Molekula lítia hélia LiHe je jednou z najkrehkejších známych molekúl. Jeho veľkosť je viac ako desaťkrát väčšia ako veľkosť molekúl vody.

Podmienená štruktúra atómov hélia (vľavo) a lítia (vpravo).
© Univerzita z Birminghamu

Ako je známe, neutrálne atómy a molekuly môžu medzi sebou vytvárať viac či menej stabilné väzby tromi spôsobmi. Po prvé, pomocou kovalentných väzieb, keď dva atómy zdieľajú jeden alebo viac spoločných elektrónových párov. Kovalentné väzby sú najsilnejšie z týchto troch. Charakteristická energia ich prasknutia sa zvyčajne rovná niekoľkým elektrónvoltom.

Výrazne slabšie kovalentné vodíkové väzby. Ide o príťažlivosť, ku ktorej dochádza medzi viazaným atómom vodíka a elektronegatívnym atómom inej molekuly (zvyčajne je takýmto atómom kyslík alebo dusík, menej často fluór). Aj keď tá energia vodíkové väzby stokrát menej ako kovalentné, sú to tie, ktoré do značnej miery určujú fyzikálne vlastnosti vody a tiež sa hrať zásadnú úlohu v organickom svete.

Napokon najslabšia je takzvaná van der Waalsova interakcia. Niekedy sa nazýva aj rozptýlený. Vzniká ako výsledok dipólovo-dipólovej interakcie dvoch atómov alebo molekúl. V tomto prípade môžu byť dipóly buď vlastné molekulám (napríklad voda má dipólový moment), alebo môžu byť indukované v dôsledku interakcie.

Podmienený diagram vysvetľujúci, ako vznikajú disperzné sily.
© Univerzita v Akrone

Charakteristickou energiou van der Waalsovej väzby sú jednotky kelvinov (vyššie uvedený elektrónvolt zodpovedá asi 10 000 kelvinom). Najslabšia z van der Waalsových hodnôt je väzba medzi dvoma indukovanými dipólmi. Ak existujú dva nepolárne atómy, potom v dôsledku tepelného pohybu má každý z nich určitý náhodne oscilujúci dipólový moment (elektrónový obal sa akoby mierne chveje vzhľadom na jadro). Tieto momenty, ktoré sa navzájom ovplyvňujú, majú v dôsledku toho prevažne také orientácie, že sa dva atómy začnú priťahovať.

Najinertnejší zo všetkých atómov je hélium. On nevstupuje Kovalentné väzby nie so žiadnym iným atómom. Zároveň je hodnota jeho polarizovateľnosti veľmi malá, to znamená, že je pre neho ťažké vytvárať rozptýlené väzby. Je tu však jedna dôležitá okolnosť. Elektróny v atóme hélia sú tak silne viazané jadrom, že ho možno bez strachu z odpudivých síl priviesť veľmi blízko k iným atómom – až do vzdialenosti rádovo polomeru tohto atómu. Rozptýlené sily rastú veľmi rýchlo so zmenšujúcou sa vzdialenosťou medzi atómami – nepriamo úmerné šiestej mocnine vzdialenosti!

Preto sa zrodila myšlienka: ak priblížite dva atómy hélia k sebe, napriek tomu medzi nimi vznikne krehké van der Waalsovo puto. To sa skutočne podarilo zrealizovať v polovici 90. rokov, hoci si to vyžadovalo značné úsilie. Energia takejto väzby je len 1 mK a molekula He₂ bola detegovaná v malých množstvách v podchladených héliových prúdoch.

Vlastnosti molekuly He₂ sú zároveň v mnohých smeroch jedinečné a nezvyčajné. Takže napríklad jeho veľkosť je ... asi 5 nm! Pre porovnanie, veľkosť molekuly vody je asi 0,1 nm. Zároveň minimálna potenciálna energia molekuly hélia dopadá na oveľa kratšiu vzdialenosť - asi 0,2 nm - väčšinu času - asi 80% - však atómy hélia v molekule strávia v režime tunelovania, teda v región, kde sa nachádzajú v rámci klasickej mechaniky nemohli.

Takto vyzerá molekula hélia.
Priemerná vzdialenosť medzi atómami ďaleko presahuje ich veľkosť.
© Institut für Kernphysik, J. W. Goethe Universität

Ďalším najväčším atómom po héliu je lítium, takže po získaní molekuly hélia bolo prirodzené študovať možnosť upevnenia spojenia medzi héliom a lítiom. V roku 2013 sa to vedcom konečne podarilo. Lítium-héliová molekula LiHe má vyššiu väzbovú energiu ako hélium-hélium - 34 ± 36 mK a vzdialenosť medzi atómami je naopak menšia - asi 2,9 nm. Avšak aj v tejto molekule sú atómy väčšinu času v klasicky zakázaných stavoch pod energetickou bariérou. Je zaujímavé, že potenciálny vrt pre molekulu LiHe je taký malý, že môže existovať iba v jednom vibračnom energetickom stave, čo je vlastne rozštiepenie dubletu v dôsledku rotácie atómu ⁷Li. Jeho rotačná konštanta je taká veľká (asi 40 mK), že excitácia rotačného spektra vedie k deštrukcii molekuly.

Potenciály diskutovaných molekúl (plné krivky) a modul na druhú vlnové funkcie atómy v nich (prerušované krivky). Body sú označené aj PM – potenciálne minimum, OTP – vonkajší bod obratu pre najnižšiu energetickú hladinu, MIS – vážená priemerná vzdialenosť medzi atómami.
© Brett Esry/Kansas State University

Doterajšie získané výsledky sú zaujímavé len zo zásadného hľadiska. Už teraz je však záujem súvisiacich oblastiach vedy. Héliové zhluky mnohých častíc sa teda môžu stať nástrojom na štúdium účinkov oneskorenia v Casimirovom vákuu. Štúdium interakcie hélium-hélium je dôležité aj pre kvantovú chémiu, ktorá by mohla otestovať svoje modely na tomto systéme. A samozrejme, niet pochýb o tom, že vedci prídu s ďalšími zaujímavými a dôležitými aplikáciami pre také extravagantné objekty, akými sú molekuly He₂ a LiHe.

Sme zvyknutí žiť v meniacom sa svete. Modely sa menia mobilné telefóny, vlády, klíma. Dokonca aj vesmír sa neustále rozširuje. Nové vychytávky aj premiéry sú však tvorené rovnakými prvkami, ktoré si pamätáme zo stola na stene chemickej miestnosti, no málokedy sa zamyslíme nad tým, ako vznikli. V raných fázach evolúcie Vesmír nemal väčšinu prvkov, z ktorých sme vy a ja, a v prvých okamihoch svojej existencie ani jeden z nich.

Náš vesmír sa zrodil veľmi horúci a okamžite sa začal rozpínať a chladnúť. Vysoká hustota a teplota znemožňujú existenciu akýchkoľvek zložitých útvarov. Preto vo veľmi mladom vesmíre nielenže neexistujú žiadne známe atómy, nielen ich jadrá, ale ani to najjednoduchšie jadro, vodík, teda jediný protón, nemôže dlho existovať. Hmota Vesmíru je vriacou „polievkou“ elementárnych častíc a kvánt žiarenia, ktoré sa plynule navzájom premieňajú podľa známeho vzorca teórie relativity E = mc 2 .

Aby sa protón cítil „pokojne“, vesmír sa musí ochladiť na teplotu, pri ktorej bude energia častíc menšia ako hmotnosť protónu. Až od tohto momentu má zmysel hovoriť o „chemickom zložení“ a spočiatku je to viac než jednoduché: ide o čistý vodík. Okrem protónov sú v hustej hmote prítomné aj elektróny a neutróny, obsah určujú podmienky rovnováhy: pri zrážke protónov a elektrónov sa rodia neutróny, ktoré sa potom spontánne rozpadajú na protóny a elektróny, zrážka neutrónu a pozitrón (antičastica elektrónu) dáva protón. Pri týchto reakciách sa vyžarujú aj neutrína, ktoré však pre nás teraz nie sú dôležité.

Potom prichádza epizóda v histórii vesmíru, v ktorej sa podmienky podobajú súčasnému stavu hmoty vo vnútri hviezd a vodík sa môže zmeniť na ťažšie prvky. Začína sa primárna nukleosyntéza – tvorba ťažkých prvkov z ľahších. To však netrvá dlho - iba niekoľko minút. Hustota a teplota látky rýchlo klesá, čo vedie k prudkému spomaleniu jadrových reakcií. Preto má čas objaviť sa len hélium a malé množstvo deutéria, lítia a berýlia.

