Model derevo zhizni
Основы экологических знаний

Уровни строения материи. Вещество. Его виды.

Элементарные частицы. Атомы. Химические элементы.                                                                  

В.И. Вернадский, поделил всю материю окружающего мира на живое и косное вещество и их производное (биокосное), и составляющее (биогенное).

Попытаемся найти некий «общий знаменатель», всех упомянутых видов вещества по Вернадскому.

Если взять по гипотетическому «представителю» из этой классификации, например, цветок, графитовый стержень карандаша, комочек почвы, воду и мысленно разделить поэтапно каждое из них до первоосновы, до неделимого, то мы последовательно получим вначале составные части характерные для каждого, затем следуют такие общие для всех предметов субстанции «молекула», потом «атомы».

Атомы, в свою очередь, состоят из сложных частиц, опрометчиво названных учеными элементарными, но именно эти частицы и составляют фундамент материального существования мира, и чтобы описать эти «первичные сущности», требуется очень сложный математический аппарат.

А чем сложнее аппарат, тем больше допущений и абстракций, тем менее вероятна истина. Все более сложные приборы требуются для её установления. По этой причине, мы не можем воспроизвести точную, признанную всеми, структуру субатомного строения вещества, а можем только упомянуть то главное, что сегодня известно об элементарных (фундаментальных) частицах:

Вот самое понятное определение этих частиц, сделанное Энрико Ферми в 1952 году:

-«Что означает «элементарная частица»? Автор в затруднении ответить на этот вопрос; термин «элементарная частица» скорее относится к уровню наших знаний. Вообще можно сказать, что на каждом этапе развития науки мы называем элементарными те частицы, строения которых не знаем и которые рассматриваем как точечные». И он же:  — «Элементарная  частица»  — это  собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые на практике невозможно расщепить на составные части» (Ферми Э. Лекции по атомной физике // М: ИЛ, 1952. — С. 9) .

Такие элементарные частицы, как электрон, нейтрино, кварки и пр. считаются бесструктурными, неделимыми и поэтому рассматриваются ядерными физиками как первичные фундаментальные частицы.  Протоны и нейтроны, составляющие ядро атома, относятся к составным и имеют сложную внутреннюю структуру, но расщепить их пока технически невозможно по причине эффекта конфайнмента  (от англ. confinement — удержание <цвета>) — явление в физике элементарных частиц, состоящее в невозможности получения кварков в свободном состоянии, поскольку в экспериментах наблюдаются только агрегаты кварков, состоящие из двух (мезоны), трёх (барионы), четырёх (тетракварки) и пяти (пентакварки) кварков)

Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются по экспоненциальному закону с постоянной времени от приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10−24 до 10−22 с для резонансов).

Есть теоретическое предположение, развившееся в так называемую «теорию струн», что в основе всего сущего лежит суперсимметрия, т.е. когда мезон представляет собой «струну» (нити энергии) с кварком на одном конце и антикварком на другом.

Все элементарные частицы подчиняются принципу тождественности (все элементарные частицы одного вида во Вселенной полностью одинаковы по всем своим свойствам) и принципу корпускулярно-волнового дуализма (каждой элементарной частице соответствует волна де-Бройля).

Все элементарные частицы обладают свойством взаимопревращаемости, являющегося следствием их взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого, гравитационного. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы и их совокупности, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, барионного заряда и др.

Ограничимся здесь этими свойствами. Понятно, что так называемые «струны» могут быть разной конфигурации в зависимости от силы взаимодействия и различного числа зацеплений.

