasal elementlerin göreceli bolluğunu gösteren bir grafikte açıkça gösterilebilir (bkz. Şekil 1.3). Yatay eksen boyunca atom numarasını (Z) ve dikey eksen boyunca - elementlerin bolluğunu, tercihen logaritmik bir ölçekte çizebilirsiniz (basitçe söylemek gerekirse, bu, dikey eksendeki her "adım"ın bir farka karşılık geldiği anlamına gelir) tek tek değil, 10'luk bir faktörle) . Böyle bir grafikte gözünüze çarpan ilk şey, zaten bildiğimiz bir gerçektir: Galakside, diğer tüm kimyasal elementlerin toplamından kat kat daha fazla hidrojen ve helyum vardır. Bu iki unsur rekabetin ötesindedir. Lityum (Z=3), berilyum (Z=4) ve bor (Z=5) bölgesinde açık bir başarısızlık vardır, çünkü bu atomların çekirdekleri nispeten kararsızdır: yıldızlarda meydana gelen nükleer reaksiyonlar sisteminde, kolayca sentezlenirler, fakat aynı zamanda kolayca parçalanırlar. Demir çekirdek (Z=26) ise tam tersine son derece kararlıdır. Yıldızların derinliklerinde meydana gelen birçok nükleer reaksiyon burada sona ermektedir, bu nedenle demir, grafikte yüksek bir tepe noktası vermektedir. Ancak Samanyolu'nda hidrojen ve helyumdan sonra en yaygın elementler şüphesiz oksijen, karbon ve nitrojendir; bunlar tam olarak yaşamın kimyasal "yapı taşları" haline gelmişlerdir. Bu pek rastlanan bir kaza değil.
Fotoğraf: Peter Macdiarmid/Getty Images
Ek olarak, Galaksideki kimyasal elementlerin bolluğu grafiğinin açıkça "pürüzlü" olduğunu fark etmeden duramazsınız. Atom numaraları çift olan elementler ortalama olarak Evren'de tek sayılı elementlerle "hemen hemen aynı değerde" olan elementlerden çok daha yaygındır. Yüz yıl önce iki kimyager, İtalyan Giuseppe Oddo ve Amerikalı William Harkins birbirlerinden bağımsız olarak buna dikkat çekmişlerdi. Makaleleri sırasıyla 1914 ve 1917'de yayınlandı. Ve çift sayılı elemanların, diğer her şey eşit olmak üzere, tek sayılı elemanlara üstün gelmesini sağlayan kurala, onların onuruna hâlâ Oddo-Harkins kuralı deniyor. Örneğin yer kabuğunun kimyasal bileşimini analiz ederken bu kuralın dikkate alınması gerekir.
Oddo-Harkins kuralının çözümü, onu keşfedenler tarafından zaten önerilmişti. Gerçek şu ki, ağır elementlerin atom çekirdekleri esas olarak daha hafif çekirdeklerin füzyonu nedeniyle oluşuyor. Bu arada, iki özdeş atom çekirdeğinin füzyonunun her durumda proton sayısı yani çift atom numarasına sahip bir elementin çekirdeğini oluşturacağı açıktır. Ve sonra ortaya çıkan çekirdekler birbirleriyle birleşerek yine her şeyden önce çift sayılı elemanları verir. Örneğin, çekirdeklerinin birbirleriyle büyük bir enerji çıkışıyla birleştiği helyumun (Z=2) "yanması", önce kararsız kısa ömürlü berilyum çekirdekleri (Z=4), ardından karbon çekirdekleri (Z=6) üretir. ) ve ardından oksijen (Z=8).
Yıldız oluşumu başlamadan önce Evren yalnızca hidrojen, helyum ve eser miktarda lityum içeriyordu. Bildiğimiz kadarıyla lityumdan ağır olan tüm elementler yalnızca yıldızlarda sentezleniyor ve süpernova patlamaları sonucunda dağılıyor. Bu, en azından ilk nesil yıldızların yaşam döngüsü sona erene ve bu yıldızlar patlayana kadar canlı organizmaların oluşturacak hiçbir şeyi olmadığı anlamına gelir.
Yıldızlardaki kimyasal elementlerin sentez mekanizmasını anlatan en ünlü makalenin yazarları dört bilim adamıydı: Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler ve Fred Hoyle. Bu makale genellikle yazarların baş harfleri B2FH (“ba-square-ef-ash”) ile anılmaktadır. Araştırmanın başlatıcısı astrofizikçi Hoyle'du: Yıldızlarda yalnızca helyumun değil, karbonun da sentezlenebileceğini ilk tahmin eden oydu. Hoyle sayesinde, önce profesyonel nükleer fizikçi Fowler (ilk başta şüpheciydi ama Hoyle onu ikna etti) ve ardından Burbidge gökbilimcileri çalışmaya dahil oldu. İnternette dördünün de en büyüğü Fowler'ın 60. doğum gününü kutladığı ve ikincisinin meslektaşlarının ona verdiği buharlı lokomotifin çalışma modeline sevindiği harika bir fotoğraf bulmak çok kolay.
B2FH makalesi, tüm elementlerin çekirdeklerinin doğrudan Büyük Patlama sırasında sentezlendiğine ve o zamandan bu yana konsantrasyonlarının yaklaşık olarak sabit kaldığına inanan daha önceki bir hipotezi çürüttü. Aslında Büyük Patlama'dan sonraki ilk milyarlarca yılda Evren'in tamamen hidrojen-helyumdan oluşması çok daha muhtemel. Ve ancak o zaman süpernovaların yardımıyla ağır elementler bakımından zenginleşmeye başladı (şimdi helyumdan veya aşırı durumlarda lityumdan daha ağır olan her şeye "ağır elementler" diyoruz).