Všetko to začína najjednoduchšou reakciou: protón sa spojí s neutrónom, čím sa vytvorí jadro deutéria - ťažký vodík. Po prijatí deutéria sa príroda naďalej „hrá na konštruktéra“, pokiaľ to hustota a teplota dovolia. Ak deutérium interaguje s protónom, získate hélium-3, ľahký izotop hélia obsahujúci dva protóny a jeden neutrón, a ak s neutrónom, trícium, superťažký izotop vodíka (jeden protón, dva neutróny). Ako vidíme, v jadrové reakciečastice vždy prichádzajú v pároch. Ide o to, že procesy, ktoré si vyžadujú súčasnú interakciu niekoľkých častíc, sú krajne nepravdepodobné, rovnako ako je nepravdepodobné, že by sme naraz v metre náhodou stretli dvoch bývalých spolužiakov, ktorí bez slova skončili na rovnakom mieste. Je ľahké uhádnuť, že v ďalšej fáze hélium-3 pridá ďalší neutrón (alebo trícium - protón) a vytvorí sa jadro hélia-4 pozostávajúce z dvoch protónov a dvoch neutrónov, jedného z najstabilnejších vo vesmíre. .

Toto jadro sa uvoľňuje pri mnohých reakciách a od fyzikov dokonca dostalo špeciálny názov - alfa častica. V mnohých prípadoch sa jadro hélia považuje za časticu a na chvíľu zabudne na komplex vnútorná štruktúra. Mohlo by sa zdať, že hélium-4 môže pokračovať v pridávaní protónov a neutrónov, ale žiadne také šťastie! Ďalšej komplikácii stoja v ceste dve vážne prekážky: v prírode neexistujú stabilné jadrá s hmotnosťou 5 a 8 jednotiek, teda pozostávajúce z piatich a ôsmich nukleónov (protónov a neutrónov). V akejkoľvek kombinácii piatich protónov a neutrónov sa jedna z častíc ukáže ako nadbytočná a je vymrštená z jadra, ktoré chce tvrdohlavo zostať alfa časticou. A aj keď sa pokúsite skombinovať šesť nukleónov naraz podľa jednej zo schém „hélium-3 + trícium“, „hélium-3 + hélium-3“, „hélium-4 + deutérium“, hélium-4 sa stále zvyčajne tvorí. a ďalší pár nukleónov je odmietnutý.

Preskočiť túto bariéru je možné iba vtedy, ak sa hélium-4 spojí s jadrom trícia a hélia-3. Potom sa rodí lítium-7 alebo berýlium-7. Tieto reakcie sú však neochotné, pretože elektrický náboj jadier hélia je dvakrát väčší ako elektrický náboj vodíka. Rovnako nabité častice sa navzájom odpudzujú a na ich vzájomné splynutie je potrebná vyššia energia zrážky, teda vyššia teplota. Medzitým je rýchla expanzia v prvých minútach po Veľkom tresku sprevádzaná poklesom teploty a hustoty hmoty – Vesmír prestáva byť „svojou vlastnou hviezdou“. V dôsledku toho sa tvorí veľmi málo lítia a berýlia. Proces fúzie nejde ďalej - prakticky neexistujú žiadni lovci na „útok“ na druhú bariéru (nestabilita jadra 8 nukleónov). A bez toho sa nemôžete dostať k uhlíku, najdôležitejšiemu atómu pre existenciu života.

Vesmír má len pár minút na to, aby sa zahral na konštruktéra protónov a neutrónov. Keď hra skončí, tri štvrtiny hmotnosti je obyčajný vodík a štvrtina je hélium-4 (preto astronómovia nazývajú všetky ostatné prvky ťažkými, ak nie vôbec „kovmi“). Stále existuje veľmi malé množstvo deutéria, hélia-3 a lítia (trícium a berýlium-7 sú nestabilné a čoskoro sa rozpadajú). Definovaním ich obsahu môžete získať veľmi dôležitá informácia o prvých minútach života Vesmíru, ale z takýchto materiálov žiaden alchymista nevyrobí nielen homunkula, ale ani kameň (ani nie filozofický, ale ten najobyčajnejší). Ale my existujeme! A Zem je. To znamená, že v prírode musia existovať nejaké tégliky, v ktorých sa tvorí uhlík, kyslík a kremík. Musíte len chvíľu počkať - niekoľko desiatok miliónov rokov ...

hviezdicový téglik

Po dlhých „dobách temna“ sa vo vesmíre rozsvietili prvé hviezdy. V ich hĺbkach, pri teplote asi 10 miliónov stupňov a hustote niekoľkonásobne vyššej ako má najhustejší kov na Zemi, opäť vznikajú podmienky pre hru na alchymistického konštruktéra – začína sa hviezdna nukleosyntéza. Spočiatku je táto hra veľmi podobná hre, ktorá sa hrala bezprostredne po zrode vesmíru. A predsa existujú určité rozdiely. Najprv v hviezdnej hmote nie sú takmer žiadne voľné neutróny (vo voľnom stave žijú len asi 15 minút), a preto pri zrážke dvoch protónov vzniká deutérium. Jeden z nich sa v procese fúzie zmení na neutrón a vyžaruje pozitrón - kladne nabitú antičasticu elektrónu - aby sa zbavil prebytočného náboja. V neprítomnosti neutrónov deutérium netvorí trícium. Deutérium sa rýchlo spája s iným protónom a mení sa na hélium-3. Priamy prechod z neho na hélium-4 zachytením neutrónu, ako v ranom vesmíre, je nemožný, ale existuje množstvo riešení.

Dve jadrá hélia-3 sa môžu zraziť a vytvoriť extrémne nestabilné jadro berýlia-6 (4 protóny + 2 neutróny), ktoré sa okamžite rozpadne na hélium-4 a pár protónov. Ďalšia možnosť je zložitejšia: pri reakciách hélia-3 a hélia-4 sa rodia jadrá berýlia a lítia s atómovou hmotnosťou 7. Pridaním ďalšieho protónu sa však stávajú nestabilnými (pamätajte - všetky jadrá 8 nukleónov sú extrémne nestabilné) a okamžite sa rozpadajú na dve jadrá hélium-4. Skrátka, všetky cesty vedú do Ríma.

Výsledkom ktoréhokoľvek z týchto procesov je premena štyroch protónov na jedno jadro hélia-4. Je dôležité, aby hmotnosť jadra hélia-4 bola o niečo (asi o 0,7 %) menšia ako hmotnosť štyroch protónov. Kam ide prebytočná hmota? V súlade s rovnakým vzorcom E \u003d mc 2 sa premení na energiu. Je to kvôli tomu, ako hovoria fyzici, hromadnému defektu, ktorým hviezdy svietia. A čo je dôležité, hviezdny termonukleárny reaktor sa dokáže sám regulovať: ak sa uvoľní príliš veľa energie, hviezda sa trochu roztiahne, látka sa ochladí a rýchlosť reakcie, ktorá je veľmi závislá od teploty, sa zníži. Ak je energie málo, dôjde k opačnému procesu. Výsledkom je, že hviezda si udržiava stabilnú teplotu na úrovni zodpovedajúcej pomerne nízkej rýchlosti reakcií. Preto hviezdy (aspoň niektoré z nich) žijú dostatočne dlho na to, aby umožnili biologickú evolúciu a vznik vysoko organizovaných bytostí, ako ste vy a ja.

Nakoniec sú zásoby vodíka vo hviezde vyčerpané. Musíme ísť ďalej a pamätáme si, že to nie je ľahké, pretože neexistujú žiadne stabilné jadrá s hmotnosťou 5 a 8. Ale príroda nájde cestu von. Keď si spomenieme na stretnutie spolužiakov v metre, môžeme povedať, že aj keď je extrémne nepravdepodobné, že by sa náhodou zrazili traja naraz, ak sa dvaja stretnú a nejaký čas spolu cestujú, tak šanca, že sa cestou pridá tretí zvýšiť. Niečo podobné sa deje pri jadrovom spaľovaní hélia. Na začiatku dve častice alfa, ktoré sa spájajú, vytvoria nestabilné jadro berýlia-8. Jeho životnosť je extrémne krátka, 3,10 -16 s (to je menej ako jedna milióntina jednej miliardtiny sekundy), ale pri dostatočne vysokej hustote a teplote aj tento malý interval stačí na to, aby iná alfa častica niekedy reagovala s berýliom. A - voila! — uhlík-12 osobne!

Potom môže uhlík zachytiť častice alfa a poskytnúť kyslík. Vo hviezdach sa teda rodia dva hlavné prvky potrebné pre vznik života. Premena uhlíka na kyslík je taká účinná, že vo vesmíre je dokonca o niečo viac uhlíka ako vo vesmíre. Ak by sa parametre jadrových častíc mierne líšili, takmer všetok uhlík by „shorel“ na kyslík, čo by spôsobilo, že život vo forme, ktorú poznáme, je extrémne vzácny alebo dokonca nemožný. Možno v niektorých iných vesmíroch sú častice usporiadané trochu inak a uhlíka je málo, ale potom tam nie sú žiadni pozorovatelia (aspoň ako my).

