Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид
Большая часть килокалорий, потребляемых вами, идет на то, чтобы повысить вашу температуру, подняв ее с той, которая характерна для окружающего пространства (примерно 20 °C), до той, при которой ваше тело работает наилучшим образом (37 °C). Поскольку ваше тело по большей части состоит из воды, то легко рассчитать, что при массе, скажем, в 65 кг для достижения этой цели – иными словами, для увеличения температуры на 37° – 20° = 17 °C – потребуется 1100 ккал. И вдруг оказывается, что в пинте мороженого «Бен и Джерри» как раз 1100 ккал (это указано прямо на этикетке). Так что же, выходит, вам нужно просто съесть пинту «Бен и Джерри», и все будет хорошо?
Это было бы правдой, если бы вы не теряли энергию на обмен с окружающей средой, а также если бы она не требовалась вашему сердцу, чтобы прокачивать кровь по телу, и если бы ваши нейроны не пребывали в крайнем возбуждении по мере того, как вы читаете эти строки. На самом деле для того, чтобы сохранять температуру вашего тела в ее оптимальном рабочем диапазоне при условии постоянного излучения энергии, и для того, чтобы поддерживать все остальные функции вашего тела, вы используете энергию примерно с той же скоростью, с какой ее использует 100-ваттная электрическая лампочка: 100 джоулей в секунду. Это означает, что ваша общая потребность в энергии за день составляет 100 Дж/с × 60 сек/мин × × 60 мин/ч × 24 часа/день = 8 640 000 Дж. Если мы переведем это в килокалории, то получим 8 640 000 Дж × 1 ккал/4184 Дж = = 2065 ккал в день, – примерно столько вы и получаете при стандартной диете.
Энергия, которая поддерживает в вас жизнь, прошла долгий и богатый событиями путь. Изначально, сотни тысяч лет назад, она была испущена в ходе ядерной реакции, происходившей в недрах Солнца, тысячи лет блуждала в его глубинах, потом вырвалась на свободу с его поверхности, в виде света помчалась к Земле, достигла ее меньше чем за восемь минут, потом ее впитал лист растения, чтобы запустить фотосинтез и сформировать химические связи, потом этот лист склевала курица и энергия, заключенная в нем, преобразилась в мясистое крылышко, а это крылышко, в свою очередь, съели вы, и у вас в животе химические связи вновь перестроились, породив согревшее вас тепло – иными словами, формы энергии, от ядерной и электромагнитной до химической и кинетической, выглядят совершенно по-разному, но ее величина остается неизменной.
Энергия связи электрона
Теперь, когда мы уплели пинту «Бена и Джерри» и поняли, что такое энергия, мы можем вернуться к электронам, движущимся в атомах по четко заданным образцам, и посмотреть, как они взаимодействуют со светом, с соударяющимися частицами и с соседними атомами, с которыми они, с той или иной степенью вероятности, могли бы объединиться и образовать молекулы.
Каждая из электронных оболочек и подоболочек, о которых мы говорили выше, соотносится с определенным количеством «энергии связи». Поскольку сила электрического притяжения ослабевает с увеличением расстояния, электроны, расположенные ближе всего к ядру, связаны наиболее прочно. Мы исчисляем эти взаимодействия, определяя энергию связи как равную той энергии, которая потребовалась бы, чтобы полностью освободить электрон из атома; такой процесс называется «ионизацией», а атом, который в результате получает заряд, – «ионом». Поскольку есть все логические основания назвать электрон с нулевой энергией связи свободным (он ведь не давал клятву верности своему бывшему спутнику-ядру), мы характеризуем энергии связи как отрицательные; иными словами, нам, чтобы получить ноль, нужно прибавить энергию к отрицательной величине.
