Водородные облака во вселенной разное содержание облака молекулярного водорода

«Теория Большого Взрыва» и сотворение мира

Вот мы и насчитали 5 стадий эволюции Вселенной, а могли бы насчитать и больше. Если бы прибавили время превращения этого первоначального Homo sapiens в действительно разумного человека. Получилось бы шесть. Вот все и сложилось, ведь как сказано в Библии, на седьмой день Господь отдыхал.

В апреле в ходе литургии в храме Христа спасителя в Вербное воскресенье патриарх Московский и всея Руси Кирилл, заявил о том, что зарождение Вселенной надо воспринимать, как божественный акт творения. «Никогда не опишут всего нынешние многие ученые, горделиво считающие себя теми, кто познал тайны бытия и не нашел в них Бога», – заявил предстоятель Русской православной церкви.  По мнению патриарха, познания науки о Вселенной «ничтожно малы» и дальнейшие изыскания ученых «позволят познать лишь незначительную часть божественной тайны». Предстоятель РПЦ полагает, что ученые склонны усложнять. «Ведь проще всего было бы сказать — ну, божественный акт творения! Но язык не поворачивается у тех, которые считают, что разумом можно все объяснить и таким образом вытеснить Бога из человеческого сознания», – заявил Кирилл.

Что сподобило Патриарха на эти заявления, сказать сложно. Можно отметить только то, что здесь он не был оригинален. Католическая церковь уже несколько лет назад говорила, что «Теория Большого Взрыва» подтверждает библейскую историю сотворения мира. То, что не за семь дней, а за миллиарды лет – это детали. Жившим пару тысяч лет назад необразованным людям, объяснить же было невозможно, что такое миллиарды лет, а семь дней – это понятно. На руках и то – всего десять пальцев, а тут всего семь.

Самое большое целое, которое может хранить 64-разрядный процессор

Это огромное число, начинающееся с 9 квинтиллионов, является самым большим знаковым целым числом, которое может хранить 64-разрядный процессор в современном компьютере. Раньше компьютеры делали с 32-разрядным процессором, который мог хранить данные до 2 147 483 647 или больше 2 миллиардов.

Кажется, что оба процессора могут справиться с большим количеством данных, но 32-разрядного процессора недостаточно, чтобы показывать даты, случившиеся через 2 147 483 647 секунд после 1 января 1970 года. Таким образом, 32-разрядный процессор ждет проблема 2038 года – то есть сбой в программном обеспечении, который произойдет 19 января 2038 года в 3:14:07.

Компьютеры, использующие 64-битную систему, будут показывать даты еще 292 миллиарда лет.

В 2014 году популярное видео «Gangnam Style» сломало счетчик просмотров, когда число просмотров превысило 2 147 487 648 просмотров, из-за чего Google вынужден был обновить счетчик до 64-бит.

Что такое атом и его составляющие

Ключевые составляющие атома включают:

1. Протоны — частицы с положительным зарядом, расположенные в центре атома, называемом ядром.
2. Нейтроны — частицы без заряда, также располагающиеся в ядре атома вместе с протонами.
3. Электроны — отрицательно заряженные частицы, которые обращаются вокруг ядра атома по энергетическим оболочкам.

Атомы различаются по количеству протонов, нейтронов и электронов. Это определяет химические свойства элемента и его положение в таблице Менделеева.

Когда мы говорим о скольки атомах во вселенной, мы обращаемся к неимоверно большому числу. В настоящее время оценивается, что количество атомов во Вселенной составляет около 10^80. Это огромное число невозможно представить в нашем воображении и подчеркивает масштабы Вселенной.

Описание атома

Атом состоит из трех основных частиц: электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны находятся в ядре атома, а электроны обращаются по орбитам вокруг ядра.

Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не имеют заряда, а электроны имеют отрицательный заряд. Вся электростатическая сила в атоме связана с взаимодействием этих частиц.

Атомы разных элементов отличаются количеством протонов в ядре. Например, у атома водорода один протон, а у атома кислорода восемь протонов. Количество электронов в атоме соответствует количеству протонов, чтобы обеспечить электрическую нейтральность.

Структура атома

Протоны имеют положительный заряд и находятся в ядре атома. Количество протонов определяет химические свойства элемента.