Человек научился искусственно получать и «ловить» фундаментальные частицы. Существуют «фабрики» по производству интенсивных пучков частиц (электронов и протонов). Это так называемые ускорители. Для интенсивных пучков подбираются мишени и при соударении получаются новые частицы. Чем выше энергия, которую приобрела частица в ускорителе, тем сильнее она воздействует на мишень, тем мельче «осколки». Таким образом, удалось «поймать» кварки, на сегодняшний день – это самые мелкие частицы, из которых состоит материя.  Этой областью физики занимается квантовая механика, с которой соприкасается отрасль высоких технологий – нанотехника или нанотехнология. Слово «нано» произошло от обозначения миллиардной доли метра (10-9м) нанометра – нм., именно такие размеры характеризуют микромир молекул и кристаллических решеток. Оказалось, что на этих уровнях возможно принципиально менять свойства вещества. Более того, вполне возможны, в недалеком будущем самовоспроизводящиеся наноконструкции, хотя сейчас это кажется фантастикой, но тем не менее нанотехнологии можно рассматривать как мостик из неживого мира в живой. Живую клетку пока еще искусственно не создали, но построить белковую молекулу, идентичную натуральной не составляет для нанотехнологии большого труда.

Таким образом, становится понятным, что для живого и косного вещества в равной степени фундаментом наращивания массы являются элементарные частицы. Первой ступенью такого наращивания являются атомы.

Атомарный уровень

         Атом построен из расположенного в его центре положительного заряженного ядра (протон = нейтрон+позитрон = нуклон) и окружающей ядро одной или нескольких размытых оболочек – орбит отрицательно заряженных электронов, компенсирующих заряд ядра.

Атомное ядро 

Атом – это мельчайшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Химический элемент – это, строго говоря, огромное количество одинаковых атомов одного заряда. Но в природе чистые химические элементы встречаются крайне редко, поэтому когда мы говорим о различных веществах, мы говорим о химических соединениях – сочетаниях химических элементов. Мельчайшими частицами, несущими свойства химического соединения, являются молекулы.

Молекулярный уровень

И живая и неживая природа имеет в основном молекулярную структуру. Давайте попробуем разобраться, чем различаются молекулы косного и живого вещества, откуда это различие берется и к каким свойствам приводит.

Оставляя за рамками этой книги историю, а вернее, множество гипотез о том, как Вселенная заполняла таблицу Менделеева, остановимся на том факте, что из этого получилось. А получилось следующее:

— в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева 118  заполненных ячеек. Что это значит?

Во-первых, в природе стабильно существуют не более 90 химических элементов, остальные получены искусственным путем.

Во-вторых, каждый из них обладает разными свойствами и встречается в земной коре и биосфере (в пересчете на % содержание от общей массы) в разных количествах.

В-третьих, существующих и возможных вариантов химических соединений великое множество, но все они безукоснительно подчинены фундаментальному закону, открытому Д.И. Менделеевым:

 Измеримые физические и химические свойства элементов стоят в периодической зависимости от атомных весов элементов.

После создания модели атома Резерфорда – Бора (1911-1913 гг.), этот закон был сформулирован следующим образом:

Свойства элементов и образуемых им соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер их атомов.

Модель атома Н. Бора (1911 г)

Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/

Планетарная модель атома (модель атома Э.Резерфорда): ядро (красное) и электроны (зелёные)

Планетарная модель атома, или модель атома Резерфорда, — исторически важная модель строения атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в классической статье[1], опубликованной в 1911 г. на основании анализа и статистической обработки результатов экспериментов по рассеиванию альфа-частиц в тонкой золотой фольге, выполненных Гейгером и Марсденом в 1909 г.

В этой модели Резерфорд описывает строение атома состоящим из крохотного положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого вращаются электроны, — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца.

Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с уточнениями, что движение электронов не может быть описано законами классической механики и имеет квантовомеханическое описание

Модель атома Э. Резерфорда (1911г.) – Н.Бора (1913 г.)

model atoma

Боровская модель водородоподобного атома (Z — заряд ядра), где отрицательно заряженный электрон заключен в атомной оболочке, окружающей малое, положительно заряженное атомное ядро. Переход электрона с орбиты на орбиту сопровождается излучением или поглощением кванта электромагнитной энергии (hν).

 Соответственно этому закону свойства биосферы и земной коры должны зависеть от составляющих их химических элементов и химических соединений.

И тут мы опять вспоминаем В.И. Вернадского, потому что именно он и его ученик А.Е Ферсман были крупнейшими основателями науки о химии Земли – геохимии.