Схема энергетических уровней Водорода показана на рисунке 4.5. Электрон в 1s-состоянии обладает энергией связи –13,6 эВ (см. рамку 4.1), где эВ обозначает «электронвольт»; 1 эВ – это крошечное количество энергии, подходящее для разговора об отдельных атомах и их составляющих, и он равен 1,6 × 10–19 Дж. Если бы я сообщил этому электрону Водорода +13,6 эВ, он стал бы свободным (ионизированным). Если бы я сообщил ему +14 эВ, то он бы сперва использовал первые +13,6 эВ, чтобы освободиться, а потом ускользнул бы с кинетической энергией 0,4 эВ. Если бы я сообщил ему 25 эВ, он бы умчался прочь со скоростью 2000 км/с и через секунду прибыл бы из Нью-Йорка в Миннеаполис.
Энергию к беспокойному электрону можно передать двумя способами. Если достаточно близко промчится фотон с энергией, равной 14 эВ, электрон может захватить его, уничтожить и преобразовать его электромагнитную энергию в кинетическую, необходимую для высвобождения. Есть и альтернатива: с атомом может столкнуться другой атом, молекула или субатомная частица, скажем, еще один электрон; опять же, если его кинетическая энергия больше чем 13,6 эВ, электрон может высвободиться.
Любой фотон или соударяющаяся частица, энергия которой не доходит до 13,6 эВ, вероятнее всего, просто пройдет мимо атома или отскочит, ничего не изменив. Впрочем, пусть даже у атома Водорода всего один электрон на 1s-подуровне, более высокоуровневые оболочки все же существуют, и если освещающий фотон или соударяющаяся частица будут обладать как раз подходящим количеством энергии, электрон может перейти в «возбуждение» и перескочить из основного состояния на один из более высоких уровней. Например, если рядом промчится фотон, имеющий точно 10,2 эВ, он, скорее всего, будет захвачен и уничтожен, поскольку именно такое количество энергии требуется электрону, чтобы перескочить на 2s-подуровень, оставив 1s-подуровень временно пустым. В случае, если с электроном соударяется частица, ее кинетическая энергия просто должна быть больше чем 10,2 эВ, поскольку электрон может вобрать необходимое ему количество, а вторгшаяся частица – отскочить и унести остаток энергии с собой. Отлетающая частица уже будет двигаться медленнее, поскольку отдала часть своей энергии электрону, поэтому такое столкновение мы называем неупругим (поступившая энергия не равна выделенной, потому что ее отчасти поглотил электрон, см. рис. 3.4).
Рис. 4.5. Схема энергетических уровней для атома Водорода, показывающая энергии связи на различных n-уровнях (подуровни не указаны в целях простоты). Электрон может поглотить энергию соударяющейся частицы или пакета световых волн, если кто-либо из них обладает достаточным количеством энергии, чтобы помочь электрону подняться на один из допустимых верхних уровней. Когда электрон вновь опускается вниз, он либо рождает свет, либо сообщает соударяющейся частице дополнительную энергию в количестве, соответствующем разнице в энергии между уровнями. Уровень, помеченный как 0 эВ, соответствует электрону, утратившему все связи с ядром; этот процесс мы называем ионизацией
Теперь электрон на 2s-подуровне Водорода находится в «возбужденном» состоянии. Электрон – частица в какой-то мере простая, и это состояние у него длится недолго. Если оставить его в покое, то в среднем через 0,125 секунды он снова перескакивает обратно в основное состояние, на 1s-подуровень. Этот соскок производит энергию, и появляется возможность унести ее в форме фотона с энергией 10,2 эВ – возбужденный атом может создать свет. Кроме того, это свет с очень специфической энергией, уникальной для разделения энергетических уровней в атоме каждого вида, и это позволяет нам распознавать атомы Водорода, Гелия и Углерода по всей Вселенной.
Альтернативный путь для снятия возбуждения – столкновение. В плотной среде атом может сотни раз в секунду подвергаться ударам со стороны своих соседей, а любой случайный удар способен вбить электрон обратно в основное состояние. В этом случае по-прежнему следует учитывать те самые 10,2 эВ энергии: она переходит в нанесшую удар частицу, благодаря чему происходит сверхупругое столкновение, в котором отлетающая частица обретает энергию, забрав ее у электрона.