Нейтроны не имеют заряда и также находятся в ядре атома. Они помогают удерживать протоны вместе.

Электроны имеют отрицательный заряд и обращаются вокруг ядра по орбитам. Они также определяют химические свойства элемента.

Соотношение количества протонов, нейтронов и электронов в атоме определяет его атомный номер и массовое число.

Типы атомных частиц

— Протоны: положительно заряженные частицы, находящиеся в ядре атома.

— Нейтроны: нейтральные по заряду частицы, также находятся в ядре атома.

— Электроны: отрицательно заряженные частицы, обращаются вокруг ядра атома по энергетическим уровням.

Количество протонов определяет атомный номер элемента, а сумма протонов и нейтронов – массовое число атома. Любое изменение в количестве атомных частиц может изменить свойства вещества. Все различные виды атомных частиц обладают особыми свойствами и влияют на химические и физические свойства вещества.

Задача 1. “Краткая история” жизни Вселенной

            Химия – язык жизни. Жизнь основана на атомах,
молекулах и сложных химических реакциях между ними. Естественно, возникает
вопрос о происхождении атомов. Согласно широко распространённой модели,
Вселенная образовалась 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва и
продолжает расширяться до сих пор. История Вселенной может быть представлена
как серия процессов слияния простых частиц в более сложные по мере понижения
температуры. В этой череде процессов жизнь можно рассматривать как особое
явление, происходящее на Земле при умеренной температуре.

            Легкие
элементы, в основном водород и гелий образовались в первые минуты после
Большого взрыва, когда молодая Вселенная быстро расширялась и поэтому быстро
охлаждалась. Звёзды – особые объекты во Вселенной: при их образовании
температура не падает, а повышается. Они важны с точки зрения химии, т.к. в их
недрах при температурах в десятки миллионов градусов, происходит образование
тяжелых химических элементов, необходимых для жизни.

            Температуру
расширяющейся Вселенной можно оценить по формуле:

T = 1010 / t1/2

где T – средняя
температура Вселенной в Кельвинах (К), а t – время (возраст Вселенной) в
секундах. Ответы на вопросы с 1-1 по 1-6 дайте с одной значащей цифрой.

1-1. Оцените температуру
Вселенной через 1 секунду после Большого взрыва, когда Вселенная была еще
слишком горячая для того, чтобы протоны и нейтроны могли объединиться в ядра
гелия.

1-2. Оцените температуру
Вселенной через 3 минуты, когда термоядерный синтез гелия был почти завершен.

1-3. Оцените возраст
Вселенной, когда температура снизилась примерно до 3000 К и началось образование
первых атомов водорода и гелия из ядер и электронов.

1-4. Первые стабильные
молекулы появились, когда Вселенная охладилась до 1000 К – температуры, при
которой не происходит разрыв химических связей. Оцените возраст Вселенной в это
время.

1-5. Оцените среднюю
температуру Вселенной через 300 миллионов лет после Большого взрыва, когда
появились первые звезды и галактики.

1-6. Оцените среднюю
температуру Вселенной в наше время и сравните ее с температурой микроволнового
реликтового излучения (3 K).

1-7. Расположите ключевые процессы в логическом
порядке, учитывая, что 99% атомов во Вселенной – это атомы водорода и гелия.

a — ( ) — ( ) — ( ) — ( ) — ( ) — ( ) — ( ) — ( )
— ( )

            a)
кварки → протоны, нейтроны

            b)
1014 клеток → человек

            c)
H, C, N, O → H₂, CH₄, NH₃, H₂O
(в межзвездном пространстве)

            d)
протоны, ядра гелия + электроны → нейтральные атомы H и He

            e)
белки, нуклеиновые кислоты, биологические мембраны → клетки

            f)
протоны, нейтроны → ядра гелия

            g)
H₂, He, CH₄, NH₃, H₂O, космическая
пыль → Солнечная система

            h)
атомы H и He → звезды и галактики

            i)
протоны, ядра гелия (лёгкие элементы) → тяжелые элементы: C, N, O, P, S,
Fe, U; взрыв Сверхновой

            j) H₂, CH₄, NH₃,
H₂O и др. → аминокислоты, сахара, азотистые основания, фосфолипиды
на Земле

Ответ

1-1.        1010 К.

1-2.        7×108 К.

