Струкрута атома фото

Атом: характеристики, важные для биологии. Урок 3

С древних времён люди задавались вопросом: «Из чего состоит жизнь?».  Философы Древней Греции и Индии предполагали, что мельчайшей частицей всякого вещества в мире, является атом, который, по их мнению, неделим. Истинная природа атома приоткрылась намного позже.

Чтобы понять, как организованы живые системы, мы должны узнать о природе атома, его устройстве, о том, как атомы собираются в молекулы и о способах, которыми эти молекулы соединяются в вещества. Только после этого можно будет говорить о структуре клеток, а затем и организмов. Поэтому знакомство с жизнью на Земле мы начинаем с вопросов биофизики и биохимии.



Во Вселенной любая субстанция, имеющая массу и занимающая место в пространстве, определяется как материя, существующая в форме вещества (физические тела) или в форме поля (свет, гравитация и т.д.). Вещество состоит из очень мелких частиц, называемых атомами. Атом – мельчайшая единица, на уровне которой совершаются основные химические реакции. Из-за их размеров атомы долгое время не могли изучать. Только в начале XVII века учёные смогли осуществить первые эксперименты, раскрывающие физическую природу атомов.

Строение кристаллической решётки поваренной соли фото
Строение поваренной соли
Автор: OpenStax College, CC BY 3.0

Как устроен атом?

Объекты размером с атом можно «увидеть» только косвенно, используя сложную технологию, такую как туннельная микроскопия. Наглядно показав наличие электронов, Джозеф Джон Томсон впервые доказал, что атом состоит из субатомных частиц. В беседе он назвал модель атома «пудингом с изюмом», где роль изюминок выполняют электроны.

Схема работы сканирующего туннельного микроскопа фото
Схема работы сканирующего туннельного микроскопа: control voltages of piezotube; piezoelectric tube with electrodes — трубка с электродами; tunneling current amplifier — амперметр для измерения величины туннельного тока; distance control and scanning unit — модуль для перемещения иглы и контроля расстояния игла-образец; tip — игла; sample — образец, карту рельефа которого требуется построить; tunneling voltage; data processing and display — модуль для обработки результатов измерений и вывода карты рельефа
Автор: Michael Schmid, CC BY-SA 2.0 at

Но эта точка зрения была опровергнута. Гипотеза, выдвинутая в 1913 году датским физиком Нильсом Бором, обеспечила хорошую отправную точку для понимания современной атомной теории.

Опираясь на модель Эрнеста Резерфорда, Бор предположил, что каждый атом обладает орбитальным облаком крошечных субатомных частиц, называемых электронами, вращающимися вокруг центра, как в миниатюрной Солнечной системе, и что они излучают и поглощают энергию, переходя с одного облака орбиты на другое.

Атом углерода, его электронная конфигурация фото
Электронная конфигурация атома углерода
Автор: Alejandro Porto, CC BY-SA 3.0

В центре каждого атома – маленькое очень плотное ядро, сформированное из двух других видов субатомных частиц: протонов и нейтронов. Современные исследования доказали, что и протоны и нейтроны также не являются неделимыми. Они состоят из кварков.

Обзор физики элементарных частиц фото

Обзор физики элементарных частиц
Автор: Headbomb, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

Атом и его заряд

Атомы различаются числом протонов в ядре, количество которых определяет атомный заряд, химические свойства и место элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева. Внутри ядра скопление протонов и нейтронов удерживается силой, которая работает только на коротких субатомных расстояниях.

Каждый протон несёт положительный (+) заряд, а электрон – отрицательный (-), нейтрон же потому так и называется, что он нейтрален. Если количество электронов в атоме совпадает с количеством протонов, то атом в целом является электрически нейтральным. Химическое поведение атома обусловлено количеством и конфигурацией его электронов.

Атомная масса

Термины «масса» и «вес» часто используются как синонимы, но они имеют несколько разное значение. Масса относится к количеству вещества, а вес описывает силу тяжести, влияющую на субпозицию вещества. Объекты, имеющие одинаковую массу, находясь на Земле будут весить больше, чем если бы они были расположены на Луне, потому что гравитационная сила Земли больше, чем у Луны. Атомная масса равна сумме масс его протонов и нейтронов. Атомы, встречающиеся в природе Земли, содержат от 1до 92 протонов и до 46 нейтронов.