Jadrá, prvky a izotopy

Protóny a neutróny (súhrnne sa nazývajú nukleóny) nie sú elementárne častice v užšom zmysle slova. Pozostávajú z troch kvarkov pevne spojených silnou jadrovou silou. Nie je možné rozdeliť nukleón na samostatné kvarky: energia potrebná na to stačí na zrodenie nových kvarkov, ktoré po spojení s fragmentmi pôvodného nukleónu opäť vytvoria zložené častice. Silná interakcia nie je úplne uzavretá vo vnútri nukleónov, ale pôsobí aj v malej vzdialenosti od nich. Ak sa dva nukleóny, povedzme, protón a neutrón, priblížia k sebe, jadrové sily ich spoja a vznikne zložené atómové jadro – v tomto prípade deutérium (ťažký vodík). Kombináciou rôzneho počtu protónov a neutrónov môžete získať celú škálu jadier, ale nie každé z nich bude stabilné. Jadro s príliš veľkým množstvom protónov alebo neutrónov sa rozpadne skôr, ako sa správne vytvorí. Fyzici poznajú viac ako tri tisícky kombinácií protónov a neutrónov, ktoré môžu zostať spolu aspoň chvíľu. Existujú jadrá, ktoré žijú len krátky zlomok sekundy, iné - desiatky rokov a sú také, ktoré môžu čakať v krídlach miliardy rokov. A iba niekoľko stoviek jadier sa považuje za stabilných - ich rozpad nebol nikdy pozorovaný. Chemici zvyčajne nie sú takí precízni ako fyzici a nerozlišujú žiadne dve jadrá, ale iba rôzne prvky, teda jadrá s iné číslo protóny. V skutočnosti sa chemici do jadra vôbec nepozerajú, ale študujú iba správanie elektrónov, ktoré ho obklopujú v pokojnom prostredí. Ich počet sa presne rovná počtu protónov, vďaka čomu sú atómy elektricky neutrálne. Celkovo je dnes známych 118 prvkov, ale iba 92 z nich bolo nájdených v prírodné prostredie, zvyšok sa získava umelo v jadrových reaktoroch a urýchľovačoch. Väčšinu prvkov predstavujú jadrá s rôznym počtom neutrónov. Takéto variácie sa nazývajú izotopy. Pre niektoré prvky je známych až štyridsať izotopov, pri zmienke sa rozlišujú podľa počtu nukleónov v jadre. Napríklad urán-235 a urán-238 sú dva izotopy uránu prvku 92 so 143 a 146 neutrónmi. Väčšina izotopov každého prvku (a pre niektorých aj všetkých) je nestabilná a podlieha rádioaktívny rozpad. To robí izotopové zloženie dôležitým zdrojom informácií o histórii hmoty. Napríklad podľa pomeru rádioaktívne izotopy a ich produkty rozpadu určujú vek organických zvyškov, hornín, meteoritov a dokonca aj niektorých hviezd. Veľa však môže napovedať aj pomer stabilných izotopov. Napríklad klímu Zeme v dávnej minulosti určujú izotopy kyslíka -16 a -18 v sedimentoch antarktického ľadu: molekuly vody s ťažkým izotopom kyslíka sa z povrchu oceánu vyparujú menej rýchlo a v teplom podnebí je ich viac. Pre akékoľvek takéto izotopové štúdie je nevyhnutné, aby si skúmaná vzorka nevymieňala hmotu s prostredím od okamihu svojho vzniku.

Hry pre dospelých

Jednotlivé hviezdy sú dvakrát ľahšie ako naše Slnko, zastavte sa vo fáze syntézy hélia. Ťažšie hviezdy produkujú uhlík a kyslík a len tie najväčšie, s hmotnosťou viac ako 10 Slnka, môžu na konci svojho života pokračovať v hraní prvkov. Po vyčerpaní zásob hélia sa ich vnútorné oblasti zmenšujú, zahrievajú a začína sa v nich „spaľovanie“ uhlíka. Dve uhlíkové jadrá sa spoja a vytvoria neón a časticu alfa. Alebo sodík a protón. Alebo horčík a neutrón. Výsledné protóny a neutróny tiež nevyjdú nazmar. Pracujú pri premene uhlíka na dusík, kyslík a ďalej zachytávaním alfa častíc na neón, kremík, horčík a hliník. Takže už máme niečo, čo neskôr vytvoríme nebeskú klenbu zeme.

Po uhlíku začne neón „horieť“, a to „nesprávnym“ spôsobom: namiesto toho, aby sa okamžite spojil s nejakým iným jadrom a zväčšil svoju hmotnosť, neónové jadrá sa pôsobením obzvlášť energetických gama kvánt rozpadajú. na kyslík a alfa-častice. A potom výsledné alfa častice, ktoré interagujú s inými neónovými jadrami, poskytujú horčík. Výsledkom je, že pre dve neónové jadrá vzniká jedno kyslíkové a jedno horčíkové jadro.

Po vyčerpaní zásob neónu sa jadro hviezdy stáva kyslíkovo-horčíkovým, opäť sa stlačí, teplota stúpne a hra pokračuje. Teraz sa jadrá kyslíka, ktoré sa spájajú v pároch, menia na kremík alebo síru. Okrem toho sa objavuje nejaký argón, vápnik, chlór a ďalšie prvky.

Ďalším v poradí je kremík. Priamo sa dve jadrá kremíka nemôžu zlúčiť - kvôli veľkému náboju je elektrický odpor medzi nimi príliš veľký. Preto začne prebiehať mnoho rôznych reakcií zahŕňajúcich alfa častice. Pojem "spaľovanie kremíka" je dosť svojvoľný, pretože skutočne existuje veľa rôznych reakčných kanálov. V tejto fáze sa objavujú rôzne prvky až po železo.

Železo (a jemu blízky nikel) sa odlišuje od všetkých prvkov tým, že má maximálnu väzbovú energiu. Nukleóny sa nedajú zbaliť efektívnejšie: rozbitie železného jadra a vytvorenie ťažších jadier si vyžaduje energiu. Preto spočiatku nebolo jasné, ako by sa tvorba prvkov vo hviezdach mohla dostať za hranice železa, a existencia ťažkých jadier vo vesmíre, ako je zlato alebo urán, zostala úplne nevysvetliteľná. Prístup k vysvetleniu bol nájdený v polovici 50. rokov 20. storočia, keď boli naraz navrhnuté dva mechanizmy vzniku prvkov ťažších ako železo vo hviezdach. Obe sú založené na schopnosti jadier zachytávať neutróny.

Skvelí pomalí králi

Prvý z týchto mechanizmov sa nazýval pomalé zachytávanie neutrónov, alebo s-proces (z anglického slow – „pomalý“). Nastáva na konci života hviezd s hmotnosťou 1 až 3 hmotnosti Slnka, keď dosiahnu štádium červeného obra. Navyše tento proces neprebieha v hustom horúcom jadre hviezdy, ale vo vrstvách ležiacich nad nimi. V takýchto relatívne ľahkých hviezdach má obrie štádium dlhé trvanie, merané v desiatkach miliónov rokov, a to stačí na výraznú premenu hmoty.

Pomalosť s-procesu vyjadrená v názve je spôsobená tým, že prebieha dlhý čas pri nízkej koncentrácii neutrónov. Aj malé množstvo neutrónov však treba odniekiaľ odobrať – rezerva týchto častíc nemôže byť. V obrovských hviezdach existuje niekoľko typov reakcií, pri ktorých sa neutróny uvoľňujú. Napríklad uhlík-13, ktorý zachytáva časticu alfa, sa mení na kyslík-16 a je emitovaný neutrón. Voľné neutróny, keďže im neprekáža Coulombovo odpudzovanie, ľahko prenikajú do jadier atómov a zvyšujú ich hmotnosť. Pravda, ak je neutrónov priveľa, jadro stratí stabilitu a rozpadne sa. Ale keďže je v červených obroch málo voľných neutrónov, jadro má čas na to, aby sa mimozemšťana asimilovalo relatívne bezbolestne, pričom v prípade potreby vyžaruje elektrón. V tomto prípade sa jeden z neutrónov v jadre stane protónom a náboj jadra sa zvýši o jeden, čo zodpovedá premene jedného prvku na iný - ďalší v poradí v periodickej tabuľke. Týmto spôsobom možno získať veľmi ťažké prvky, ako je olovo a bárium. Alebo technécium. Svojho času objav tohto ťažkého a pomerne rýchlo sa rozpadajúceho prvku v atmosférach červených obrov niektorí vedci dokonca interpretovali ako dôkaz v prospech existencie mimozemských civilizácií! V skutočnosti je jednoducho vynášaný z čriev na povrch kvôli miešaniu hmoty.