1-3.        300 000 лет.

1-4.        3 млн. лет

1-5.        100 К

1-6.        10 К

1-7.        afdhicgjeb

Количество атомов: что это такое

Атомы – это основные строительные блоки всего материального мира. Они состоят из ядра, которое содержит протоны и нейтроны, и электронов, которые вращаются вокруг ядра. Каждый элемент имеет свое количество протонов в ядре – это их атомный номер. Количество нейтронов может быть различным, создавая различные ионы и изотопы одного и того же элемента.

Количество атомов может выражаться в разных единицах измерения, но самым распространенным является моль. Моль – это количество вещества, которое содержит столько атомов (или молекул), сколько атомов содержит 0.012 килограмма изотопа углерода C-12. Другими словами, одна моль вещества содержит Avogadro’s number (6.022×10^23) атомов (или молекул) данного вещества.

Для определения количества атомов в образце используется массовая спектрометрия. Исходя из массового числа атома, можно определить его количество в данном образце. Благодаря этому методу мы можем знать, сколько атомов каждого элемента содержится в образце вещества.

Количество атомов – это очень важная характеристика веществ, которая позволяет нам понимать и анализировать их свойства и реакции. Без знания количества атомов различных элементов просто невозможно провести точный анализ состава вещества и определить его свойства.

Интересное о космосе и Вселенной

То, что Вселенная расширяется, сейчас ни у кого не вызывает сомнения. Более того, различные наблюдения далеких галактик показали, что эти звездные скопления удаляются друг от друга с все большей и большей скоростью. Такое быстрое расширение Вселенной приводит к ее постепенному охлаждению. Одна из распространенных теорий конца Вселенной говорит о том, что он наступит, когда она полностью остынет.

Интересное о космосе можно также узнать из теорий современной физики. Так, согласно анализу уравнений теории относительности Эйнштейна, ученые пришли к выводу о том, что возможны всего три формы существования Вселенной: закрытая, открытая и плоская. Последние астрономические наблюдения подтверждают, что Вселенная действительно имеет плоскую форму.

Существование темной материи также является доказанным фактом, поскольку человечество знает в общих чертах, что происходит во Вселенной. Свидетельством реальности этой материи являются эффекты изменения температуры космических объектов, орбитальные и вращательные скорости галактик и некоторые другие феномены космоса.

Теги

в веществе за вещество.в веществе количество вещества в веществе возьмите веществе исследуемого вещества начисло атомов элементовчто молекула водыв молекуле оксидаВ молекуле оксидаи молярную массу.

молекуламолярнуюавогадрочислаэлементоватомныехимиянайтичастицегаземолекулярнуюпримергмольопределениехимическихграммстатьиответовпериодическойкислородадолиобразцаотносительныеобъеммассовоеводереакциисайтазотасоединениявеществонайдиионовлюбогорешениечистомtimesпостояннойотношенийонлайнзначениябылитаблицезадачграммахсерысистемепонятияметаллыизвестныформулучислуможетефизическуюзатеммедикалькуляторрезультат

Сколько атомов во Вселенной?

Вселенная > Сколько атомов во Вселенной?

Наверняка, каждый знает, что Вселенная представляет собою масштабное место. По общим оценкам, перед нами открывается лишь 93 миллиарда световых лет («Видимая Вселенная»). Это огромное число, особенно если не забывать, что это лишь та часть, которая доступна нашим приборам. И, учитывая подобные объемы, не будет странным предположить, что и количество вещества должно быть также значительным.

Интересно начать изучение вопроса с крошечных масштабов. Ведь наша Вселенная вмещает 120-300 секстиллионов звезд (1.2 или 3 х 1023). Если же мы увеличим все до уровней атомов, то эти цифры покажутся просто немыслимыми. Сколько же атомов во Вселенной?

По подсчетам выходит, что Вселенную наполняют 1078-1082 атомов. Но даже эти показатели не отображают того, сколько именно вещества она содержит. Выше упоминалось, что мы можем постичь 46 миллиардов световых лет в любую сторону, а это значит, что нам не увидеть всей картинки. К тому же, Вселенная постоянно расширяется, что отдаляет от нас объекты.