Масса атомов и субатомных частиц измеряется в единицах, называемых дальтонами (Да), или атомных единицах массы (а.е.м.), в химии – «моль». Они очень малы, 1 грамм содержит 602 миллиона миллионов миллиардов а.е.м. (6.02 × 10 23). Протон весит 1,007 Да, нейтрон – 1,009 Да. Электроны весят 1/1840 Да, поэтому они почти не влияют на массу атома.

Атом гелия и его ядро фото
Сравнительный размер атома гелия и его ядра
Автор: User:Murkt, CC BY-SA 3.0

Электроны

Положительные заряды ядра атома нейтрализуются или уравновешиваются отрицательно заряженными электронами, расположенными в облаках (орбиталях), лежащих на разном расстоянии вокруг ядра. Атомы с одинаковым числом протонов и электронов электрически нейтральны, то есть у них нет чистого заряда. Порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева говорит о количестве электронов у его атома.

Электроны удерживаются на своих орбиталях притяжением положительно заряженного ядра. Иногда другие силы преодолевают это притяжение, и атом теряет один или несколько электронов. В других случаях атомы получают дополнительные электроны. Атомы, в которых число протонов не равно числу электронов, называются ионами – это заряженные частицы.

Атом, имеющий больше протонов, чем электронов, имеет положительный заряд и называется катионом. Для примера – атом натрия (Na), который потерял один электрон, становится ионом натрия (Na+) с зарядом +1. Атом, имеющий меньше протонов, чем электронов, несёт суммарный отрицательный заряд и называется анионом. Атом хлора (Cl), получивший один электрон, становится хлорид-ионом (Cl-) с зарядом -1.

Природа атома – изотопы

Хотя все атомы одного элемента имеют одинаковое количество протонов, они не могут иметь одинаковое количество нейтронов. Атомы одного элемента, которые обладают разным числом нейтронов, называют изотопами этого элемента.

Большинство элементов в природе существует в виде смеси различных изотопов. Например, углерод (C) имеет 3 изотопа, каждый из которых содержит 6 протонов. Более 99% углерода в природе существует как изотоп, содержащий 6 нейтронов. Общая масса этого изотопа составляет 12 Да (6 от протонов и 6 от нейтронов). Он называется углеродом-12 и обозначается 12 C.

Большая часть из оставшихся изотопов углерода естественного происхождения составляет углерод-13 – изотоп с 7 нейтронами. Редчайший изотоп углерода – углерод-14, с 8 нейтронами. В отличие от двух других изотопов углерод-14 нестабилен – это означает, что его ядро имеет тенденцию к распаду на элементы с более низкими атомными номерами.

 

Ядерный распад излучает значительное количество энергии и называется радиоактивным распадом, а изотопы, которые распадаются, называются радиоактивными изотопами. Некоторые радиоактивные изотопы более нестабильны, чем другие, они разлагаются легче. Однако любой изотоп распадается с постоянной скоростью. Обычно время распада выражается как период полураспада – время, необходимое для распада половины атомов в образце.

Углерод-14 часто используется для датировки ископаемых и других материалов, он имеет период полураспада в 5730 лет. Образец, содержащий 1 грамм углерода-14 сегодня, будет содержать 0,5 г углерода-14 через 5730 лет, 0,25 г через 11 460 лет, 0,125 г через 17 190 лет м и т. д.

Углерод-14 фото
1: образование углерода-14 2: распад углерода-14 3: «равное» уравнение для живых организмов, а неравное-для мертвых организмов, в которых с-14 затем распадается
Автор: NikNaks, условия просмотра CC BY-SA 3.0

Соотнося различные изотопы углерода и другие элементы в биологических образцах и горных породах, учёные имеют возможность точно определять, когда эти материалы появились.