Вот как характеризовал её суть Вернадский: «Геохимия научно изучает химические элементы, т.е. атомы земной коры и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве – времени, их генетические на нашей планете соотношения». (Очерки геохимии, 7-е изд. М.: Наука, 1983)

 Одна из главных задач геохимии – определить, как распространены химические элементы в земной коре. Оказалось, что их распространение тоже зависит от зарядов их ядер.

Основные закономерности распределения химических элементов:

  1. Преимущественное распространение имеют химические элементы расположенные ближе к началу периодической таблицы – главная масса вещества земной коры состоит из легких элементов (до №28).
  2. Правило Оддо-Харкинса: преимущественное распространение имеют элементы с четными номерами по сравнению с нечетными. (установлено в 1914 г Оддо и Харкинсом независимо друг от друга).

Немногим ранее другой американский ученый Фрэнк Кларк, почти 20 лет обобщал исследования более тысячи ученых и результаты более 5 тысяч анализов образцов горных пород и пришел к следующему.

Если оценивать среднее содержание элементов в процентах от массы земной коры, то наиболее распространенными оказываются следующие: кислород (16 у.е. — углеродных единиц – молекулярный вес)- 47,00%; кремний (14 у.е.)-29,5%; алюминий (13 у.е.) — 8,05%, железо (26 у.е.) — 4,65%; кальций (20 у.е.)-2,96%; натрий (11 у.е.)-2,50%; калий (19 у.е.)-2,50% и магний (12 у.е)-1,87%.  В сумме все эти числа дают 99,03%. Следовательно, на долю всех прочих элементов приходится менее 1 %.

Кларковое число (или кларки элементов, ещё чаще говорят просто кларк элемента) — числа, выражающие среднее содержание химических элементов в земной корегидросфереЗемле, космических телах, геохимических или космохимических системах и др., по отношению к общей массе этой системы. Различают весовые (измеряются в %, г/т, г/кг или г/г) и атомные (в % от числа атомов) кларки. Названы в честь Фрэнка Кларка по предложению А. Ферсмана.

         Из этих данных вытекают два важных наблюдения:

1.Подтверждается правило Оддо-Харкинса – на долю химических элементов с четными номерами приходится 86% от общего числа, а на долю химических элементов с нечетными номерами только 13%;

  1. Содержание элементов в земной коре уменьшается при движении от начала таблицы к её концу;

Теперь понятны некоторые закономерности качественного и количественного состава тонкого слоя земной коры и её поверхности. Нас интересует, конечно, прежде всего, вопрос, как распределяется эта «великолепная восьмерка» среди косного и живого вещества.

Можно предположить, что в неорганической природе (косном веществе) существенно преобладают кислород, кремний, алюминий и железо, а в живой природе (живом веществе) царствует четверка элементов – «органогенов» (т.е. тех, которые являются главными составными частями органических веществ): кислород, водород, углерод и азот. Но не всё так просто. К перечню органогенов (биогенов) необходимо добавить серу, кальций, калий, натрий и микроэлементы. Последних насчитывается до 40, их содержание в организме ничтожно мало (n.10-2), но при этом их значение огромно. Например, без атома железа в молекуле гемоглобина невозможен процесс газообмена в легких и тканях, а без атома магния в молекуле хлорофилла невозможен процесс фотосинтеза, и примеры можно продолжить.

Современная химическая наука делит вещества относительно содержания в них углерода.

Органические вещества – химические соединения, содержащие углерод и, как правило, водород. Все другие соединения называют неорганическими. Простые соединения углерода, не содержащие водорода (например, диоксид углерода, мел и другие карбонаты) также относят к неорганическим соединениям. Последние могут также находиться не в молекулярной форме, а в ионной.

Ионом называют атом, который потерял или присоединил один или несколько (отрицательно заряженных) электронов и таким образом приобрел электрический заряд. Если атом теряет электроны, то заряд положительный, если приобретает, то отрицательный (П.Эткинс, Молекулы, М., Мир, с.19).

Немногим ранее другой американский ученый Фрэнк Кларк, почти 20 лет обобщал исследования более тысячи ученых и результаты более 5 тысяч анализов образцов горных пород и пришел к следующему.