История Вселенной началась с Большого Взрыва

Не так давно, немецкий суперкомпьютер выдал результат о существовании 500 миллиардов галактик в зоне видимости. Если обратиться к консервативным источникам, то получим 300 миллиардов. В одной галактике может вместиться 400 миллиардов звезд, поэтому общее количество во Вселенной способно достигать 1.

23

Средний вес звезды – 1035 грамм. Общая масса – 1058 грамм. Вычисления показывают, что в каждом грамме содержится 1024 протонов или столько же атомов водорода (в одном водороде – один протон). В сумме получаем 1082 водорода.

За основу берем видимую Вселенную, в пределах которой это количество должно распределиться равномерно (на 300 миллионов световых лет). Но в меньших масштабах материя будет создавать скопления светящейся материи, о которой мы все знаем.

Если обобщить, то большая часть атомов Вселенной сосредоточена в звездах, создающих галактики, те объединяются в скопления, которые в свою очередь формируют сверхскопления и завершают все это образованием Великой Стены. Это при увеличении. Если пойти в обратную сторону и взять меньшие масштабы, то скопления наполнены облаками с пылью, газом и прочей материей.

Временная шкала Вселенной за 13.7 миллиардов лет и расширение

Вещество имеет тенденцию распространяться изотропно.

Об однородной Вселенной гласит космологический принцип. Основываясь на нем, можно утверждать, что законы физики будут одинаково действенными в любой точке Вселенной и не должны нарушаться в крупных масштабах. Эта идея подпитывается и от наблюдений, демонстрирующий эволюцию вселенской структуры после Большого Взрыва.

Исследователи пришли к согласию, что большая часть материи образовалась в момент Большого Взрыва, и расширение не прибавляет нового вещества. Механизмы последних 13.7 миллиардов лет – это расширение и рассеивание основных масс.

Но теория усложняется эквивалентностью массы и энергии Эйнштейна, формирующейся из общей теории относительности (прибавление массы постепенно увеличивает количество энергии).

Заметно, что плотность атомов больше слева (старт эксперимента), чем в 80 миллисекундном отрезке после «воссозданного» Большого Взрыва.

Однако, плотность Вселенной остается стабильной. Современная достигает 9.9 х 1030 грамм на см3. Здесь сосредоточено 68.3% темной энергии, 26.8% темной материи и 4.9% светящегося вещества. Получается, что плотность – один атом водорода на 4 м3.

Ученые все еще не могут расшифровать свойства темной энергии и материи, так что нельзя сказать точно: распределены ли они равномерно или же образуют плотные сгустки. Но полагают, что темная материи замедляет расширение, а вот темная энергия работает на ускорение.

Все указанные числа, касательно количества атомов во Вселенной, – приблизительная оценка. Не стоит забывать главную мысль: мы говорим о вычислениях видимой Вселенной.

{79}
$$
атомов в наблюдаемой Вселенной.

$\endgroup$

Новаторская идея

60 лет назад немецко-американский физик Рольф Ландауэр предложил тип эквивалентности информации и энергии. Стирание цифрового бита в компьютере производит небольшое количество тепла, которое является формой энергии. Из-за знаменитого уравнения Альберта Эйнштейна E = mc2, из которого следует, что энергия и материя являются разными формами друг друга, Мелвин Вопсон, физик из Портсмутского университета в Англии, ранее предположил, что может существовать связь между информацией, энергией и массой.

«Используя принцип эквивалентности массы, энергии и информации, я предположил, что информация может быть доминирующей формой материи во Вселенной. Информация может даже объяснить существование темной материи — загадочной субстанции, которая составляет подавляющее большинство материи в космосе», — поведал Мелвин Вопсон.

Вопсон намеревался определить количество информации в одной субатомной частице, такой как протон или нейтрон. По его словам, такие сущности можно полностью описать тремя основными характеристиками: их массой, зарядом и спином.

«Эти свойства делают элементарные частицы отличимыми друг от друга, и их можно рассматривать как «информацию», — добавил он.

Складываем!

Мы получили количество галактик, количество звезд в каждой из них и количество атомов в каждой звезде.

