ЛЕКЦИЯ 1, ГЛАВА 3: МАТЕРИЯ Около 20 миллиардов лет назад взорвался «пра-атом» — большое…

ЛЕКЦИЯ 1, ГЛАВА 3: МАТЕРИЯ

Около 20 миллиардов лет назад взорвался «пра-атом» — большое скопление плотно спрессованных частиц диаметром около 4 световых лет: произошел так называемый «пра-взрыв» (с тех пор мир расширяется с равномерным ускорением — как воздушный шар, который надувают все больше и больше; на нашем рисунке внешний круг, который должен изображать край Вселенной соответствует оболочке шара). Уже в первую секунду возникли при температуре в 100 миллиардов градусов первые, еще немногочисленные элементарные частицы: нейтроны, протоны, а также миллиарды электронов, фотонов (световые частицы) и нейтрино.

Все частицы связаны друг с другом через обменные взаимодействия. взаимодействие — отмечается у ядерных сил, которые удерживают протоны и нейтроны в ядре атома, в то время как второе по силе, электромагнитное взаимодействие отмечается у всех электрически заряженных элементарных частиц (как, например, у электрона), ‘а также у электрически нейтральных частиц, которые обладают магнитным моментом, таких как фотоны. Слабое взаимодействие ответственно за относительно медленный распад таких частиц, как нейтроны, а также за все реакции, в которых участвуют нейтрино. Гравитационное взаимодействие как слабейшая Сила, действует между всеми элементарными частицами, включая фотоны. Не только сила обменного взаимодействия (соотношение их относительной силы — составляет в вышеперечисленном порядке: 1 : 10-2 : 10-13: 10-38) разнится, но также и радиус их действия очень различен. В то время как электромагнитное и гравитационное взаимодействия достигают бесконечно большого радиуса действия, сильное взаимодействие отличается только на расстоянии максимум 10-15 м (это миллионная доля одной миллиардной метра!), слабое взаимодействие — только на 10-16 м.

Эти четыре взаимодействия предположительно являются проявлениями одной единственной силы, и ответственны за структурное строение Вселенной.

Так, благодаря электромагнитному взаимодействию, электрически заряженные протоны в состоянии привязывать к себе по одному негативно заряженному электрону, посредством чего уравновешивается электрический заряд обеих частиц. Если обе частицы связаны друг с другом, то они образуют атом. Протоны в 2000 раз тяжелее электронов, поэтому они составляют центр массы атома, который • называется атомным ядром, через центробежную силу они «принуждают электроны двигаться вокруг себя по круговой орбите в форме розетки.
На рисунке 8 мы видим символическое изображение атома водорода, простейшего атома из всех существующих, который состоит из одного протона как ядра атома и одного электрона, который вращается вокруг него. Атомы водорода были первыми химическими элементами, которые образовались в молодой Вселенной и они составляют и сегодня 90% всех основных единиц строения (ОЕС) материи, имеющейся во Вселенной, 9% ОЕС состоят из гелия; 1% — из тяжелых химических элементов (вплоть до урана, самого тяжелого элемента в природе), которые образовались в процессе ядерного синтеза из атомов водорода.

Этот процесс происходил следующим образом: огромное облако из атомов водорода, которое заполнило Вселенную после правзрыва, распалось на бесчисленные маленькие уплотнения, которые притягивались друг к другу и образовывали звезды. Эти празвезды. состоявшие в то время из огромных шаров атомов водорода, стягивались все плотнее, из-за чего давление и температура внутри их постоянно повышались. Когда температура достигла нескольких миллиардов градусов, электроны атомов водорода оторвались от своих ядер, из-за чего внутри звезд возникла смесь, горячая, плотная и кипящая, состоявшая из свободных протонов и электронов.

