Магия реальности. Откуда мы знаем что является правдой
Шрифт:
Мы определяем твёрдое вещество как такое, «через которое вы не можете пройти». Вы не можете идти через стену из-за тех таинственных сил, которые связывают ядра с их соседями в фиксированном положении. Вот что означает твёрдый.
Жидкий означает что-то похожее, за исключением того, что мистические поля и силы удерживают атомы в меньшей степени, поэтому они скользят относительно друг друга, что означает, что вы можете перемещаться в воде, хотя и не так быстро, как в воздухе. В воздухе, являющимся газом (в действительности смесью газов), гораздо легче перемещаться, потому что атомы в газе свободно мчатся, а не привязаны друг к другу. В газе трудно перемещаться только в том случае, когда большинство атомов движутся в одном направлении, противоположном вашему движению. Это и происходит, когда вы пытаетесь двигаться против ветра (это и означает «ветер»). Трудно двигаться против
Мы не можем двигаться сквозь твёрдый материал, но очень маленькие частицы, называемые фотонами, могут. Лучи света — это поток фотонов, и они могут перемещаться сквозь некоторые твёрдые материалы, называемые «прозрачными». Способ, которым «футбольные мячи» расположены в стекле, или в воде, или в некоторых драгоценных камнях, означает, что фотоны могут проходить как раз между ними, хотя они немного замедлятся, как вы замедляетесь при попытке пройти через воду.
За некоторым исключением, как например кварцевые кристаллы, камни непрозрачны, и фотоны не могут проникать сквозь них. Вместо этого, в зависимости от цвета камня, они либо поглощаются камнем, либо отражаются от его поверхности, и это справедливо для большинства других твёрдых предметов. Некоторые твёрдые предметы отражают фотоны совершенно особым, прямолинейным способом, и мы называем их зеркалами. Но самые твёрдые объекты поглощают многие из фотонов (они не прозрачны), и рассеивают даже те, которые они отражают (они не ведут себя как зеркала). Мы просто видим их как «непрозрачные», и мы также рассматриваем их как имеющие цвет, который зависит, от вида поглощаемых или отражаемых ими фотонов. Я вернусь к важному вопросу цвета в главе 7, «Что такое радуга?». Тем временем, мы должны сосредоточить наше внимание на действительно очень малых объектах и посмотреть прямо внутрь самого ядра — футбольного мяча.
Мельчайшие частицы
Ядро на самом деле не похоже на футбольный мяч. Это просто грубая модель. Оно, конечно, не круглое, как футбольный мяч. Даже не ясно, должны ли мы говорить о его «форме» вообще.
Может быть, само это слово — «твёрдый» теряет всякий смысл при этих очень маленьких размерах. А мы говорим об очень и очень маленьких размерах.
Точка в конце этого предложения содержит приблизительно миллион миллионов атомов типографской краски Каждое ядро содержит меньшие частицы, называемые протонами и нейтронами. Если хотите, то можете также думать о них как о мячах, хотя, как и ядра, они на самом деле не мячи. Протоны и нейтроны приблизительного одинакового размера. На самом деле они очень — очень маленькие, но все равно они в тысячу раз больше, чем электроны («комары») на орбите вокруг ядра. Существенная разница между протоном и нейтроном в том, что у протона есть электрический заряд. У электронов тоже есть электрический заряд, противоположный заряду протонов. Не важно, какой в точности электрический заряд здесь имеется в виду. У нейтронов заряда нет.
Поскольку электроны такие очень — очень — очень маленькие (а протоны и нейтроны просто очень — очень маленькие), масса атома в сущности — это только его протоны и нейтроны. Что же означает «масса»? Что ж, можно, пожалуй, представить себе массу как вес, и можно измерять её, используя те же единицы (граммы или фунты). Как бы то ни было, вес и масса — не одно и то же, и мне придётся объяснить разницу, но я отложу это до следующей главы. На данный момент просто считайте, что «масса» похожа на «вес».