Мы ушли недалеко от новостных сайтов и ресурсов с интересными фактами, но зато смогли самостоятельно понять, как кому-то удалось прийти к такому числу. Попутно мы вспомнили законы механики и коснулись законов Кеплера. Ответ на такой, казалось бы, сложный вопрос мы получили простейшими вычислениями

Но неважно, точен ли ответ или нет — для современной науки он бесполезен. Ведь астрономы уже давно не считают звезды =). Больше информации Вы можете найти в телеграм-канале об астрофизике, космологии и астрофотографии

Пишите мне в личку, наш чат или в блоке комментариев под статьей

Больше информации Вы можете найти в телеграм-канале об астрофизике, космологии и астрофотографии. Пишите мне в личку, наш чат или в блоке комментариев под статьей

Спасибо за внимание

Космологический принцип

Еще одна вещь, которую следует учитывать, — это плотность и распределение материи во Вселенной. Согласно космологическому принципу, Вселенная однородна и изотропна, если рассматривать ее в большом масштабе. Это означает, что физические законы действуют единообразно во Вселенной в целом и не должны иметь никаких наблюдаемых нарушений в крупномасштабных структурах. Это верно и для материи, которая равномерно распределена по всей Вселенной. Это помогает оценить в среднем количество галактик и звезд во Вселенной. Этот принцип также гласит, что более тяжелые элементы не образовались в результате Большого взрыва, а позже образовались в гигантских звездах.

Проще говоря, Вселенная выглядит одинаково для каждого наблюдателя из любого места, на которое на нее смотрят; плотность вещества одинакова на больших масштабах.

Примечания

1. Если k — это число «шагов», за которое мы поднимаемся на высоту h, а Δh — высота «шага», то \(~h = h_0 + (k — 1) \Delta h\), а \(~n = n_0 \left( \frac 1q \right)^{k — 1}\), где \(~\frac 1q\) — знаменатель прогрессии, которую составляет плотность газа (q > 1). Из этих двух формул, исключив k, мы найдем, что
   
   \(~\lg \frac{n_0}{n} = \frac{\lg q}{\Delta h} (h — h_0)\) . (*)
   

   Аналогичную формулу можно записать и для другого газа; величины, относящиеся к нему, мы снабдим штрихом:

   
   \(~\lg \frac{n’_0}{n’} = \frac{\lg q’}{\Delta h’} (h’ — h’_0)\) . (**)
   

   Очень важным оказывается то обстоятельство, что, если плотности первого и второго газов уменьшились в одно и то же число раз, то есть \(~\frac{n_0}{n} = \frac{n’_0}{n’}\), то отношение разностей высот, при которых это произошло, \(~\frac{h — h_0}{h’ — h’_0}\) в точности равно обратному отношению масс молекул этих газов:

   
   \(~\frac{h — h_0}{h’ — h’_0} = \frac{m’}{m}\) .
   

   Разделим почленно уравнение (*) на уравнение (**):

   
   \(~1 = \frac{\lg q (h — h_0)\Delta h’}{\lg q’ (h’ — h’_0)\Delta h} \) , или
   
   
   \(~\frac{\lg q}{\lg q’} = \frac{\Delta h m}{\Delta h’ m’} \) .
   

   Таким образом, \(~\lg q \sim \Delta h m\). Это дает возможность записать, что

   
   \(~\lg q = A_1 \Delta h m\) .
   

   где A₁ — это некоторая постоянная величина, не зависящая от величины шага и одинаковая для всех газов (при данной температуре).

   Теперь барометрическую формулу (*) мы можем записать в таком виде:

   
   \(~\lg \frac{n_0}{n} = A_1mg (h — h_0)\) .
   

Что такое Вселенная?

Что мы знаем о Вселенной? Вселенная содержит в своем составе галактики, скопления галактик и структуры большого размера, которые называются суперскоплениями. Между галактиками существует межгалактическая материя. Размеры Вселенной в настоящее время точно не установлены, несмотря на стремительное развитие космических технологий. Приблизительная оценка говорит, что ее диаметр равен 150 миллиардам световых лет.

Материя не распределена равномерно по всей Вселенной, а концентрируется в конкретных местах: галактиках, звездах, планетах и т. п. Кроме того, по приблизительным оценкам, около 90% массы Вселенной приходится на темную материю, которую нельзя напрямую наблюдать.