Если оценивать среднее содержание элементов в процентах от массы земной коры, то наиболее распространенными оказываются следующие: кислород (16 у.е. — углеродных единиц – молекулярный вес)- 47,00%; кремний (14 у.е.)-29,5%; алюминий (13 у.е.) — 8,05%, железо (26 у.е.) — 4,65%; кальций (20 у.е.)-2,96%; натрий (11 у.е.)-2,50%; калий (19 у.е.)-2,50% и магний (12 у.е)-1,87%.  В сумме все эти числа дают 99,03%. Следовательно, на долю всех прочих элементов приходится менее 1 %.

         Из этих данных вытекают два важных наблюдения:

1.Подтверждается правило Оддо-Харкинса – на долю химических элементов с четными номерами приходится 86% от общего числа, а на долю химических элементов с нечетными номерами только 13%;

  1. Содержание элементов в земной коре уменьшается при движении от начала таблицы к её концу;

Теперь понятны некоторые закономерности качественного и количественного состава тонкого слоя земной коры и её поверхности. Нас интересует, конечно, прежде всего, вопрос, как распределяется эта «великолепная восьмерка» среди косного и живого вещества.

Можно предположить, что в неорганической природе (косном веществе) существенно преобладают кислород, кремний, алюминий и железо, а в живой природе (живом веществе) царствует четверка элементов – «органогенов» (т.е. тех, которые являются главными составными частями органических веществ): кислород, водород, углерод и азот. Но не всё так просто. К перечню органогенов (биогенов) необходимо добавить серу, кальций, калий, натрий и микроэлементы. Последних насчитывается до 40, их содержание в организме ничтожно мало (n.10-2), но при этом их значение огромно. Например, без атома железа в молекуле гемоглобина невозможен процесс газообмена в легких и тканях, а без атома магния в молекуле хлорофилла невозможен процесс фотосинтеза, и примеры можно продолжить.

Современная химическая наука делит вещества относительно содержания в них углерода.

Органические вещества – химические соединения, содержащие углерод и, как правило, водород. Все другие соединения называют неорганическими. Простые соединения углерода, не содержащие водорода (например, диоксид углерода, мел и другие карбонаты) также относят к неорганическим соединениям. Последние могут также находиться не в молекулярной форме, а в ионной.

Ионом называют атом, который потерял или присоединил один или несколько (отрицательно заряженных) электронов и таким образом приобрел электрический заряд. Если атом теряет электроны, то заряд положительный, если приобретает, то отрицательный (П.Эткинс, Молекулы, М., Мир, с.19).

Как видим, в химии не принято рассматривать живые организмы как особый тип вещества. И, на первый взгляд, кажется, что химики правы, поскольку нет атомов и ионов, на которых было бы «подписано» — «для живых организмов», или «для мертвой природы», поэтому из всего сказанного можно заключить:

  1. на уровне элементарных частиц и атомарном уровне строения вещества различий между живой и неживой природой (живым и косным веществом) не существует!
  2. количественные характеристики содержания химических элементов в живых организмах существенно смещены в сторону веществ, называемых биогенами, а именно: кислорода, углерода, азота, водорода, калия, кальция, серы, фосфора и микроэлементов.

Вернемся к нашим гипотетическим представителям разных видов вещества из начала этой статьи: цветку, графитовому стержню карандаша, комочку почвы, воде, и что мы видим?  Действительно, начинаем с вещества, заканчиваем непонятными пока струнами, и приходим к выводу, что между видами вещества на атомарном уровне различий нет!

Что и подтверждает этот рисунок

urovni stroenija mira
Уровни строения мира [1]
Уровни строения мира:

  1. Макроскопический уровень — вещество
  2. Молекулярный уровень
  3. Атомный уровень — протоны, нейтроны и электроны
  4. Субатомный уровень — электрон
  5. Субатомный уровень — кварки
  6. Струнный уровень

 

В следующей подглаве попробуем отыскать различие между живым и неживым на молекулярном уровне.

_____________________________________________________

[1] Автор: MissMJ — Own work by uploaderLevels of magnification from [1] PBS: NOVAMolecular structure of diamond crystal from Center for Computational Materials Science, U.S. Navy, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4282226

 

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *