"Неделимые" атомы Демокрита: как древнегреческая теория изменила понимание Вселенной

Тайны атомного мира и его влияние на нашу жизнь

Все объекты вокруг нас, такие как вода, воздух, железо и углекислый газ, состоят из веществ. Молекулярно-кинетическая теория, объясняющая строение материи, утверждает, что все вещества формируются из молекул. Молекулы, в свою очередь, состоят из одного или нескольких атомов. К примеру, молекула воды (H2O) включает два атома водорода и один атом кислорода. В ходе химических реакций молекулы способны обмениваться атомами или распадаться на них, что приводит к образованию молекул новых веществ. Таким образом, атом представляет собой наименьшую частицу, которая сохраняет индивидуальные свойства химического элемента.

Представление об атоме возникло ещё в Древней Греции. Наиболее известная концепция принадлежит Демокриту, который первым ввёл термин "atomos", что переводится как "неделимый". Философ считал, что окружающий мир состоит из пустоты и этих мельчайших, неделимых частиц - атомов. Научная основа для изучения строения атома начала формироваться лишь в конце XIX века. Среди существовавших моделей атомного строения главной стала планетарная модель Резерфорда-Бора, которая легла в основу современной квантово-механической модели. Многие научные открытия опираются на знания о строении атома.

Согласно модели Резерфорда-Бора, атом включает ядро и электроны. Ядро занимает центральное положение в частице и содержит почти всю её массу - около 99,9%. Однако оно занимает лишь одну триллионную часть всего объёма, из-за чего атом внутри практически пуст. Ядро сформировано из нуклонов: протонов, которые несут положительный заряд, и нейтронов, не имеющих заряда. Вокруг ядра вращаются электроны, являющиеся отрицательно заряженными частицами. Если представить атом размером с большой стадион, то его ядро будет напоминать крошечную горошину в центре поля, а электроны будут перемещаться в области верхних трибун. Количество электронов соответствует числу протонов в ядре, что обеспечивает электрическую нейтральность атома.

Электроны обладают высокой скоростью и находятся в непрерывном движении. Благодаря своей малой массе, которая примерно в 1 836 раз меньше массы протона или нейтрона, электрон демонстрирует свойства как частицы, так и волны. Из-за этих волновых свойств невозможно точно установить местоположение электрона в атоме. Поэтому его представляют не как конкретную точку, а как электронное облако, в котором он вероятнее всего находится. В электронном облаке существуют области с максимальной вероятностью обнаружения электрона - эти зоны называются атомными орбиталями. Совокупность орбиталей с одинаковой или близкой энергией образует энергетический уровень. Электроны, наиболее удаленные от ядра, называются валентными и активно участвуют в химических реакциях. Атом может отдавать или принимать их, а также формировать общие электронные пары с другими атомами, что приводит к созданию новых соединений.

Современные гипотезы предполагают, что 13,8 миллиарда лет назад, после Большого взрыва, во Вселенной присутствовали исключительно элементарные частицы: кварки, служащие "строительными блоками" для нуклонов, и глюоны, выступающие в роли "клея" для кварков. Взаимодействуя, они образовывали протоны и нейтроны. Такое состояние получило название кварк-глюонной плазмы. Оно напоминало космический "суп", где частицы свободно перемещались, пока очень высокая температура - до 20 триллионов градусов Цельсия - не позволяла им формировать устойчивые связи. В течение первых трёх минут после возникновения Вселенной произошёл первичный нуклеосинтез - процесс образования ядер химических элементов до появления звёзд. Так возникли ядра водорода, гелия и лития. Однако полноценные атомы в тот период ещё не сформировались из-за слишком высокой температуры Вселенной.

Примерно через 380 тысяч лет температура снизилась, и электроны начали объединяться с протонами, образуя первые атомы. Водород и гелий стали основой для первых звёзд, внутри которых учёные раскрывают тайны термоядерных реакций. В этих реакциях формировались новые элементы. Самые крупные звёзды завершали свой жизненный цикл взрывами сверхновых - мощными катаклизмами, во время которых звезда разрушалась и выбрасывала образованные элементы в космическое пространство. Таким образом, постепенно возникли все известные человечеству химические элементы. Этот процесс именуется вторичным, или звёздным, нуклеосинтезом.

Все известные человечеству химические элементы систематизированы в Периодической системе химических элементов (ПСХЭ), созданной Дмитрием Ивановичем Менделеевым и представленной в табличной форме. Химический элемент определяется как совокупность атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра. В отличие от вещества, сам элемент не обладает физическими свойствами, такими как запах, цвет или агрегатное состояние. Элементы в таблице расположены последовательно, с возрастанием порядкового номера, что соответствует увеличению заряда их ядра. Горизонтальные ряды в таблице называются периодами, а вертикальные столбцы - группами. ПСХЭ содержит ключевые характеристики атома. Например, для кислорода в ней указаны:

Символ: o Название: кислород Порядковый (атомный) номер: 8 (этот номер показывает количество протонов и электронов в атоме) Распределение электронов по энергетическим уровням: два на первом, шесть на втором Атомная масса: 15,99

Последняя характеристика измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.) - это условная величина, равная 1/12 массы атома углерода. Данная единица введена для удобства, поскольку массы атомов в граммах крайне малы, и использование а.е.м. значительно упрощает их сравнение и запись. ПСХЭ наглядно демонстрирует периодический закон: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их ядер. Это означает, что элементы со схожими свойствами повторяются через определённые интервалы, а не следуют непрерывно друг за другом. Периодический закон позволил Менделееву предсказать существование ещё не открытых элементов. В своей таблице он оставил для них пустые места и детально описал их свойства. Изначально международное научное сообщество отнеслось к его предсказаниям скептически, однако позже были открыты галлий, скандий и германий, точно соответствующие описаниям Менделеева. Таблица российского учёного позволила эффективно систематизировать химические элементы, предвидеть появление новых и выявлять закономерности между ними.

Согласно основным принципам молекулярно-кинетической теории строения вещества, молекулы и атомы пребывают в постоянном движении и непрерывно взаимодействуют друг с другом. Характер этого взаимодействия различается в зависимости от агрегатного состояния вещества - будь то твёрдое, жидкое или газообразное. Так, молекулы газообразного кислорода свободно перемещаются в пространстве, тогда как молекулы любых твёрдых тел удерживаются вместе. Между частицами действуют силы притяжения, благодаря которым жидкость собирается в капли, клей прилипает к бумаге, а твёрдые тела сохраняют свою форму. Поэтому для того, чтобы растянуть, сломать или разорвать что-либо, требуется приложить усилие. Этим же объясняется, почему осколки разбитой тарелки не склеиваются сами по себе. При их сжатии слишком мало частиц приблизится на расстояние, достаточное для проявления сил притяжения. Именно поэтому для соединения осколков промежутки между молекулами заполняют клеем.

Однако частицы не только притягиваются, но и отталкиваются. Силы притяжения и отталкивания между молекулами напрямую зависят от расстояния между их центрами. Например, попытка сжать твёрдое тело или жидкость, где молекулы расположены очень плотно, приведёт к усилению отталкивания, препятствующего сжатию. Газы, такие как воздух, сжимаются легче, поскольку между их частицами имеется значительное свободное пространство. Если взять шприц без иглы, закрыть отверстие пальцем и сжать поршень, воздух внутри легко поддастся давлению, тогда как вода в аналогичных условиях почти не сожмётся. Знание о движении и взаимодействии атомов и молекул помогает не только объяснять явления окружающего мира, но и создавать современные технологии. Например, энергия, высвобождающаяся при распаде ядра атома, используется человечеством в атомных реакторах для производства электроэнергии, а также при создании ядерного оружия. В атомной энергетике подчёркивают роль электронов: их поведение лежит в основе работы смартфонов, компьютеров, лазеров, аппаратов МРТ и многих других приборов. Например, светодиодная лампа излучает свет благодаря небольшому кристаллу, через который проходит электрический ток. Электроны внутри кристалла переходят с более высокого энергетического уровня на низкий, отдавая избыток энергии в пространство в виде излучения фотонов - частиц света. Работают сверхпроводящие квантовые компьютеры также на этих принципах, как и планы МГУ увеличить мощность квантовых систем.