Благодаря высоким скоростям, с которыми протоны сталкивались друг с другом, было преодолено электромагнитное взаимодействие, которое принуждает одинаково заряженные частицы отталкиваться друг от друга. Поэтому каждые два протона смогли образовать одно ядро тяжелого водорода (ядро дейтерия). При этом один протон при . потере одного позитрона (электрически положительно заряженная античастица электрона) превратился в нейтрон. Обе частицы удерживались теперь благодаря сильному взаимодействию. Во второй фазе этого ядерного синтеза возникли затем при соединении двух ядер дейтерия ядра гелия, каждое с двумя протонами и двумя нейтронами, а в следующей фазе — ядра углерода.

На рисунке 9 изображены схематически эти процессы.

Таким же образом, как ядра углерода, возникли путем ядерного синтеза и другие элементы внутри звезд. Так, например, 14 ядер водорода могут построить одно ядро азота, 16 — ядро кислорода и 56 — ядро железа. В течение миллиардов лет истории Вселенной в супер-горячих печах внутри звезд «сварились» 92 различных вида ядер атома, причем последним возникло самое тяжелое ядро — урана — с 92 протонами и 146 нейтронами. Эти процессы идут еще и сегодня и будут продолжаться еще многие миллиарды лет.

Происходит так, что при возникновении звезд — одни из них образуются из особенно больших масс водорода, а другие — от рождения очень малы. Мы можем себе хорошо представить,»что именно у больших звезд процессы, приводят к образованию тяжелых ядер атома, протекают особенно бурно.

Эти звезды склонны к тому, что в определённый момент становятся нестабильными: однажды они взрываются и становятся так называемой сверхновой. Материал этих взорвавшихся звезд разбрасывается на обширные пространства Вселенной. В нём находятся, кроме огромного количества ядер углерода, также ядра атомов других тяжелых элементов, как кислорода, магния, железа и золота.
При возникающем при этом понижении температуры и давления ядра атомов получают возможность, в результате электромагнитного взаимодействия, связываться со ставшими во время взрыва также свободными электронами, посредством чего возникают атомы, которые в своем составе имеют равное количество протонов и электронов. На рисунке 10 мы видим по одному атому водорода, гелия и углерода, изображенных схематически.
После сотен миллионов подобных взрывов звезд находились среди атомов в космосе некоторые следы тяжелых элементов. Процессы, которые сформировали звезды первого поколения, происходят и сегодня.
Газ водород, в котором находятся некоторые следы тяжелых элементов, затем уплотняется в новые молодые звезды. Эти звезды второго поколения содержат, хотя иногда и в совсем ничтожной примеси, атомы углерода — составную часть жизни.
И наше Солнце является звездой второго поколения. Его огромное газовое тело состоит в основном из водорода, который составляет 70% массы Солнца, остальные 30% состоят из атомов гелия (29%) и только 1% — из ядер тяжелых элементов, из которых на углерод приходится Водород только незначительная часть. Таким же образом, как Солнце образовало себя из огромного облака газа, возникли и другие планеты, включая Землю. Так как Солнце со своей планетной системой относится ко второму поколению небесных тел, в их газовой массе находилось уже значительное количество тяжелых элементов, всего 92. Среди них такие газы, как водород, кислород и азот, жидкости — бром и ртуть и твердые вещества — углерод, железо, золото и уран.

Известно, что существует гораздо больше веществ, чем эти 92 элемента, которые возникают внутри звезд и которые являются основными химическими единицами строения для всей материи. Путем синтеза (объединения) могут возникать самые различные соединения, которые затем удерживаются вместе электромагнитным взаимодействием. Возникающие при этом тела из двух или больше атомов, которые представляют из себя основную химическую единицу соединения, называются молекулами.
Нетрудно представить, что таким образом может быть построено почти неограниченное многообразие различных веществ. Если, например, соединяются атомы кислорода с атомами водорода, то получается вода, соединение натрия и хлора дает пищевую соль, а соединения магния и кислорода — это магнезия, которая используется гимнастами для высушивания внутренней поверхности рук. На рисунке 11 мы видим эти три молекулы в схематическом изображении.

Подводя итоги, мы можем сказать, что из этих 92 основных «строительных элементов», которые могут самым разным путем соединяться в молекулы, происходит неисчерпаемое многообразие веществ в природе. Из них в свою очередь состоит как неживая материя, так и вся органическая жизнь.