Масса объекта практически полностью зависит от того, как много протонов и нейтронов связаны вместе во всех его атомах. Число протонов в ядре атома каждого отдельного элемента всегда одно и то же и равно числу электронов на орбите вокруг ядра, хотя электроны и не оказывают значительного влияния на массу, поскольку они слишком малы. Атом водорода имеет только один протон (и один электрон). Атом урана имеет 92 протона. Свинец — 82. Углерод имеет 6. Для каждого возможного числа от 1 до 100 (и ещё нескольких), имеется один и только один элемент, имеющий определённое количество протонов (и столько же электронов). Я не буду их перечислять, хотя это и легко (моя жена Лала Лала может перечислять их наизусть, на большой скорости — фокус, которому она научилась в качестве упражнения для тренировки памяти, и как способ заснуть).
Число протонов (или электронов), которыми обладает элемент, называется «атомным номером» этого элемента. Так что можно определить элемент не только по его названию, но и по его собственному уникальному атомному номеру. Например, элемент под номером 6 — углерод; элемент под номером 82 — свинец. Элементы удобно изложены в таблице, называемой периодической таблицей — я не буду вдаваться в подробности, почему она называется именно так, хотя ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА УРАН СВИНЕЦ УГЛЕРОД хотя это интересно. Но сейчас момент, чтобы вернуться, как я и обещал, к вопросу, почему, когда вы режете, скажем, свинец на все меньшие и меньшие части, вы, в конечном итоге, достигнете точки, когда, если вы разрежете его снова, он больше не является свинцом. Атом свинца имеет 82 протона. Если разделить атом так, чтобы он больше не имел 82 протона, он перестаёт быть свинцом.
Число нейтронов в ядре атома менее фиксировано, чем число протонов: многие элементы имеют разные версии, называемые изотопами, с разным количеством нейтронов. Например, существует три изотопа углерода, называемые углерод-12, углерод-13 и углерод-14. Цифры относятся к массе атома, которая является суммой протонов и нейтронов. Каждый из трёх имеет шесть протонов. Углерод-12 имеет шесть нейтронов, углерод-13 имеет семь нейтронов, а у углерода-14 — восемь нейтронов. Некоторые изотопы, например, углерод-14, радиоактивны, что означает, что они превращаются в другие элементы с предсказуемой скоростью, хотя в непредсказуемые моменты. Учёные могут использовать эту особенность, чтобы помочь вычислить возраст окаменелостей. Углерод-14 используется для датирования предметов моложе большинства окаменелостей, например, древних деревянных судов.
Окончится ли наш процесс по делению на все меньшие и меньшие части на этих трёх частицах: электронах, протонах и нейтронах? Нет — даже у протонов и нейтронов есть составные части. Даже они содержат ещё более мелкие вещи, называемые кварками. Но это то, о чем я не буду рассказывать в этой книге. Не потому, что я считаю, что вы не поймёте этого. А потому, что я не понимаю этого! Здесь мы вступаем в таинственную страну чудес. Важно распознать, когда мы достигаем пределов того, что мы понимаем. Не то чтобы мы никогда не поймём эти вещи. Вероятно, поймём, и учёные работают над ними со всей надеждой на успех. Но мы должны знать, что мы не понимаем, и признаться в этом себе, прежде чем мы сможем начать работать над этим. Есть учёные, которые, по крайней мере, немного понимают в этой стране чудес, но я не являюсь одним из них. Я знаю свои границы знаний.
Углерод — строительные леса жизни
Все элементы особенные по — разному. Но один элемент, углерод, является настолько особенным, что я хочу закончить главу, коротко сказав об этом. У углеродистой химии даже есть своё собственное имя, отделяя её от всей остальной части химии: «органическая» химия. Вся остальная часть химии является «неорганической» химией. Итак, что же такого особенного в углероде?
Ответ заключается в том, что атомы углерода, связываясь с другими атомами углерода, образуют цепочки. Химическое соединение октан (см. выше), которое, как вы знаете, является составной частью бензина (газолина), является довольно короткой цепью из восьми атомов углерода (чёрные шарики на рисунке) с атомами водорода (серые шарики), торчащими по сторонам. Уникальность углерода в том, что он может образовывать цепочки любой длины, некоторые длиной буквально в сотни атомов углерода. Иногда цепочки образуют кольца. Например, справа вверху нафталин (из которого делают шарики от моли), молекулы которого также состоят из углерода с присоединённым водородом, но на этот раз в виде двух колец. Углеродная химия скорее похожа на игрушечный конструктор под названием Tinkertoy.