Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (3) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Към текста

Метаданни

Данни

Включено в книгата
Оригинално заглавие
The Collapsing Universe (The Story of Black Holes), (Пълни авторски права)
Превод от
, (Пълни авторски права)
Форма
Научен текст
Жанр
Характеристика
  • Няма
Оценка
5,7 (× 24 гласа)

Информация

Сканиране
gogo_mir (2011 г.)
Корекция и форматиране
Ripcho (2011 г.)

Издание:

Айзък Азимов. Гравитационната гибел на вселената

Преводач: Радка Динекова

Рецензент: Валери Голев

Рецензенти на превода: Надка Стоянова, Красимира Абаджиева

Редактор: Валери Голев

Художник на корицата: Владимир Минчев

Художник-редактор: Димитър Петков

Технически редактор: Йорданка Иванова

Коректор: Славка Кръстева

Код: 01\9532421331\2332-2-90

Американска. Издание I.

Формат 70X90/32 Печ. коли 18,00 Изд. коли 10,51 УИК 12,19

Държавно издателство „Народна просвета“ — София, 1990 г.

Държавна фирма „Полипринт“ — Враца

История

  1. — Добавяне

Атоми

Електроните не реагират на ядрените сили и поради това те не могат да бъдат части от ядрата. Електронът обаче се привлича от протона в резултат на електромагнитно взаимодействие и се стреми да остане близо до него. Така, ако ядрото се състои от един-единствен протон, то вероятно има и един електрон, който се задържа около него от електромагнитната сила. Ако в ядрото има два протона, то вероятно около тях има два електрона и т.н.

Ядрото и електроните около него образуват атом. Той носи името си от гръцката дума „неделим“, понеже по времето, когато за пръв път се е заговорило за атоми, се е смятало, че те не могат да се делят на по-малки частици.

Както впоследствие бе установено, протонът и електронът действително са носители на еднакъв по големина електричен заряд (но противоположен по знак). Следователно, ако в ядрото има x протона, съществуването на x електрона в областите около ядрото означава, че двата вида заряди се неутрализират напълно, което прави атома неутрален като цяло.

Това, че електронът и протонът имат един и същ електричен заряд, не означава, че те имат една и съща маса.[1] Протонът е 1836,11 пъти по-масивен от електрона. В такъв случай нека да си представим атом с 20 протона и 20 неутрона в ядрото и 20 електрона във външните му области. Електричният заряд се уравновесява, но повече от 99,97% от масата на атома е съсредоточена в неговото ядро.

И така, независимо че в ядрото се съдържа почти цялата маса на атома, то заема само една малка част от обема му. (Добре е да се запомни този факт, понеже това е важно за темата на тази книга, както ще видим по-нататък.) Диаметърът на ядрото е около 10–13 cm, а диаметърът на целия атом е около 10–8 cm.

Това означава, че атомът е 100 000 пъти по-голям от ядрото си. Ще са необходими 100 000 ядра, наредени едно до друго, за да запълнят атома по диаметъра му. Ако си представим, че атомът е една куха сфера, която трябва да запълним с ядра, то излиза, че ще са необходими 1015 (един милион милиарда) ядра, за да направим това.

А сега нека да разгледаме два атома. Всеки от тях има сумарен електричен заряд, равен на нула. Тогава бихме могли да предположим, че те няма да си влияят, че те, така да се каже, ще са независими един от друг, що се отнася до електромагнитните взаимодействия между тях.

Това би било така в идеалния случай, когато в различните атоми зарядът на електрона е разпределен равномерно в една сфера около ядрото и когато положителният заряд на ядрото се смесва равномерно с отрицателния заряд на електроните. Тогава електромагнитните сили между атомите не биха играли никаква роля.