Keď sa život takého červeného obra skončí, jeho jadro sa zmení na hustého bieleho trpaslíka a škrupina sa vďaka hviezdnemu vetru alebo vzniku planetárnej hmloviny rozptýli v okolitom priestore. Medzihviezdne médium sa teda dopĺňa ťažkými prvkami nahromadenými počas života hviezdy a to postupne chemické zloženie Galaxie sa vyvíjajú prostredníctvom hviezdnej nukleosyntézy. V čase vzniku Slnečnej sústavy už tento proces prebiehal 8 miliárd rokov a asi 1 % medzihviezdnej hmoty sa podarilo premeniť na ťažké prvky, z ktorých sa skladá najmä naša planéta.

Katalyzátory hviezdneho života

V masívnych hviezdach prebieha premena vodíka na hélium inak ako u trpasličích hviezd ako je Slnko. Pri teplote okolo 20 miliónov stupňov funguje takzvaný cyklus uhlík-dusík-kyslík (CNO). Uhlík v ňom hrá úlohu jadrového katalyzátora a pri reakciách sa nespotrebúva. Na to, aby reakcie boli účinné, stačí veľmi málo, no aj tak je cyklus CNO možný len vo hviezdach moderného chemického zloženia, ktorých látka bola už počas života predchádzajúcich generácií hviezd obohatená o uhlík. Uhlík-12 zachytáva protón a mení sa na dusík-13, ktorý emituje pozitrón na uhlík-13. Ďalej, zachytením dvoch protónov v rade sa najprv stane dusíkom-14 a potom kyslíkom-15. Opäť vyhodí pozitrón a zmení sa na dusík-15, ktorý sa po zrážke s už štvrtým protónom rozpadne na alfa časticu (to znamená jadro hélia) a uhlík-12. Výsledkom je, že sa vraciame k pôvodnému uhlíkovému jadru, ale po ceste premeníme 4 protóny na jadro hélia. Pravda, občas (v jednom z 880 prípadov) na posledný krok Cyklus dusíka-15 môže fúzovať s protónom za vzniku stabilného jadra kyslíka-16. To má za následok pomalú spotrebu uhlíkového katalyzátora.

Fénixov rád

Takmer všetky atómy vášho tela boli naraz v hlbinách hviezd. Mnohé z nich prežili katastrofické výbuchy supernov a niektoré navyše vznikli práve v momentoch takýchto výbuchov. My, ako fénix, sme sa narodili z popola, ale z popola hviezd. Výbuchy supernov sú veľmi dôležité, pretože oni efektívna metóda vrhnúť do vesmíru prvky nahromadené vo hviezde. Ak je výsledkom výbuchu, ako sa to najčastejšie stáva, neutrónová hviezda, premení sa na ňu iba relatívne malé jadro červeného obra, pozostávajúce najmä zo železa a niklu. Napríklad s počiatočnou hmotnosťou hviezdy 20 hmotností Slnka sa nie viac ako 7 % hmoty zmení na neutrónovú hviezdu, všetko ostatné je zmetené do vesmíru výbuchom a je k dispozícii na vytvorenie nových svietidiel.

Udržiavaním tohto kozmického obehu hmoty sa však úloha supernov nevyčerpáva. Práve pri výbuchu v nich môžu vzniknúť nové prvky. Na približne 10 sekúnd má novonarodená neutrónová hviezda čas stať sa „alchymistom“. Tesne pred výbuchom je štruktúra masívnej hviezdy ako cibuľa. Jadro je obklopené niekoľkými škrupinami, ktoré pozostávajú z postupne ľahších prvkov. Vo chvíli, keď sa jadro začne katastrofálne zmenšovať a mení sa na neutrónovú hviezdu alebo čiernu dieru, vlna explozívneho jadrového spaľovania prebieha smerom von pozdĺž vrstiev ležiacich nad stredom. V dôsledku toho sa chemické zloženie hmoty výrazne posúva smerom k ťažkým prvkom.

Predpokladá sa, že hviezdy s hmotnosťou od 12 do 25 hmotností Slnka najúčinnejšie obohacujú vesmír o ťažké prvky. Ich železné jadro je obklopené silným kremíkovo-kyslíkovým plášťom, ktorý po uvoľnení poskytuje prvky od sodíka po germánium (vrátane železa). V masívnejších hviezdach príliš veľa ťažkých vecí padá do čiernej diery a unikajú len dosť ľahké. Menšie hviezdy s hmotnosťou 8-12 hmotností Slnka takýto obal nemajú, a preto sa v nich tvorí málo prvkov skupiny železa. Ale ... objavujú sa oveľa ťažšie prvky.

Čerstvý neutrínový vietor

Keď monštruózne gravitačné sily stlačia jadro hviezdy, unavené odporom, jadrá atómov sú doslova stlačené dohromady. Elektróny, ktoré sa medzi nimi rútia, sú zachytené, sú vtlačené do jadier a spájajú sa s protónmi a menia ich na neutróny. V tomto prípade sa uvoľňujú neutrína - nepolapiteľné častice, ktoré zvyčajne ľahko preniknú cez celú hrúbku hviezdy a dostanú sa do vesmíru. V čase vzniku neutrónovej hviezdy je ich však toľko, že ich už nie je možné zanedbávať.

Existuje takzvaný neutrínový vietor. Rovnako ako tlak svetla v masívnych hviezdach spôsobuje, že hmota prúdi von vo forme hviezdneho vetra, neutrína odnášajú protóny a neutróny. Aj keď na začiatku nebolo neutrónov príliš veľa, objavujú sa ako výsledok reakcií medzi protónmi a neutrínami. V látke vzniká nadbytok neutrónov, ktoré môžu prenikať do jadier, čím vznikajú ďalšie a ďalšie ťažké izotopy. Vďaka obrovskému toku neutrónov sa nimi jadrá doslova presypú, čo ich robí extrémne nestabilnými a začnú sa veľmi rýchlo zbavovať prebytočnej neutronizácie – neutróny sa v nich menia na protóny. Ale akonáhle sa to stane, nové vlny neutrónov opäť privedú jadrá „na doraz“.

Celá táto bakchanália, trvajúca len niekoľko sekúnd, sa nazývala r-proces (z anglického rapid - „rýchly“). Jeho výsledkom sú jadrá všetkých hmôt až po tie najťažšie. Napríklad na odhalenie dôsledkov r-procesu sa často hľadajú stopy tak vzácneho prvku, akým je európium, keďže sa rodí s najväčšou pravdepodobnosťou len pomocou tohto mechanizmu. V r-procese vzniká napríklad platina a aktinidy - ťažké rádioaktívne prvky, medzi ktoré patrí najmä urán. Na odhad veku hviezd sa často používa ich relatívne zastúpenie izotopov, ako aj izotopov tória.

Taktiež vo vetre novozrodenej neutrónovej hviezdy môžu prebiehať reakcie za účasti nabitých častíc – protónov a jadier hélia – strhávaných prúdom neutrín. Takto vzniká zirkónium, striebro, jód, molybdén, paládium a mnohé ďalšie prvky. Teória všetkých týchto procesov je veľmi zložitá, pretože zároveň je potrebné počítať s mnohými efektmi, medzi ktorými ešte nie je celkom jasné. Navyše tu hovoríme nielen o astrofyzikálnych efektoch, ale aj o neistotách v rámci jadrovej fyziky – zďaleka nie o všetkých parametroch smerujúcich k tejto fáze reakcie sú dobre definované.

Spory vedcov pokračujú, či tento scenár môže tvrdiť, že je úplný: či je schopný vysvetliť zrod ťažkých prvkov v proporciách, ktoré pozorujeme. Výskum v tejto oblasti je preto v plnom prúde a možno zaujímavé objavy nás ešte len čakajú. Napríklad sa diskutuje o scenároch, v ktorých je hmota zachytená v supersilnej magnetické polia novorodenecké magnetary (magnetizované neutrónové hviezdy), umožňuje výrobu ťažkých prvkov v r-procese. Testovanie takýchto nápadov si vyžaduje sofistikované 3D superpočítačové výpočty, ktoré sa ešte musia vykonať.

Homunculus

A nakoniec, po miliardách rokov, sa v obrovskej retorte Vesmíru vytvorili podmienky, aby sa mohol objaviť homunkulus. Život, ako ho poznáme, nemohol vzniknúť počas prvej miliardy rokov potom veľký tresk- potom jednoducho nebolo dosť veľa potrebných prvkov.

Každá častica nášho tela prešla cez kozmický téglik. Niektoré z atómov vodíka mohli zostať nezmenené od „prvých troch minút“, ale väčšina jeho základných prvkov sa objavila vo hviezdach v štádiu stabilného termonukleárneho spaľovania. Mnohé jadrá vznikli počas výbuchov supernov. Iných vyhodili hviezdy v podobe čipky planetárnych hmlovín. Snáď nepatrný zlomok jadier súvisí so zrážkami kozmického žiarenia s látkou medzihviezdneho plynu, kedy prebiehajú tie najzaujímavejšie „štiepne reakcie“, pri ktorých rýchla častica vyraďuje jadrá ľahkých prvkov. Pre vzhľad človeka bolo potrebné celé „laboratórium“ vesmírneho alchymistu.

