Из чего состоит мир вокруг нас?

Оглянитесь на тропе: гранитный валун, вода в Свияге, берёзовый лист, воздух, ваша рука. На вид — совсем разные вещества, и кажется, что у каждого свой материал. На деле всё это собрано из одного набора деталей — атомов, и сортов деталей на удивление мало. В природе их 92, но чтобы построить почти всё, что видно вокруг, хватает десяти. Валун — это кислород, кремний, алюминий и железо; вода — водород и кислород; лист и рука — углерод, водород, кислород, азот; воздух — азот и кислород. Один и тот же кислород сидит в камне, в реке, в лёгких и в дереве: половина массы земной коры — это он.

Разница между камнем и листом — не в кирпичах, а в том, как они сложены: кремний с кислородом сцеплены в жёсткую решётку, углерод с водородом — в длинные гибкие цепочки, а в воздухе молекулы не сцеплены вовсе и летают. Иначе говоря, мир — это конструктор с десятком видов деталей и бесконечным числом сборок.

Второе, что стоит знать про каждый из этих атомов: он старше Солнца. Водород появился в первые минуты Вселенной; кислород, углерод, кремний и железо сварены внутри звёзд, которые взорвались и рассеяли их раньше, чем из этой пыли собралась Земля. В валуне у тропы нет ни одного атома, который сделали здесь.

Что сделать. Сделайте глубокий вдох. В нём около 10²² молекул — единица с 22 нулями, — и это только азот с кислородом. За минуту вы пропустили через себя больше атомов, чем песчинок на всех пляжах Земли.

Что такое атом. Атом — ядро и электроны вокруг. Ядро — почти вся масса, но его размер — одна стотысячная от размера атома: если увеличить атом до стадиона, ядро будет горошиной в центре, а электроны — облаком, заполняющим трибуны. Вещество — почти пустота, и «твёрдость» камня — не от того, что в нём что-то плотно набито, а от того, что электронные облака соседних атомов отталкиваются и не дают им сблизиться. Сорт атома задаёт число протонов в ядре: 1 — водород, 6 — углерод, 8 — кислород, 26 — железо. От этого числа зависит, сколько связей атом образует и с кем, а значит — во что он может сложиться.

Предположения, стоящие за картиной:

1. Атомы одного сорта одинаковы: любой атом кислорода в камне заменим любым из воздуха.
2. Атомы не создаются и не исчезают в обычных условиях; всё, что происходит на тропе, — их пересборка.
3. Свойства вещества определяются связями, а не самими атомами.

Одно и то же — по-разному. Углерод в графите карандаша — слои, скользящие друг по другу; тот же углерод в алмазе — жёсткий каркас; тот же углерод в листе — цепочки с водородом и кислородом. Кислород в воздухе — пара атомов, летящая со скоростью 500 м/с; в воде — согнутая молекула из трёх атомов, цепляющаяся за соседей; в кварце — узел решётки, который не сдвинуть. Сорт атома один, поведение разное: химия — наука не об атомах, а о связях.

1. один и тот же углерод — три сборки
2. графит: слои скользят
3. алмаз: жёсткий каркас
4. лист, древесина: цепочки
5. пунктир — слабое притяжение слоёв
6. зелёные — водород, оранжевые — кислород

Проверьте сами. Возьмите щепотку соли и посмотрите на кристаллы под лупой: кубики. Соль — натрий и хлор, уложенные в шахматном порядке, и куб виден потому, что порядок укладки один и тот же от атома до кристалла в миллиметр — на семь порядков размера. Кристалл — единственное место, где устройство атомного мира видно глазом.

Тот же принцип в других местах. Звёзды сложены из тех же атомов, и по свету звезды спектроскоп читает её состав так же, как состав соли в пламени горелки. Метеорит, упавший на Землю, состоит из железа и никеля того же сорта, что и в земной руде. А тело человека за десять лет обновляет почти все атомы: кислород, который вы вдохнули, через год может быть в берёзе у тропы, а через сто — в Волге.

Сколько их. Число атомов в куске вещества массой $m$ —

$$N = \frac{m}{M}\,N_A$$

модель

где $M$ — масса моля (12 г для углерода, 18 г для воды), а $N_A = 6{,}02\cdot10^{23}$ — число Авогадро. Иначе говоря, в стакане воды (250 г, 14 молей) — $8\cdot10^{24}$ молекул; в песчинке массой в миллиграмм — $10^{19}$ атомов; в человеке массой 70 кг — около $7\cdot10^{27}$. Отсюда старый расчёт: молекулы одного выдоха, разойдясь по всей атмосфере ($10^{44}$ молекул), дают примерно одну молекулу на каждый выдох любого другого человека — так что в каждом вашем вдохе, скорее всего, есть молекула из последнего вдоха Цезаря. Число атомов так велико, что вещество кажется непрерывным, а редкие явления — как случайное отклонение — становятся заметны только на масштабах в микроны: броуновское движение пылинки в луче света.

Состав. Земная кора по массе: кислород 46 %, кремний 28 %, алюминий 8 %, железо 5 %, кальций 4 %, натрий, калий, магний по 2–3 % — восемь элементов дают 98 %. Тело человека: кислород 65 %, углерод 18 %, водород 10 %, азот 3 %, кальций 1,5 %, фосфор 1 % — шесть элементов дают около 98,5 %. Вселенная в целом — другая: водород 74 %, гелий 24 %, всё остальное — 2 %. Земля бедна водородом и гелием потому, что они лёгкие, и молодое Солнце сдуло их с внутренних планет; а мы, живые, по массе на девять десятых собраны из того «остального» — из двух процентов, и в основном из тех атомов, что умеют образовывать цепочки¹.

Кто открыл. Слово «атом» — Демокрита, но мысль оставалась философией до Джона Дальтона, который в 1808 году показал, что вещества соединяются в постоянных весовых отношениях, — как и должно быть, если они собраны из неделимых порций. Менделеев в 1869 году разложил известные тогда 63 элемента по массе и свойствам в таблицу с пустыми клетками и предсказал три недостающих элемента вместе с их плотностью и температурой плавления; галлий, скандий и германий нашли за следующие 17 лет — с предсказанными свойствами. Что атомы существуют физически, а не как удобная бухгалтерия, доказал в 1908 году Жан Перрен, измерив по броуновскому движению число Авогадро в согласии с расчётом Эйнштейна 1905 года; Резерфорд в 1911-м нашёл ядро, обстреливая золотую фольгу. А откуда взялись сами атомы, ответили в 1957 году Бёрбиджи, Фаулер и Хойл: все элементы тяжелее гелия сварены в звёздах и разбросаны взрывами сверхновых — и спектры старых звёзд, бедных железом, это подтверждают².

Границы этого рассуждения.

• Атом — не мельчайшее. Ядро состоит из протонов и нейтронов, те — из кварков; но на тропе ниже атома ничего не происходит, и для химии, геологии и биологии атом — дно.
• «Одинаковые атомы» — с оговоркой. У одного элемента есть изотопы — ядра с разным числом нейтронов; химически они почти неотличимы, но по ним датируют кости и читают климат прошлого.
• «Пустота» атома — картинка, а не факт. Электрон — не шарик на орбите, а облако вероятности; «пусто» — значит, что масса сосредоточена в ядре, а не что там ничего нет.
• Десять элементов — для тропы. Жизни нужны ещё два десятка в следовых количествах — йод, селен, кобальт, — и без миллиграммов их не будет ни листа, ни человека.

О чём спорят. Из атомов состоит лишь малая часть Вселенной. По движению галактик и по реликтовому излучению выходит, что обычного вещества — атомов — во Вселенной около 5 %, тёмной материи — 27 %, тёмной энергии — 68 %. Что такое тёмная материя, неизвестно: одни ищут новые частицы, другие считают, что нужно править закон тяготения на больших расстояниях. Полвека прямых поисков частицы не дали, и спор между «новой частицей» и «новой гравитацией» — главный в космологии³.

Открытый вопрос. Почему элементов с этим набором свойств хватило на жизнь? Углерод умеет строить цепочки, вода — растворять и течь при земных температурах, фосфор — держать энергию в связи, — и всё это следует из чисел, которые физика не выводит, а измеряет: масс частиц и сил взаимодействий. Были бы они чуть иными — не было бы ни углерода, ни звёзд, ни тропы. Случайность это или необходимость, наука пока не знает.