Отвечая на вопрос «Из каких атомов состоит Вселенная?», следует сказать, что к 10 наиболее распространенным химическим элементам Вселенной относятся:

• водород – 1 000 000;
• гелий – 63 000;
• кислород – 690;
• углерод – 420;
• азот – 87;
• кремний – 45;
• магний – 40;
• неон – 37;
• железо – 32;
• сера – 16.

Цифры обозначают количество атомов данного элемента на каждый 1 миллион атомов самого распространенного элемента Вселенной – водорода.

Находим примерное количество атомов в наблюдаемой Вселенной

Для грубого подсчета количества атомов прибегнем в ньютоновским законам механики и рассмотрим цепочку того, что из чего во Вселенной состоит. А главное, что нам почти не понадобятся входные данные в виде размеров Вселенной или массы каких-либо тел (за одним исключением). Основное число материи располагается в звездах, таких, например, как наше Солнце.

Рассмотрим систему из планеты (Земля) и звезды (Солнце). Оно описывается законом Всемирного тяготения:

где me — масса Земли и ms — масса Солнца. Так как Земля находится на орбите и обращается вокруг звезды, то она движется с центростремительным ускорением, вычисляемым по формуле:

Вспомним второй закон Ньютона:

где a = ac, соответственно, объединив три вышеописанных уравнения:

Домножив на R2 обе части, получим:

Зная, что скорость движения по окружности определяется по формуле:

где T — период, получим:

Мы пришли к полезной формуле, благодаря которой можем получить массу Солнца. Зная, что период оборота Земли вокруг Солнца составляет около 1 года (~ 3,15×107 сек), а расстояние от Земли до Солнца ~ 1,5×1011 м, находим массу Солнца ≈ 1,77×1030 кг.

Количество атомов в звезде определим как частное массы звезды и массы одного атома водорода, из которого, в основном, и состоят звезды и вся наблюдаемая Вселенная:

Далее определим количество солнцеподобных звезд в галактике тем же путем. Масса галактики будет равна:

где R ~ 3×104 световых лет или 2,84×1020 м и T ~ 2×108 лет или 6,3×1015 сек, соответственно mg ~ 3,41×1041 кг. Тогда количество звезд в одной галактике типа Млечный Путь равно:

Оценивать количество галактик будем по следующему способу: рассмотрим изображение Hubble Ultra Deep Field, полученное телескопом им. Хаббла в 2012 году. На нем находится около 10 000 галактик. Угловой размер этого кадра составляет 1/60 градуса:

Сколько HUDF сможет поместиться на небесном куполе? Площадь поверхности сферы определяется:

где радиус R можем представить как 1 радиан, равный 57,29 градуса. Тогда площадь поверхности составит 4,13×104 квадратных градусов. Подсчитав площадь одного изображения HUDF, равную 1/3600 квадратного градуса, находим количество HUDF на небе:

Если мы умножим полученное количество полей на количество галактик в одном поле, то получим число 14 868 000 000 000 (почти 15 триллионов) — согласно нашим вычислениям это общее количество галактик в наблюдаемой Вселенной.

Базовая модель атома и атомная теория

Все вещества состоят из частиц, называемых атомами. Атомы связываются друг с другом, образуя элементы, и содержат только один вид атома.

Атомы различных элементов образуют соединения, молекулы и объекты.

Атом — это строительный блок материи, который нельзя разбить на части с помощью каких-либо химических средств.

Ядерные реакции могут изменить атомы.

Три части атома — это протоны (положительно заряженные), нейтроны (нейтральный заряд) и электроны (отрицательно заряженные).

Протоны и нейтроны образуют атомное ядро.

Электроны притягиваются к протонам в ядре, но движутся так быстро, что падают к нему (орбите), а не прилипают к протонам.

Идентичность атома определяется его числом протонов. Это также называется его атомным номером.

Части Атома

Атомы состоят из трех частей:

Протоны: протоны являются основой атомов. В то время как атом может получать или терять нейтроны и электроны, его идентичность связана с числом протонов. Символом числа протонов является заглавная буква Z.

Нейтроны: число нейтронов в атоме обозначается буквой N. Атомная масса атома является суммой его протонов и нейтронов или Z + N. Сильная ядерная сила связывает протоны и нейтроны вместе, образуя ядро атом.

Электроны: электроны намного меньше протонов или нейтронов и вращаются вокруг них.

