Величайшее шоу на Земле: свидетельства эволюции.
Шрифт:
Они почти одинакового размера.
Число протонов постоянно для любого конкретного элемента и равно числу электронов.
Это число называется атомным номером.
Это уникальная характеристика элемента, и нет никаких пробелов в списке атомных номеров — знаменитой периодической системы [Менделеева].
Каждому номеру в последовательности соответствует ровно один и только один элемент.
Элемент с атомным номером 1 — водород, 2 — гелий, 3 — литий, 4 — бериллий, 5 — бор, 6 — углерод, 7 —
Протоны и электроны несут электрический заряд противоположного знака — мы называем один из них положительным, а другой отрицательным, в соответствии с произвольным соглашением.
Эти электрические заряды важны, когда элементы формируют химические соединения друг с другом, главным образом посредством электронов.
Нейтроны в атоме связаны в ядре с протонами.
В отличие от протонов, они не несут заряда, и они не играют никакой роли в химических реакциях.
Протоны, нейтроны и электроны в любом элементе точно такие же, как и в любом другом элементе.
Нет такого понятия как протон золота, или электрон меди, или нейтрон калия.
Протон — он везде протон, а то, что делает атом меди медью — то, что в нем ровно 29 протонов (и ровно 29 электронов).
То, о чем мы обычно думаем как о природе меди, является вопросом химии.
Химия — танец электронов.
Она вся заключается во взаимодействии атомов через посредство своих электронов.
Химические связи легко разрушаются и заново создаются, потому что только электроны отделяются или обмениваются в химических реакциях.
Силы притяжения внутри атомных ядер гораздо труднее разорвать.
Вот почему «расщепление атома» звучит так угрожающе, но это может происходить в «ядерных», в противоположность химическим, реакциях, и радиоактивные часы зависят от них.
У электронов незначительная масса, таким образом, полная масса атома, его «атомная масса», равна суммарному числу протонов и нейтронов.
Обычно она чуть более чем вдвое превышает атомный номер, потому что, как правило, в ядре имеется несколько больше нейтронов, чем протонов.
В отличие от числа протонов, число нейтронов в атоме не является диагностической чертой элемента.
Атомы любого конкретного элемента могут быть в различных версиях, называемых изотопами, различающихся числом нейтронов, но всегда с одинаковым числом протонов.
У некоторых элементов, таких как фтор, есть только один встречающийся в природе изотоп.
Атомный номер фтора 9, а его атомная масса 19, из чего вы можете вывести, что у него 9 протонов и 10 нейтронов.
У других элементов существует много изотопов.
У свинца пять широко распространенных изотопов.
Все они имеют одинаковое число
У углерода три изотопа, встручающихся в природе.
Углерод-12 является обыкновенным углеродом с одинаковым количеством нейтронов и протонов — по 6.
Существует также углерод-13, слишком короткоживущий, что-бы им заниматься, и углерод-14, который редок, но не слишком редок, чтобы быть полезными для датировки относительно молодых органических образцов, как мы увидим.
Теперь следующий важный теоретический факт.
Некоторые изотопы являются стабильными, другие нестабильны.
Свинец-202 является нестабильным изотопом; свинец-204, свинец-206, свинец-207 и свинец-208 — стабильными изотопами.
«Нестабильный» означает, что атомы спонтанно распадаются в нечто другое, предсказуемыми темпами, хотя и в непредсказуемые моменты.
Предсказуемость скорости распада — ключ ко всем радиометрическим часам.
Другое слово для «нестабильного» — «радиоактивный».
Существует несколько видов радиоактивного распада, пригодных в качестве часов.
Для наших целей не важно понимать их, но я объясню их здесь, чтобы показать великолепный уровень детализации, которого физики достигли в изучении подобного рода вещей.
Такие подробности проливают сардонический свет на отчаянные попытки креационистов подыскать оправдания свидетельствам радиоактивного датирования, и сохранить Землю молодой как Питер Пэн.
Во всех этих видах распада вовлечены нейтроны.
При одном виде нейтрон превращается в протон.
Это означает, что атомная масса остается та же (так как у протонов и нейтронов одинаковая масса), а атомное число повышается на единицу, таким образом, атом становится иным элементом, на один шаг правее в периодической системе.
Например, натрий 24 превращается в магний 24.
При другом виде радиоактивного распада происходит в точности обратное.
Протон превращается в нейтрон.
Снова, атомная масса остается та же самая, но на этот раз атомное число уменьшается на единицу, а атом становится следующим элементом левее в периодической системе.
Третий вид радиоактивного распада имеет тот же результат.
Залетный нейтрон ударяет ядро и выбивает один протон, занимая его место.
Опять же, нет никаких изменений в атомной массе, и снова, атомный номер уменьшается на один, и атом превращается в следующий элемент левее в периодической системе.
Существует также более сложный вид распада при которой атом испускает так называемую альфа-частицу.
Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, склеенных вместе.