Zloženie hmoty vo vesmíre sa aj dnes pomaly mení: podiel prvkov ťažších ako hélium postupne narastá vďaka úsiliu biliónov hviezd. Pozorovania ukazujú, že hviezdy s vyššou „metalicitou“, teda obsahom prvkov ťažších ako hélium, častejšie vytvárajú planetárne systémy. To znamená, že doterajší chemický vývoj vesmíru uprednostňuje vznik inteligentných bytostí vytvorených z „hviezdnej hmoty“. A predsa stojí za to pripomenúť, že len malá časť hmoty vo vesmíre prechádza takýmto spracovaním. Vo všeobecnosti vodík zostane jeho najbežnejším prvkom, jednoducho preto, že nie všetka hmota sa môže dostať do hviezd (napríklad medzigalaktický plyn nemá takú perspektívu). Ak si pripomenieme, že aj táto látka tvorí päť percent sily na pozadí kolosálnej hmoty temná hmota a temná energia, vtedy pocítite, aké neskutočné šťastie má táto hrudka hmoty, ktorá sa dokázala rozhliadnuť a oceniť veľkosť okolitého vesmíru.

Lítium

hélium

Hélium zaujíma druhú pozíciu v periodickej tabuľke po vodíku. Atómová hmotnosť hélia je 4,0026. Je to inertný plyn bez farby. Jeho hustota je 0,178 gramu na liter. Hélium sa ťažšie skvapalňuje ako všetky známe plyny len pri teplote mínus 268,93 stupňov Celzia a prakticky nestuhne. Ochladené na mínus 270,98 stupňov Celzia získava hélium supratekutosť. Hélium vzniká najčastejšie v dôsledku rozpadu veľkých atómov. Na Zemi je distribuovaný v malom množstve, no na Slnku, kde dochádza k intenzívnemu rozpadu atómov, je hélia veľa. Všetky tieto údaje sú takpovediac pasové údaje a sú dobre známe.

Poďme sa zaoberať topológiami hélia a najprv určíme jeho rozmery. Vzhľadom na to atómová hmotnosť hélium je štyrikrát viac ako vodík a atóm vodíka je 1840-krát ťažší ako elektrón, dostaneme hmotnosť atómu hélia rovnajúcu sa 7360 elektrónom; celkový počet éterických guľôčok v atóme hélia je teda približne 22 000; dĺžka vlákna atómu a priemer pôvodného torusu sa rovná 7360 a 2300 éterickým guľôčkam. Aby sme si znázornili pomer hrúbky šnúry pôvodného torusu atómu hélia a jej priemeru, nakreslime si na list papiera perom kruh s priemerom 370 milimetrov a nechajme stopu z pero má šírku jednej tretiny milimetra; výsledný kruh nám dá uvedené znázornenie. Jeden elektrón (vstavané éterické guľôčky) zaberie na nakreslenom kruhu len 0,15 milimetra.

Skrútenie pôvodného torusu do hotovej formy atómu hélia prebieha nasledovne. Najprv sa kruh sploští do oválu, potom do tvaru činky, potom do osmičky a potom sa slučky osmičky rozvinú tak, aby došlo k prekrytiu. Mimochodom, prekrytie väčších atómov sa nevytvára, čo sa vysvetľuje skutočnosťou, že dĺžka šnúry na atóme hélia ešte nie je veľká, a keď majú stredy šnúry tendenciu sa približovať, okraje ( slučky) sú nútené sa rozvinúť. Ďalej sa okraje ohýbajú a začnú sa zbiehať.

Až do tohto bodu je topológia atómu hélia, ako vidíme, podobná topológii atómu izotopu vodíka - tríciu, ale ak trícium nemalo dostatočnú silu na uzavretie hrán (nebola dostatočná dĺžka jeho šnúra), potom sa héliové slučky pohybujú jedna na druhej a tým sa uzatvárajú. Na overenie spoľahlivosti spojenia slučiek stačí sledovať umiestnenie ich sacích strán: pre vnútornú slučku bude vonku a pre vonkajšiu slučku zvnútra.

Je veľmi vhodné znázorniť topológiu atómov vo forme drôtových modelov; na to stačí použiť stredne elastický, ale dostatočne plastický drôt. Atóm vodíka bude znázornený ako obyčajný kruh. Zväčšíme dĺžku kusu drôtu štvornásobne (toľkokrát je atóm hélia ťažší ako atóm vodíka), zvinieme ho do krúžku, prispájkujme konce a predvedieme postup krútenia atómu hélia. Pri krútení musíme neustále pamätať na to, že polomery ohybu by nemali byť menšie ako polomer kruhu, ktorý je atómom vodíka; je to akoby stav daný elasticitou šnúry - torusové mušle. (Pripomíname si, že v prírode bol minimálny polomer rovný 285 éterickým guličkám.) Akceptovaný minimálny polomer ohybu určuje topológiu všetkých atómov; a ešte niečo: dôsledkom rovnakých polomerov ohybu budú rovnaké veľkosti sacích slučiek (akási ich štandardizácia), a preto tvoria stabilnú valenciu, vyjadrenú schopnosťou spájať rôzne atómy navzájom. Keby slučky mali rôzne veľkosti, ich spojenie by bolo problematické.

Keď dokončíme proces krútenia drôteného modelu atómu hélia, zistíme, že prekrývajúce sa slučky nie sú tlačené jedna na druhú, kým sa nezastavia. Presnejšie, najradšej by sa krútili ešte ďalej, ale pružnosť šnúry to neumožňuje, teda podmienka minimálneho polomeru. A pri každom pokuse slučiek posunúť sa ešte ďalej, pružnosť šnúry ich odhodí späť; odrážajú sa, opäť sa ponáhľajú vpred a elasticita ich opäť hodí späť; v tomto prípade sa atóm hélia potom zmrští, potom rozkvitne, to znamená, že dôjde k pulzácii. Pulzácia zase vytvorí okolo atómu stojaté tepelné pole a urobí ho nadýchaným; tak sme došli k záveru, že hélium je plyn.

Ďalšie fyzikálne a chemické vlastnosti hélia možno vysvetliť aj na základe topológie. O jeho inertnosti svedčí napríklad to, že jeho atómy nemajú ani otvorené sacie slučky, ani sacie kanály: vôbec sa nedokáže spájať s inými atómami, preto je vždy atómový a prakticky netvrdne. Hélium nemá žiadnu farbu, pretože jeho atómy nemajú priame „znejúce“ časti šnúr; a supratekutosť vzniká akoukoľvek nedostatočnou viskozitou (zlepením atómov), zaobleným tvarom a malou veľkosťou atómu.

Rovnako ako vodík, ani atómy hélia nemajú rovnakú veľkosť: niektoré z nich sú väčšie, iné menšie a vo všeobecnosti zaberajú takmer celý hmotnostný priestor od vodíka (trícia) po lítium po héliu; menej odolné izotopy hélia sa, samozrejme, už dávno rozpadli, ale v súčasnosti je možné narátať ich viac ako sto.

V periodickej tabuľke je hélium lepšie umiestnené nie na konci prvej periódy - v rovnakom rade s vodíkom, ale na začiatku druhej periódy pred lítiom, pretože jeho atóm, rovnako ako atómy celého tohto obdobia, je jediná štruktúra (jediný glomerulus), zatiaľ čo ako atóm ďalšieho inertného plynu, neónu, už vyzerá ako párová štruktúra, podobná v tejto vlastnosti atómom tretej periódy.

Lítium zaberá tretie číslo v periodickej tabuľke; jeho atómová hmotnosť je 6,94; patrí medzi alkalické kovy. Lítium je najľahší zo všetkých kovov: jeho hustota je 0,53 gramu na centimeter kubický. Je strieborno-bielej farby s jasným kovovým leskom. Lítium je mäkké a ľahko sa krája nožom. Na vzduchu rýchlo stmieva a spája sa s kyslíkom. Teplota topenia lítia je 180,5 stupňov Celzia. Sú známe izotopy lítia s atómovými hmotnosťami 6 a 7. Prvý izotop sa používa na výrobu ťažkého izotopu vodíka, trícia; iný izotop lítia sa používa ako chladivo v kotloch jadrových reaktorov. Toto sú všeobecné fyzikálne a chemické údaje lítia.

Začnime opäť topológiu atómov lítia pochopením rozmerov pôvodného torusu. Teraz vieme, že všetci chemický prvok, vrátane lítia, existuje veľké množstvo izotopov, merané v stovkách a tisíckach; preto budú veľkosti atómov uvádzané od ... do .... Čo však tieto limity znamenajú? Dajú sa presne určiť? Alebo sú približné? A aký je pomer izotopov? Povedzme hneď: na položené otázky neexistujú jednoznačné odpovede; zakaždým je potrebné zasahovať do špecifickej topológie atómov. Pozrime sa na tieto problémy na príklade lítia.