Основные характеристики атомов:

Атомы не могут быть разделены с помощью химических веществ. Они состоят из частей, которые включают протоны, нейтроны и электроны, но атом является основным химическим строительным материалом материи. Ядерные реакции, такие как радиоактивный распад и деление, могут разрушать атомы.

Каждый электрон имеет отрицательный электрический заряд.

Каждый протон имеет положительный электрический заряд. Заряд протона и электрона равен по величине, но противоположен по знаку. Электроны и протоны электрически притягиваются друг к другу. Как заряды (протоны и протоны, электроны и электроны) отталкиваются друг от друга.

Каждый нейтрон электрически нейтрален; иными словами, нейтроны не имеют заряда и не притягиваются электрически ни к электронам, ни к протонам.

Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковые размеры и намного больше электронов. Масса протона по существу такая же, как у нейтрона.

Масса протона в 1840 (!) раз больше массы электрона.

Ядро атома содержит протоны и нейтроны. Ядро несет положительный электрический заряд.

Электроны движутся вне ядра; они организованы в оболочки, которые являются областью наиболее вероятного их местонахождения.

Простые модели показывают, что электроны вращаются вокруг ядра по почти круговой орбите, подобно планетам, вращающимся вокруг звезды, но реальное поведение намного сложнее.

Некоторые электронные оболочки напоминают сферы, но другие больше похожи на тупые колокольчики или другие формы.

Технически, электрон может быть найден в любом месте в пределах атома, но проводит большую часть своего времени в области, описываемой орбиталью.

Электроны также могут перемещаться между орбиталями.

Атомы очень маленькие. Средний размер атома составляет около 100 пикометров или одну десятитысячную часть метра.

Почти вся масса атома находится в его ядре; почти весь объем атома занят электронами.

Количество протонов (также известно как его атомный номер) определяет элемент.

Изменение количества нейтронов приводит к образованию изотопов. Изменение числа электронов приводит к образованию ионов. Изотопы и ионы атома с постоянным числом протонов — это вариации одного элемента.

Частицы внутри атома связаны друг с другом мощными силами.

В общем, электроны легче добавлять или удалять из атома, чем протон или нейтрон.

Химические реакции в основном включают атомы или группы атомов и взаимодействия между их электронами.

Предисловие

К концу прошлого века в физике и химии утвердилась, как тогда говорили, гипотеза об атомах и молекулах — мельчайших частицах, из которых составлены все тела окружающего нас мира. В химии атомная гипотеза позволила понять и очень удобно описывать химические реакции: всякая реакция — это просто соединение атомов в молекулы или, наоборот, разложение молекул на атомы или группы атомов. Из анализа состава различных молекул химики сумели выяснить, что атомы разных элементов обладают различными массами. Им даже удалось узнать, во сколько раз один атом тяжелее или легче другого; уже к началу второй половины XIX столетия были известны так называемые атомные веса всех открытых к тому времени химических элементов, то есть числа, показывающие, во сколько раз атом данного химического элемента тяжелее самого легкого из атомов — водорода. Знаменитый русский химик Д. И. Менделеев, расположив химические элементы в порядке возрастания атомных весов, показал в 1869 году, что они образуют определенную систему, в которой свойства элементов периодически повторяются (периодическая система). В физике гипотеза об атомах и молекулах играла не менее важную роль. Она позволила физикам составить себе ясное представление о множестве самых различных явлений. Она помогла понять, что такое тепло и холод, почему тела при нагревании расширяются, почему всякое вещество может быть твердым, жидким и газообразным и многое другое. Чтобы все это понять, нужно было только дополнительно предположить, что атомы и молекулы непрерывно и беспорядочно движутся и что между ними действуют силы притяжения и отталкивания. Но при всем этом атомы оставались только некоторым представлением в головах людей. Их не только никто не видел, потому что они очень малы, но никто не знал, насколько они малы, каковы массы атомов, сколько атомов в том или ином теле. Нельзя сказать, чтобы не делались попытки все это как-то узнать. Но эти попытки не приводили к убедительным результатам. У некоторых ученых появилась даже уверенность в том, что об атомах и молекулах ничего и нельзя будет узнать, потому что их на самом деле не существует. Эти ученые полагали, что атомы — это нечто вроде меридианов и параллелей на географической карте: ими удобно пользоваться, но реально в природе их нет. Физики, однако, не теряли надежду доказать реальность атомов и молекул, взвесить их, сосчитать их число, определить их размеры.