В современной биологии радиоактивность имеет широкое применение. Радиоактивные изотопы являются одним из способов метки или маркировки конкретной молекулы, чтобы исследовать её изменения, химические реакции в живых клетках и тканях. Недостаток этого метода в том, что энергетические субатомные частицы, испускаемые радиоактивными веществами, могут серьёзно повредить живой клетке, например, стать причиной её мутации, а в больших дозах и гибели. Поэтому доза безопасной радиации обязательно контролируется и регулируется.

Электроны определяют химическое поведение атомов

Ключ к химическому поведению атома лежит в числе и расположении на орбиталях его электронов. В модели Бора-Резерфорда показано, что отдельные электроны вращаются вокруг центрального ядра, но она не отражает реальности. Современная физика доказывает, что мы не можем точно определить положение любого отдельного электрона в заданное время.

Орбитали фото
Форма и расположение в пространстве s-, p-, d- и f-орбиталей.
Автор: haade, CC BY-SA 3.0

На самом деле электрон может быть где угодно, как рядом с ядром, так и далеко от него. Но конкретный электрон вероятнее всего можно найти в определённой зоне атома. Орбиталь – это та область, где скорее всего содержится данный электрон. Некоторые электронные орбитали вблизи ядра сферические (S-орбитали), другие – в виде гантели (p-орбитали). Орбитали, более удалённые от ядра, могут иметь различную форму. Независимо от расположения, орбиталь не может содержать более 2 электронов.

Большая часть атома – пустое пространство. Если представить, что ядро размером с мяч для гольфа, то первый ближайший к нему электрон расположится не ближе чем 1,6 км. По этой причине ядра двух атомов никогда не подходят близко друг к другу. И электроны атома, а не его протоны и нейтроны определяют его химические свойства. Это объясняет, почему все изотопы элемента, имеющие одинаковое расположение электронов, химически ведут себя идентично.

Атом содержит дискретные энергетические уровни

Поскольку электроны притягиваются к положительно заряженному ядру, оно должно постоянно удерживать их на своих орбиталях, как нам нужно постоянно держать яблоко в кулаке, чтобы преодолевать силу притяжения Земли. Ядро атома содержит огромный потенциал, при его расщеплении высвобождается гигантское количество энергии, которую человек использует для работы атомных реакторов и атомного оружия.

Если мы отпустим яблоко, оно упадёт, так как уменьшится потенциал его энергии. Но если бы мы внесли яблоко на вершину здания, то увеличили бы потенциал энергии. Электроны тоже имеют потенциал собственной энергии, связанной с их положением. Противостоять притяжению ядра и переместить электрон на более отдалённую орбиту можно, только получив энергию от внешнего источника. В молекулах хлорофилла этим источником является энергия Солнца, она возбуждает электроны, и они отрываются от атома. Чем ближе электрон расположен к ядру, тем большая энергия ему понадобится для преодоления его силы тяжести.

Перемещение электрона в обратном направлении – ближе к ядру – имеет обратный эффект: энергия не поглощается, а выделяется в виде лучистой энергии (тепла и света), и электрону остаётся меньше потенциальной энергии.

Как устроен атом фото
Испускание света
Автор: Volobuev Ilya, CC BY-SA 4.0

Таким образом, электроны в атоме имеют дискретные энергетические уровни. Эти уровни называют квантами (сингулярные, квантовые), означающими наличие определённого количества энергии. Если использовать аналогию с яблоком снова, то представьте, что оно может быть поднято только до определённого уровня этажей здания. Каждый атом демонстрирует лестницу потенциала – дискретный набор орбиталей с разным запасом энергии, зависящим от расстояния от ядра.

Атом фтора фото
Диаграмма атома фтора, показывающая степень эффективного ядерного заряда.
Автор: Effective_Nuclear_Charge.svg, CC0

Электроны, которые расположены на одинаковом расстоянии от ядра, имеют одинаковую энергию, даже если они занимают разные орбитали. Говорят, что они занимают тот же энергетический уровень. Энергетические уровни обозначаются буквами К, L, М и т.д.

Когда электроны передаются от одного атома другому, они сохраняют свой потенциал энергии. В организмах химическая энергия хранится в высокоэнергетических электронах, которые передаются от одного атома к другому в реакциях, включающих окисление и восстановление. Чаще эти процессы соединены в комбинацию окислительно-восстановительной реакции.

 

 

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован.