Хімічні елементи. Справа сліпого випадку?

«КОЖНЕ тіло у Всесвіті, навіть найвіддаленіша зоря, складається з атомів»,— говориться в «Енциклопедії зір та атомів» (англ.). Окремі атоми надто маленькі, щоб їх можна було побачити, але, з’єднавшись разом, вони утворюють усі відомі хімічні речовини. Деякі з цих речовин тверді й видимі для нас, інші ж — невидимі й газоподібні. Чи можна існування всіх хімічних елементів пояснити сліпим випадком?

Елементи від 1-го до 92-го

Хоча водень — найпростіший з усіх атомів, він служить пальним для таких зірок, як наше Сонце, і є необхідний для життя. Ядро атома водню має лише один протон, і навколо цього ядра рухається один електрон. До складу атомів інших хімічних елементів, як-от вуглець, кисень, золото та ртуть, входить багато електронів, що кружляють навколо ядра, яке містить багато протонів та нейтронів.

Близько 450 років тому було відомо лише 12 елементів. З відкриттям інших науковці зауважили, що елементи підпорядковуються природній системі. І коли їх розмістили в ряди і стовпчики таблиці, вчені виявили, що елементи в одному стовпчику мають подібні властивості. Однак у таблиці залишались вільні місця, які мали зайняти невідомі ще елементи. Завдяки цій системі російський науковець Дмитро Менделєєв передбачив існування елемента з атомним номером 32, германію, а також його забарвлення, масу, густину й температуру плавлення. «Передбачення [Менделєєва] щодо інших елементів, яких не вистачало,— галію та скандію,— теж виявилися дуже точними»,— говориться у науковому підручнику з хімії за 1995 рік.

З часом науковці передбачили існування ще інших невідомих елементів та декотрі їхні властивості. Зрештою було відкрито всі елементи, яких бракувало. У таблиці більше не залишилося жодного порожнього місця. Природний порядок елементів базується на кількості протонів у їхньому ядрі й починається елементом з номером 1, воднем, і продовжується до останнього елемента, який зазвичай трапляється на Землі в природному стані,— елемента з номером 92, урану. Чи цей порядок — лише випадковість?

Задумаймось також над великим різноманіттям хімічних речовин, побудованих з цих елементів. Золото та ртуть мають характерний металевий блиск. Одна речовина тверда, а інша — рідка. Але їхні хімічні елементи йдуть слідом один за одним під номерами 79 і 80. Атом золота має 79 електронів, 79 протонів та 118 нейтронів. Атом ртуті має лише на один електрон та один протон більше й приблизно те ж саме число нейтронів.

Чи зовсім випадково, завдяки такій незначній зміні в структурі атома, виникло настільки багате різноманіття речовин? А що сказати про сили, які тримають атомні частинки вкупі? «Цілий Всесвіт — від найменшої частинки до найбільшої галактики — підпорядковується принципам, накресленим законами фізики»,— пояснюється в «Енциклопедії зір та атомів». Уявіть собі, що сталося б, якби змінився хоч один з цих принципів. Який був би наслідок зміни, скажімо, сили взаємодії, під дією котрої електрони постійно рухаються навколо атомного ядра?

Точно відрегульовані фізичні взаємодії

Розгляньмо, який був би результат того, що електромагнітна взаємодія стала б слабшою. «Електрони більше не трималися б атомів»,— зазначає д-р Дейвід Блок у книжці «Стар воч». І до чого це призвело б? «Ми опинилися б у Всесвіті, де не могла б відбуватися жодна хімічна реакція!» — сказав він. Які ж ми повинні бути вдячні, що існують незмінні закони, котрі уможливлюють перебіг хімічних реакцій! Коли, наприклад, два атоми водню сполучаються з одним атомом кисню, утворюється молекула дорогоцінної рідини, води.

Електромагнітна взаємодія майже в 100 разів слабша за сильну ядерну взаємодію, завдяки якій атомні ядра не розпадаються. Що б сталося, коли б це співвідношення змінилось? «Якби відносна сила ядерної та електромагнітної взаємодій була трохи іншою, то атоми вуглецю не існували б»,— говорять науковці Джон Барроу і Френк Типлер. А без вуглецю не було б життя. Атоми цього елемента складають 20 відсотків ваги усіх живих організмів.

Також дуже важливим є співвідношення між електромагнітною силою та гравітацією. «Найнезначніша зміна у співвідношенні між гравітаційною та електромагнітною взаємодіями,— говориться в журналі «Нью саєнтист»,— перетворила б подібні до Сонця зорі в блакитних гігантів [надто гарячих для існування життя] або в червоних карликів [недостатньо теплих для підтримання життя]».

Інша взаємодія — слабка ядерна — регулює швидкість ядерних реакцій у Сонці. «Вона якраз достатньої величини, щоб водень у Сонці горів повільно, але зі сталою швидкістю»,— пояснює фізик Фріман Дайсон. Можна навести багато інших прикладів, які показують, що наше життя залежить від неймовірно точно узгоджених законів та добре допасованих умов у Всесвіті. Автор наукових статей професор Пол Дейвіс порівняв ці закони та умови до ручок для настроювання приладу й сказав: «Здається, що, аби Всесвіт був такий, щоб у ньому буяло життя, різні ручки повинні бути настроєні з надзвичайно високою точністю».

Ще задовго до того, як сер Ісаак Ньютон відкрив закон тяжіння, у Біблії вже згадувалося про такі незмінні приписи або закони. Чоловікові на ім’я Йов було поставлено запитання: «Чи ти проголосив приписи, які керують небесами, або ж встановив закони природи на землі?» (Йова 38:33, «Нова англійська Біблія»). Інші запитання, які також змушують задуматися, звучать так: «Де був єси, як я закладав землю?» та «Хто визначив їй міру,— може знаєш?» (Йова 38:4, 5, Хом.).

[Рамка на сторінці 6]

ЖИТТЄВО ВАЖЛИВІ ЕЛЕМЕНТИ

Організм людини приблизно на 98 відсотків складається з таких хімічних елементів, як водень, кисень та вуглець. Ще 1,4 відсотка припадає на азот. Частка інших елементів у нашому тілі зовсім незначна, все ж вони дуже важливі для життя.

[Таблиця/Схема на сторінках 6, 7]

(Повністю форматований текст дивіться в публікації)

На сьогодні науковці уже синтезували елементи від 93-го й далі, аж до 118-го включно. За передбаченнями вчених, ці елементи також підпорядковуються законам періодичної системи.

[Відомості про джерело]

Джерело: Los Alamos National Laboratory.

Назва елемента Символ елемента Атомний номер (кількість протонів)

водень H 1

гелій He 2

літій Li 3

берилій Be 4

бор B 5

вуглець C 6

азот N 7

кисень O 8

фтор F 9

неон Ne 10

натрій Na 11

магній Mg 12

алюміній Al 13

кремній Si 14

фосфор P 15

сірка S 16

хлор Cl 17

аргон Ar 18

калій K 19

кальцій Ca 20

скандій Sc 21

титан Ti 22

ванадій V 23

хром Cr 24

марганець Mn 25

залізо Fe 26

кобальт Co 27

нікель Ni 28

мідь Cu 29

цинк Zn 30

галій Ga 31

германій Ge 32

миш’як As 33

селен Se 34

бром Br 35

криптон Kr 36

рубідій Rb 37

стронцій Sr 38

ітрій Y 39

цирконій Zr 40

ніобій Nb 41

молібден Mo 42

технецій Tc 43

рутеній Ru 44

родій Rh 45

паладій Pd 46

срібло Ag 47

кадмій Cd 48

індій In 49

олово Sn 50

сурма Sb 51

телур Te 52

йод I 53

ксенон Xe 54

цезій Cs 55

барій Ba 56

лантан La 57

церій Ce 58

празеодим Pr 59

неодим Nd 60

прометій Pm 61

самарій Sm 62

європій Eu 63

гадоліній Gd 64

тербій Tb 65

диспрозій Dy 66

гольмій Ho 67

ербій Er 68

тулій Tm 69

ітербій Yb 70

лютецій Lu 71

гафній Hf 72

тантал Ta 73

вольфрам W 74

реній Re 75

осмій Os 76

іридій Ir 77

платина Pt 78

золото Au 79

ртуть Hg 80

талій Tl 81

свинець Pb 82

вісмут Bi 83

полоній Po 84

астат At 85

радон Rn 86

францій Fr 87

радій Ra 88

актиній Ac 89

торій Th 90

протактиній Pa 91

уран U 92

нептуній Np 93

плутоній Pu 94

америцій Am 95

кюрій Cm 96

берклій Bk 97

каліфорній Cf 98

ейнштейній Es 99

фермій Fm 100

менделевій Md 101

нобелій No 102

лоуренсій Lr 103

резерфордій Rf 104

дубній Db 105

сіборгій Sg 106

борій Bh 107

гассій Hs 108

мейтнерій Mt 109

110

111

112

114

116

118

[Схема]

(Повністю форматований текст дивіться в публікації)

Атом гелію.

Електрон

Протон

Нейтрон

[Схема/Ілюстрація на сторінці 7]

(Повністю форматований текст дивіться в публікації)

Яким чином чотири фізичні взаємодії були настільки точно відрегульовані?

ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ВЗАЄМОДІЯ

СИЛЬНА ЯДЕРНА ВЗАЄМОДІЯ

ГРАВІТАЦІЙНА ВЗАЄМОДІЯ

СЛАБКА ЯДЕРНА ВЗАЄМОДІЯ

Молекула води

Ядро атома

Блакитний гігант

Червоний карлик

Сонце