В предлагаемом отрывке из книги выдающегося советского физика-теоретика Матвея Петровича Бронштейна «Атомы, электроны, ядра» рассказывается о том, как впервые удалось измерить массу атомов и даже сосчитать их. Эта книга, изданная в 1935 году небольшим тиражом (всего 10 000 экземпляров), давно уже стала библиографической редкостью.

Публикацию подготовил профессор А.К. Кикоин. Сделанные им добавления взяты в прямые скобки.

Сколько весит астронавт

Когда мы после сытного ужина становимся на электронные весы, то определяем не свою массу, а только силу, с которой наше тело притягивает планета Земля. На других планетах и их спутниках такое взвешивание даст разные результаты: например, на Марсе то же самое тело будет иметь вес почти втрое меньше, на Луне — вшестеро. Несложно догадаться, что в невесомости такой прибор покажет «ноль», независимо от того, кто на него «встанет». Как же взвешиваются, например, члены экипажей Международной космической станции?

Астронавт Гаррет Рейзман (Garrett Reisman) на устройстве для «взвешивания», установленном в сервисном модуле «Звезда» российского сегмента МКС

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить, что масса — это мера инертности тела, то есть его способности сопротивляться действию внешней силы. Более тяжелый (более массивный) объект под действием той же силы испытывает меньшее ускорение, чем более легкий (менее массивный). Следовательно, зная ее величину и измерив ускорение тела, можно с помощью первого закона Ньютона вычислить его массу. Такой «ускоритель» с соответствующими датчиками установлен на МКС, и космонавты регулярно пользуются его услугами. Правда, «механика» этого устройства несколько сложнее, но она обеспечивает приемлемую точность и воспроизводимость результатов.

Следует отметить, что с момента формулировки закона всемирного тяготения в физике существует два типа массы. Про первую — инерционную — мы только что рассказали. Вторая — гравитационная — определяет, насколько сильно тело будет притягивать к себе другие тела под действием всемирного тяготения. Ученые очень долго пытались выяснить, всегда ли величина этих двух масс для одного и того же объекта совпадает и не могут ли они при каких-то обстоятельствах отличаться. Лишь в XX веке, после появления эйнштейновской теории относительности, «массовый парадокс» удалось частично разрешить. Сложность исследования этого вопроса, среди прочего, связана с тем, что для больших тел (звезд, планет, их спутников) практически во всех случаях можно измерить только гравитационную массу: рычаг, с помощью которого Архимед хотел поднять Землю, к сожалению, существует только в воображении ученых и художников.

Cookie файлы бывают различных типов:

Необходимые. Эти файлы нужны для обеспечения правильной работы сайта, использования его функций. Отключение использования таких файлов приведет к падению производительности сайта, невозможности использовать его компоненты и сервисы.

Файлы cookie, относящиеся к производительности, эффективности и аналитике. Данные файлы позволяют анализировать взаимодействие посетителей с сайтом, оптимизировать содержание сайта, измерять эффективность рекламных кампаний, предоставляя информацию о количестве посетителей сайта, времени его использования, возникающих ошибках.

Рекламные файлы cookie определяют, какие сайты Вы посещали и как часто, какие ссылки Вы выбирали, что позволяет показывать Вам рекламные объявления, которые заинтересуют именно Вас.

Электронная почта. Мы также можем использовать технологии, позволяющие отслеживать, открывали ли вы, прочитали или переадресовывали определенные сообщения, отправленные нами на вашу электронную почту. Это необходимо, чтобы сделать наши средства коммуникации более полезными для пользователя. Если вы не желаете, чтобы мы получали сведения об этом, вам нужно аннулировать подписку посредством ссылки «Отписаться» («Unsubscribe»), находящейся внизу соответствующей электронной рассылки.

Сторонние веб-сервисы. Иногда на данном сайте мы используем сторонние веб-сервисы. Например, для отображения тех или иных элементов (изображения, видео, презентации и т. п.), организации опросов и т. п. Как и в случае с кнопками доступа к социальным сетям, мы не можем препятствовать сбору этими сайтами или внешними доменами информации о том, как вы используете содержание сайта.