Но в действителност това не е така. Отрицателният заряд на електроните е разпределен във външните области на атома, а положителният заряд на протоните е скрит вътре в него. Когато два атома се приближават един към друг, то отрицателно заредената външна област на единия се приближава към отрицателно заредената външна област на другия. Двете отрицателно заредени области се отблъскват (отблъскват се така, както се отблъскват всеки два едноименни заряда). Това означава, че ако два атома се приближат достатъчно един до друг, те ще променят направлението на движението си и ще се разлетят.

Газообразният хелий например се състои от отделни хелиеви атоми, които са в непрекъснато движение („странствуват“ из обема, зает от газа), при което се удрят един в друг. При стайна температура те се движат със значителни скорости, при което се удрят един в друг с голяма сила. При понижаване на температурата обаче атомите започват да се движат все по-бавно и по-бавно, удряйки се все по-слабо и по-слабо. Тогава хелиевите атоми се доближават все повече един към друг, хелият се свива и обемът му намалява.

Обратно, при повишаване на температурата атомите започват да се движат по-бързо, удрят се един в друг все по-силно и хелият се разширява.

Изглежда няма ограничения за това, колко бързо могат да се движат атомите (в рамките на едни разумни предположения), но съществува едно просто за обяснение ограничение за това, колко бавно биха могли да се движат те. При силно понижаване на температурата атомите достигат такова състояние, при което движението им се забавя дотолкова, че от тях не може да се отделя повече енергия. При такава неподвижност казваме, че температурата достига абсолютната нула, която съответствува на –273,18°C. (В тази книга температурата се изразява в градуси по скалата на Целзий, която се използува навсякъде по света с изключение на САЩ, но се използува също и от американските учени. Подробности за връзката между градусите по Целзий и привичните за американците градуси по скалата на Фаренхайт са дадени в приложение 3.)

Въпреки че разпределението на заряда в хелиевия атом е съвсем близко до идеално симетричното, то все пак не е напълно идеално. Електричният заряд не е съвсем равномерно разпределен и като резултат от това съществуват области от повърхността на атома на хелия, които са с по-малък отрицателен заряд от другите. Това от своя страна спомага положителният заряд вътре в ядрото да „надникне“ през тези именно външни области с по-малък отрицателен заряд, т.е. тогава два съседни атома ще могат много слабо да се привличат. Това слабо привличане се дължи на възникването на силите на Ван дер Ваалс, които носят името на откривателя им — холандския физик Дидерик ван дер Ваалс (1837–1923). С понижаването на температурата хелиевите атоми започват да се движат все по-бавно и по-бавно и силите на отблъскване явно не са толкова големи, за да преодолеят слабите сили на Ван дер Ваалс. Атомите остават близо един до друг и от газ хелият се превръща в течност.

В почти симетричния хелиев атом силите на Ван дер Ваалс са толкова слаби, че температурата трябва да се понижи до 4,3° над абсолютната нула, за да може да се втечни хелият. Всички други газове имат по-несиметрично разпределение на зарядите в атомите си, следователно при тях силите на Ван дер Ваалс са по-големи и температурите на втечняване — по-високи.

Понякога атомите могат да се привличат и по-силно. Електроните във външните области на атомите са подредени в слоеве и структурата на атома е най-стабилна тогава, когато всички слоеве са запълнени. С изключение на хелия и някои подобни на него елементи при повечето други атоми най-външният слой не е съвсем запълнен или, обратно, при запълването му там остават известен брой електрони в повече.

Поради това съществува тенденция при сблъскване на два атома да се предават един или два електрона от атома, който ги има в излишък, на този, на който не му достигат, при което в крайна сметка се запълват външните им обвивки. Тогава обаче атомът, който получава електрони, получава и отрицателен заряд, а другият, който отдава електрони, не може повече да уравновесява напълно заряда на ядрото си и придобива положителен заряд. Следователно двата атома ще се стремят да останат заедно.

Освен това два атома могат да си поделят електрони, когато се сблъскват, и това помага да се запълнят най-външните обвивки и на двата атома. Това, че техните най-външни обвивки след сблъскването се запълват, е единственото нещо, което ги задържа в контакт.

И в случая на предаване, и в случая на поделяне на електрони, е необходима значителна енергия, за да се разделят отново атомите, а при нормални условия те остават заедно. Такива комбинации от атоми се наричат молекули, което на латински означава „малък обект“.

Понякога са достатъчни само два атома, за да се образува стабилна комбинация. Два водородни атома образуват молекулата на водорода, два азотни атома — молекулата на азота, а два кислородни атома — молекулата на кислорода.

Понякога, за да се запълнят всички обвивки, е необходимо да се свържат повече от два атома. Молекулата на водата се образува от един атом кислород и два атома водород, молекулата на метана се образува от един атом въглерод и четири атома водород, молекулата на въглеродния двуокис се образува от един атом въглерод и два атома кислород и т.н.

Има случаи, когато са необходими милиони атоми за образуването на молекула. Това е така, защото например при въглеродните атоми всеки такъв атом може да поделя електрони с всяка четворка други въглеродни атоми. Следователно могат да се образуват дълги вериги и сложни пръстени от въглеродни атоми. Такива вериги и пръстени представляват основата на характерните за живата тъкан молекули. Молекулите на протеините и на нуклеиновите киселини в човешкото тяло и във всички други живи организми са пример за такива макромолекули (макро произлиза от гръцки и означава „голям“).

Комбинации от атоми, в които електроните могат да се пренасят от един атом на друг, образуват кристали, в които неизброими милиони атоми съществуват в подредени редици.

Общо взето, колкото по-голяма е молекулата и колкото по-неравномерно електричният заряд е разпределен в нея, толкова по-вероятно е повече молекули да бъдат заедно, а веществото да бъде във вид на течност или на твърдо тяло.

Всички твърди тела, които виждаме около нас, са здраво свързани чрез електромагнитните взаимодействия, които съществуват първо между електроните и протоните, после между различните атоми и накрая между различните молекули.

Нещо повече, тази способност на електромагнитните сили да свързват необикновено голям брой частици не се ограничава от разстоянието. Ядрените взаимодействия, изразяващи се в привличане, което намалява много силно с увеличаването на разстоянието, са способни да породят само извънредно малките атомни ядра. Електромагнитните взаимодействия, които намаляват по-слабо с разстоянието, могат да групират всичко — от частици колкото прашинки до частици като планини! Те могат да образуват тяло с размерите на Земята, както и тела с далеч по-големи размери.

Електромагнитните сили са дълбоко свързани с нас самите по най-различни начини — съвсем не само с това, че дават възможност на нас и на планетата, на която живеем, да сме в свързано състояние. Всяка химична промяна е резултат на преместването или пренасянето на електрони от един атом в друг. Това включва и много деликатните и разнообразни промени в тъканите на живите същества, каквито сме ние. Всички промени, които стават в нас — смилането на храната, свиването на мускулите, образуването на нова тъкан, разпространяването на нервните импулси, генерирането на мисъл в мозъка, всичко това е резултат от промените, които се извършват под контрола на електромагнитните сили.

Някои от преместванията на електроните се съпътствуват с освобождаването на значителна енергия. Енергията на огъня, на горящите въглища и нефт, както и енергията, която живата тъкан произвежда — всичко това е резултат от промени, управлявани от електромагнитните сили.

Бележки

[1] Когато, казваме, че един обект притежава маса, ние подразбираме, че той откликва на външна сила, която го кара да се движи, ако той е бил в покой, или да смени скоростта или направлението на движение, ако той вече е бил в движение. Колкото по-масивен е обектът, толкова по-голяма сила е нужна. При обикновените условия тук на повърхността на Земята масивните обекти се възприемат като „тежки“. Колкото по-масивни са те, толкова са по-тежки. Но все пак масата и теглото не са идентични и макар да е по-ясно, когато казваме, че протонът е по-тежък от електрона, ще бъде по-точно да казваме „по-масивен“.