Ako sme si všimli, prechod od protia k héliu z hľadiska topológie prebieha systematicky: so zväčšovaním veľkosti počiatočného torusu sa konečná konfigurácia atómov postupne mení. Ale fyzikálne a najmä chemické vlastnosti atómov pri prechode z protia na hélium sa menia viac než výrazne, skôr radikálne: od univerzálnej príťažlivosti próta až po úplnú inertnosť hélia. Kde, na akom izotope sa to stalo?

Takéto skoky vo vlastnostiach sú spojené so skokmi vo veľkosti izotopov. Veľký atóm vodíka (trícium), ktorý nadobúda tvar atómu hélia, sa ukáže ako rádioaktívny, teda krehký. Je to spôsobené tým, že jeho zakrivené okraje slučiek nedosahujú k sebe a možno si predstaviť, ako sa trepotajú a ponáhľajú sa k sebe. Pripomínajú ruky dvoch ľudí na rozdielnych člnoch, ktorí sa bezmocne snažia natiahnuť ruku a chytiť sa. Vonkajší éterický tlak bude tlačiť na konzoly vlajúcich slučiek atómov tak silno, že to nepovedie k dobru; po miernom dodatočnom stlačení zo strany sa konzoly odlomia - nevydržia ostrý ohyb kábla a atóm sa zrúti; tak sa to stáva. Preto môžeme povedať, že poklesy sú pozorované medzi izotopmi na hraniciach existujúcich fyzikálno-chemických prechodov: jednoducho tam neexistujú žiadne izotopy.

Podobná priepasť existuje medzi héliom a lítiom: ak atóm už nie je héliom, ale ešte nie lítiom, potom je krehký a dlho chýba v pozemských podmienkach. Preto je izotop lítia s atómovou hmotnosťou šesť, teda s torusovou šnúrou s dĺžkou 11 éterických guľôčok, veľmi vzácny a, ako už bolo povedané, používa sa na získanie trícia: je ľahké ho zlomiť, skrátiť a získať výsledkom je izotop vodíka.

Zdá sa teda, že sme sa rozhodli pre najmenšiu veľkosť atómu lítia: ide o 11 viazaných elektrónov. Pokiaľ ide o jeho hornú hranicu, je tu určitý háčik: faktom je, že podľa topológie sa atóm lítia príliš nelíši od atómu berýlia, ktorý za ním nasleduje (čoskoro to uvidíme) a neexistujú žiadne izotopy žiadneho prvku. žiadne zlyhanie. Hornú hranicu veľkosti atómu lítia preto zatiaľ nebudeme uvádzať.

Sledujme tvorbu atómu lítia. Počiatočný kruh novovytvoreného mikrovíru s rozmermi uvedenými vyššie bude mať tendenciu zmeniť sa na ovál; iba v lítii je ovál veľmi dlhý: približne 8-krát dlhší ako priemer zaoblenia konca (budúca slučka); je to veľmi pretiahnutý ovál. Začiatok zrážania atómu lítia je podobný rovnakému začiatku pre veľké atómy vodíka a pre hélium, ale potom nastáva odchýlka: osmička s prekrytím, teda s otočením slučiek, nenastane; ďalšie zbližovanie dlhých strán (šnúr) oválu až do úplného kontaktu je sprevádzané súčasným ohýbaním koncov smerom k sebe.

Prečo sa nevytvorí osmička s prekrytím? Predovšetkým preto, že ovál je veľmi dlhý a ani jeho úplné vychýlenie v činke, kým sa kordy nedotknú v strede, nespôsobí ich silné ohýbanie; preto je potenciál na zvrátenie extrémnych slučiek veľmi slabý. A po druhé, začiatok ohýbania koncov oválu do určitej miery pôsobí proti otočeniu. Inými slovami: aktívny moment síl, ktoré majú tendenciu otáčať koncové slučky, je veľmi malý a moment odporu voči otáčaniu je veľký.

Pre prehľadnosť použijeme gumené krúžky, napríklad tie, ktoré sa používajú v tesneniach strojov. Ak krúžok malého priemeru zovriete, určite sa skrúti do osmičky s presahom; a ak si vyberiete krúžok s veľkým priemerom, potom jeho zovretie, kým nebudú šnúry v úplnom kontakte, nespôsobí otáčanie koncových slučiek. Mimochodom: tieto gumené krúžky sú tiež veľmi vhodné na modelovanie topológie atómov; ak ich je samozrejme široká škála.

Ohýbanie koncov oválu je spôsobené, ako už vieme, narušením éteru medzi nimi: keď sa mierne vzdiali od ideálne rovnej polohy, budú už nútené priblížiť sa k úplnému kontaktu. Takže v rôzne strany konce sa nedajú ohnúť. Ale so smerom ohybu majú na výber: buď tak, že sacie strany koncových slučiek sú vonku, alebo vnútri. Prvý variant je pravdepodobnejší, pretože moment od síl odpudzovania rotujúcich plášťov šnúry od susedného éteru na vonkajších bodoch slučiek bude väčší ako na vnútorných.

Približujúce sa strany oválu sa veľmi skoro dostanú do kontaktu, oblúk šnúrok sa roztiahne od stredu ku koncom a zastaví sa až vtedy, keď sa na koncoch konečne vytvoria slučky s minimálnymi povolenými polomermi ohybu. Súbežne prebiehajúce ohyby a vzájomné zbiehanie týchto slučiek vedie ku kolízii ich vrcholov, po ktorej prichádzajú na rad ich sacie strany: sacie slučky sa ponoria hlboko; a proces tvorby konfigurácie atómu lítia je zavŕšený skutočnosťou, že posunuté slučky dosadajú svojimi vrcholmi na spárované šnúry presne v strede štruktúry. Vzdialene táto konfigurácia atómu pripomína srdce alebo presnejšie jablko.

Prvý záver naznačuje sám seba: atóm lítia začína, keď vrcholy párových primárnych slučiek, ktoré sa ponorili do štruktúry, dosiahnu šnúry v strede atómu. A predtým tu stále nebolo lítium, ale nejaký iný prvok, ktorý už nie je v prírode; jeho atóm bol mimoriadne nestabilný, veľmi silno pulzoval, preto bol našuchorený a patril k plynom. Ale atóm úplne pôvodného izotopu lítia (definovali sme ho ako pozostávajúci z 11 000 viazaných elektrónov) sa tiež ukázal byť málo pevný: polomery ohybu jeho slučiek sú limitujúce, to znamená, že elastické šnúry sú ohnuté na hranicu, a pri akomkoľvek vonkajšom náraze sú pripravené na prasknutie. Pri väčších atómoch je toto slabé miesto eliminované.

Reprezentujúc obraz atómu lítia na základe výsledkov topológie, je možné vyhodnotiť, čo sa stalo. Dve primárne slučky sa uzavreli a neutralizovali a sekundárne slučky na oboch stranách primárnych slučiek boli tiež neutralizované. Spárované šnúry vytvorili drážku a táto drážka prebieha pozdĺž celého obrysu atómu - je akoby uzavretá do krúžku - a jej sacia strana sa ukázala ako vonkajšia. Z toho vyplýva, že atómy lítia sa môžu spájať medzi sebou a s inými atómami len pomocou svojich nasávacích drážok; atóm lítia nemôže tvoriť slučkovú molekulovú zlúčeninu.

Silne konvexné nasávacie žľaby atómov lítia môžu byť navzájom spojené len v krátkych úsekoch (teoreticky bodovo), a preto sa priestorová štruktúra navzájom spojených atómov lítia ukazuje ako veľmi voľná a riedka; preto nízka hustota lítia: je takmer dvakrát ľahšie ako voda.

Lítium - kov; jeho kovové vlastnosti vyplývajú zo zvláštností tvarov jeho atómov. Dá sa to povedať aj inak: tie špeciálne vlastnosti lítia, ktoré sú spôsobené špeciálne formuláre jeho atómy, a vďaka ktorým sa fyzikálne a chemicky líši od iných látok, sa nazývajú kovové; Pozrime sa na niektoré z nich:

• elektrická vodivosť: vzniká zo skutočnosti, že atómy majú prstencový tvar zo spárovaných povrazov, vytvárajú sacie žľaby, otvorené smerom von, objímajú atómy pozdĺž obrysu a uzatvárajú sa do seba; elektróny prilepené na tieto drážky sa môžu po nich voľne pohybovať (ešte raz si pripomíname, že ťažkosti vznikajú, keď sú elektróny oddelené od atómov); a keďže sú atómy navzájom spojené rovnakými drážkami, potom majú elektróny schopnosť preskakovať z atómu na atóm, čiže pohybovať sa po tele;

• tepelná vodivosť: elasticky zakrivené šnúry atómu tvoria mimoriadne tuhú elastickú štruktúru, ktorá prakticky nepohlcuje nízkofrekvenčné veľkoamplitúdové (tepelné) rázy susedných atómov, ale prenáša ich ďalej; a ak by nedochádzalo k možným poruchám ich kontaktov (dislokácií) v hrúbke atómov, potom by sa tepelná vlna šírila veľkou rýchlosťou;
• brilantnosť: vysokofrekvenčné dopady svetelných vĺn éteru s nízkou amplitúdou sa ľahko odrážajú od intenzívne zakrivených povrazov atómov a odchádzajú, pričom sa riadia zákonmi odrazu vĺn; atóm lítia nemá rovné časti šnúr, preto nemá svoj vlastný „zvuk“, to znamená, že nemá vlastnú farbu – lítium je teda striebristo biele so silným leskom na úsekoch;
• plasticita: zaoblené atómy lítia môžu byť navzájom spojené akýmkoľvek spôsobom; môžu sa bez toho, aby sa zlomili, prevaliť cez seba; a to je vyjadrené v skutočnosti, že telo vyrobené z lítia môže zmeniť svoj tvar bez straty svojej celistvosti, to znamená byť plastové (mäkké); v dôsledku toho sa lítium reže bez väčších ťažkostí nožom.

Na príklade známych fyzikálnych vlastností lítia je možné objasniť samotný pojem kovu: kov je látka zložená z atómov s ostro zakrivenými šnúrami tvoriacimi tvarované sacie žľaby otvorené von; atómy výrazných (alkalických) kovov nemajú otvorené sacie slučky a rovné alebo hladko zakrivené časti kordu. Lítium sa preto za normálnych podmienok nemôže spájať s vodíkom, pretože atóm vodíka je slučka. Ich spojenie môže byť len hypotetické: v hlbokom chlade, keď vodík tuhne, sa jeho molekuly môžu spájať s atómami lítia; ale všetko ukazuje, že ich zliatina by bola mäkká ako samotné lítium.

Zároveň objasňujeme pojem plasticity: plasticita kovov je určená skutočnosťou, že ich zaoblené atómy sa môžu otáčať cez seba, meniť vzájomnú polohu, ale bez straty vzájomných kontaktov.

Berýlium zaujíma štvrtú pozíciu v periodickej tabuľke. Jeho atómová hmotnosť je 9,012. Je to svetlosivý kov s hustotou 1,848 gramu na kubický centimeter a teplotou topenia 1284 stupňov Celzia; je tvrdý a zároveň krehký. Konštrukčné materiály na báze berýlia sú ľahké, pevné a odolné voči vysokým teplotám. Zliatiny berýlia, ktoré sú 1,5-krát ľahšie ako hliník, sú však pevnejšie ako mnohé špeciálne ocele. Zachovávajú si svoju pevnosť až do teploty 700 ... 800 stupňov Celzia. Berýlium je odolné voči žiareniu.

Z hľadiska fyzikálnych vlastností, ako je vidieť, je berýlium veľmi odlišné od lítia, no z hľadiska topológie atómov sú takmer na nerozoznanie; jediný rozdiel je v tom, že atóm berýlia je akoby „šitý s okrajom“: ak atóm lítia pripomína tesný oblek školáka na dospelom, potom je atóm berýlia naopak priestranným oblekom. dospelý na detskú postavu. Prebytočná dĺžka vlákna atómu berýlia s rovnakou konfiguráciou s lítiom vytvára jemnejší obrys s polomermi ohybu presahujúcimi minimálne kritické. Takáto „rezerva“ zakrivenia pre atómy berýlia umožňuje ich deformáciu až po dosiahnutie hranice ohybu vlákna.

Topologická podobnosť atómov lítia a berýlia naznačuje, že medzi nimi neexistuje jasná hranica; a nie je možné povedať, ktorý je najväčší atóm lítia a ktorý najmenší atóm berýlia. Ak sa zameriame iba na tabuľkovú atómovú hmotnosť (a tá spriemeruje všetky hodnoty), môžeme predpokladať, že šnúra stredne veľkého atómu berýlia pozostáva z približne 16 500 viazaných elektrónov. Horná hranica veľkosti atómov izotopu berýlia spočíva na minimálnej veľkosti atómu nasledujúceho prvku - bóru, ktorého konfigurácia sa výrazne líši.

Okraj zakrivenia povrazov atómov berýlia ovplyvňuje predovšetkým ich vzájomné spojenie v momente tuhnutia kovu: nepriliehajú k sebe krátkymi (bodkovanými) úsekmi ako v lítiu, ale dlhými hranicami; obrysy atómov sa takpovediac navzájom prispôsobujú, deformujú sa a priľnú k sebe maximálnym možným spôsobom; takže tieto spojenia sú veľmi silné. Atómy berýlia tiež vykazujú svoju posilňovaciu schopnosť v zlúčeninách s atómami iných kovov, to znamená v zliatinách, v ktorých sa berýlium používa ako prísada do ťažkých kovov: vyplňujú dutiny a lepia sa svojimi pružnými drážkami k atómom základného kovu, atómov berýlia držia ich pohromade ako lepidlo, vďaka čomu je zliatina veľmi odolná. Z toho teda vyplýva pevnosť kovov je určená dĺžkami zlepených častí sacích žľabov atómov: Čím dlhšie sú tieto časti, tým je kov pevnejší. K deštrukcii kovov dochádza vždy pozdĺž povrchu s najkratšími lepivými časťami.

Medzera pre polomery ohybu kordov atómov berýlia umožňuje ich deformáciu bez zmeny spojov medzi nimi; v dôsledku toho sa celé telo deformuje; ide o elastickú deformáciu. Je elastický, pretože v akomkoľvek počiatočnom stave majú atómy najmenej namáhané formy a keď sú deformované, sú nútené znášať nejaké „nepríjemnosti“; a akonáhle deformačná sila zmizne, atómy sa vrátia do svojich pôvodných, menej namáhaných stavov. teda pružnosť kovu je určená nadmernou dĺžkou povrazov jeho atómov, čo umožňuje ich deformáciu bez zmeny oblastí prepojenia.

Elasticita berýlia súvisí s jeho tepelnou odolnosťou; vyjadruje sa v skutočnosti, že tepelné pohyby atómov sa môžu vyskytnúť v medziach elastických deformácií, ktoré nespôsobujú zmenu zlúčenín atómov medzi sebou; tak vo všeobecnosti určuje sa tepelná odolnosť kovu ako aj elasticitu, nadmerné dĺžky povrazov jeho atómov. Zníženie pevnosti kovu pri vysokom ohreve sa vysvetľuje skutočnosťou, že tepelné pohyby jeho atómov znižujú oblasti ich vzájomných spojení; a keď tieto oblasti úplne zmiznú, kov sa roztopí.

Elasticita berýlia je sprevádzaná jeho krehkosťou. Krehkosť možno vo všeobecnosti považovať za opak plasticity: ak je plasticita vyjadrená v schopnosti atómov meniť svoje vzájomné polohy pri zachovaní spojovacích plôch, potom sa krehkosť prejavuje predovšetkým v tom, že atómy nie sú mať takúto možnosť. Akékoľvek vzájomné premiestňovanie atómov krehkého materiálu môže nastať len vtedy, keď sú ich väzby úplne prerušené; tieto atómy nemajú žiadne iné varianty zlúčenín. V elastických materiáloch (v kovoch) je krehkosť charakteristická aj tým, že je to akoby skákanie: prasklina, ktorá vznikla v dôsledku nadmerného namáhania, sa šíri rýchlosťou blesku po celom priereze tela. Pre porovnanie: tehla pod údermi kladiva sa môže rozpadnúť (to je tiež krehkosť), ale nie rozdeliť. „Skoková“ krehkosť berýlia sa vysvetľuje tým, že jeho atómy nie sú najlepšie prepojené a všetky sú namáhané; a akonáhle sa preruší jedna väzba, hraničné atómy sa rýchlo začnú „narovnávať“ na úkor spojení so svojimi susedmi; väzby toho druhého sa tiež začnú rúcať; a tento proces bude mať reťazový charakter. teda krehkosť elastických kovov závisí od stupňa deformácie prepojených atómov a od neschopnosti meniť väzby medzi nimi.

Odolnosť berýlia voči žiareniu sa vysvetľuje rovnakou rezervou vo veľkosti jeho atómov: šnúra atómu berýlia má schopnosť pružiť pri náraze tvrdého žiarenia, pričom nedosiahne svoje kritické zakrivenie, a tým zostane neporušená.

A svetlošedá farba berýlia a neprítomnosť jasného kovového lesku, ako je napríklad lítium, sa dajú vysvetliť rovnakým spôsobom: svetelné vlny éteru dopadajúce na nepevné vlákna povrchových atómov berýlia, sú nimi absorbované a iba časť vĺn sa odráža a vytvára rozptýlené svetlo.

Hustota berýlia je takmer štyrikrát väčšia ako hustota lítia len preto, že hustota povrazov jeho atómov je vyššia: nie sú navzájom spojené v bodoch, ale v dlhých úsekoch. Zároveň je berýlium vo svojej súvislej hmote dosť sypká látka: je len dvakrát hustejšia ako voda.

Vedcom sa podarilo získať a zaregistrovať lítium-héliovú molekulu LiHe. Je to jedna z najkrehkejších známych molekúl. A jeho veľkosť je viac ako desaťkrát väčšia ako veľkosť molekúl vody.

Ako je známe, neutrálne atómy a molekuly môžu medzi sebou vytvárať viac či menej stabilné väzby tromi spôsobmi. Po prvé, pomocou kovalentných väzieb, keď dva atómy zdieľajú jeden alebo viac spoločných elektrónových párov. Kovalentné väzby sú najsilnejšie z týchto troch. Charakteristická energia ich prasknutia sa zvyčajne rovná niekoľkým elektrónvoltom.

Výrazne slabšie kovalentné vodíkové väzby. Ide o príťažlivosť, ku ktorej dochádza medzi viazaným atómom vodíka a elektronegatívnym atómom inej molekuly (zvyčajne je takýmto atómom kyslík alebo dusík, menej často fluór). Napriek tomu, že energia vodíkových väzieb je stokrát menšia ako kovalentných väzieb, práve ony do značnej miery určujú fyzikálne vlastnosti vody a zohrávajú kľúčovú úlohu aj v organickom svete.

Napokon najslabšia je takzvaná van der Waalsova interakcia. Niekedy sa nazýva aj rozptýlený. Vzniká ako výsledok dipólovo-dipólovej interakcie dvoch atómov alebo molekúl. V tomto prípade môžu byť dipóly buď vlastné molekulám (napríklad voda má dipólový moment), alebo môžu byť indukované ako výsledok interakcie.

Charakteristickou energiou van der Waalsovej väzby sú jednotky kelvinov (vyššie uvedený elektrónvolt zodpovedá asi 10 000 kelvinom). Najslabšia z van der Waalsových hodnôt je väzba medzi dvoma indukovanými dipólmi. Ak existujú dva nepolárne atómy, potom v dôsledku tepelného pohybu má každý z nich určitý náhodne oscilujúci dipólový moment (elektrónový obal sa akoby mierne chveje vzhľadom na jadro). Tieto momenty, ktoré sa navzájom ovplyvňujú, majú v dôsledku toho prevažne také orientácie, že sa dva atómy začnú priťahovať.

Najinertnejší zo všetkých atómov je hélium. Nevstupuje do kovalentných väzieb so žiadnym iným atómom. Zároveň je hodnota jeho polarizovateľnosti veľmi malá, to znamená, že je pre neho ťažké vytvárať rozptýlené väzby. Je tu však jedna dôležitá okolnosť. Elektróny v atóme hélia sú tak silne viazané jadrom, že ho možno bez strachu z odpudivých síl priviesť veľmi blízko k iným atómom – až do vzdialenosti rádovo polomeru tohto atómu. Rozptýlené sily rastú veľmi rýchlo so zmenšujúcou sa vzdialenosťou medzi atómami – nepriamo úmerné šiestej mocnine vzdialenosti!

Preto sa zrodila myšlienka: ak priblížite dva atómy hélia k sebe, napriek tomu medzi nimi vznikne krehké van der Waalsovo puto. To sa skutočne podarilo zrealizovať v polovici 90. rokov, hoci si to vyžadovalo značné úsilie. Energia takejto väzby je len 1 mK a molekula He2 bola detegovaná v malých množstvách v podchladených héliových prúdoch.

Vlastnosti molekuly He2 sú zároveň v mnohých ohľadoch jedinečné a nezvyčajné. Takže napríklad jeho veľkosť je ... asi 5 nm! Pre porovnanie, veľkosť molekuly vody je asi 0,1 nm. Zároveň minimálna potenciálna energia molekuly hélia dopadá na oveľa kratšiu vzdialenosť - asi 0,2 nm - väčšinu času - asi 80% - však atómy hélia v molekule strávia v režime tunelovania, teda v región, kde sa nachádzajú v rámci klasickej mechaniky nemohli.

Ďalším najväčším atómom po héliu je lítium, takže po získaní molekuly hélia bolo prirodzené študovať možnosť upevnenia spojenia medzi héliom a lítiom. A teraz sa to vedcom konečne podarilo. Lítium-héliová molekula LiHe má vyššiu väzbovú energiu ako hélium-hélium - 34 ± 36 mK a vzdialenosť medzi atómami je naopak menšia - asi 2,9 nm. Avšak aj v tejto molekule sú atómy väčšinu času v klasicky zakázaných stavoch pod energetickou bariérou. Je zaujímavé, že potenciálny vrt pre molekulu LiHe je taký malý, že môže existovať iba v jednom vibračnom energetickom stave, čo je vlastne rozštiepenie dubletu v dôsledku rotácie atómu 7Li. Jeho rotačná konštanta je taká veľká (asi 40 mK), že excitácia rotačného spektra vedie k deštrukcii molekuly.

Brett Esry/Kansas State University

Doterajšie získané výsledky sú zaujímavé len zo zásadného hľadiska. Už teraz sú však predmetom záujmu príbuzných vedných odborov. Héliové zhluky mnohých častíc sa teda môžu stať nástrojom na štúdium účinkov oneskorenia v Casimirovom vákuu. Štúdium interakcie hélium-hélium je dôležité aj pre kvantovú chémiu, ktorá by mohla otestovať svoje modely na tomto systéme. A samozrejme, niet pochýb, že vedci prídu s ďalšími zaujímavými a dôležitými aplikáciami pre také extravagantné objekty, akými sú molekuly He2 a LiHe.

Lítium – hélium. Svet jadra chemického prvku.

Obrázok 7 z prezentácie "Svet chémie" na hodiny chémie na tému "Chémia"

Rozmery: 960 x 720 pixelov, formát: jpg. Na stiahnutie obrázku zadarmo lekcia chémie, kliknite pravým tlačidlom myši na obrázok a kliknite na „Uložiť obrázok ako...“. Ak chcete zobraziť obrázky na lekcii, môžete si tiež bezplatne stiahnuť prezentáciu "Svet chémie.ppt" so všetkými obrázkami v archíve zip. Veľkosť archívu - 13988 kB.

Stiahnite si prezentáciu

Chémia

"História chémie" - Agricola Mining. (Zloženie sa mení, pretože sa získavajú nové látky - korózia). Účel: oboznámenie sa s fyzikálnymi a chemickými javmi, históriou vývoja chémie. Periodický zákon chemických prvkov z roku 1869. Konsolidácia. reformátori. M 6. Tvorba hmly. Chemický. B 2. Rozpad rastlinných zvyškov.

"Svet chémie" - N. Analytická chémia. Transformácia látok a tie, v dôsledku ktorých vznikajú nové látky. Vyplnil učiteľ chémie MOU SOŠ č. 24 (st. E. Svet zlúčenín. Síra. Kríž a nula c). Vodík. Kríž a nula a). Žijeme vo svete látok vybudovaných z atómov. v organickom svete. Suvorosvskaja) Gaščenko Nikolaj Grigorievič.

"Nanotechnológie" - Nanomedicína. fulerény. Úvod. Vytváranie "bezdefektných" vysokopevnostných materiálov, materiálov s vysokou vodivosťou; III. Na tento moment bol získaný y-tranzistor na báze nanorúrky a nanodiódy. Nanorúrky. Model pamäte s vysokou hustotou bol vyvinutý Ch. Diamantová pamäť pre počítače. Časť III. Charakteristická veľkosť atómu je niekoľko desatín nanometra.

"Analytická chémia" - Plán správy. Shirokova V.I., Kolotov V.P., Alenina M.V. Problémy harmonizácie terminológie analytickej chémie. Iupac, gost, iso. Zásady harmonizácie terminológie. (Federácia európskych chemických spoločností). Analytická chémia (definícia). V.I.Vernadsky RAS.

"Vývoj chémie" - Doplnil: Uralbayeva K.A. Astana, 1. skupina. Eichi Negishi. Akira Suzuki. Anglickí chemici A. Todd a D. Brown zdôvodnili základný princíp štruktúry RNA. Van't Hoff Jacob Hendrik (30.8.1852 - 1.3.1911). Richard Heck. Narodil sa 13. augusta 1918 v Anglicku. Frederick Sanger. Koloidná chémia sa stala samostatnou disciplínou, ktorá vznikla na hranici fyziky a chémie.

"Predmet chémie" - Pevná látka. Premeny látok. Najznámejším alchymistom v Európe bol Albert von Bolstat (Veľký). Látky tvorené atómami jedného chemického prvku sa nazývajú jednoduché. Štúdium chémie. Vyberte atribúty pre nasledujúce látky: MEĎ, ŽELEZO, HLINA. Dá sa spracovať ručne. Beztvarý. Látka - molekula - atóm.

Spolu v téme 31 prezentácií