Около 10-20 миллиардов лет назад, огромный взрыв, вероятно, ознаменовал начало Вселенной. С этого взрыва начался процесс эволюции, который в конечном итоге привел к возникновению и диверсификации жизни на Земле.
С точки зрения, что прошло 20 миллиардов лет, жизнь в нашей Солнечной системе - это недавнее явление, но чтобы понять происхождение жизни, нам необходимо учитывать события, которые произошли гораздо раньше. Те же самые процессы, которые привели к эволюции жизни, были ответственны за эволюцию молекул . Таким образом, наше изучение жизни на Земле начинается с физики и химии. Будучи самими целым набором химических элементов, мы должны понимать химию, чтобы начать понимать свое происхождение.
Атом как основная единица молекулярного строения
Любая "вещь" во Вселенной, имеющее массу и занимающее пространство, определяется как вещество. Вся материя состоит из очень маленьких частиц, называемых атомами. Из-за своих размеров атомы трудно поддаются изучению. Только в начале этого столетия ученые провели первые эксперименты, в ходе которых выяснилось, что такое атом.
Структура объектов такого малого размера, как атомы, может быть "видна" лишь косвенно, с помощью очень сложной технологии, такой как туннельная микроскопия.
Теперь мы хорошо знаем о сложностях атомной структуры, но простая точка зрения, высказанная в 1913 году датским физиком Нильсом Бором, является хорошей отправной точкой.
Бор предположил, что каждый атом обладает орбитальным облаком из крошечных субатомных частиц, называемых электронами, вращающимися вокруг ядра, подобно планетам миниатюрной солнечной системы. В центре каждого атома находится небольшое, очень плотное ядро, состоящее из двух других видов субатомных частиц - протонов и нейтронов.
Внутри ядра скопление протонов и нейтронов удерживается вместе силой, которая действует только на коротких субатомных расстояниях. Каждый протон несет положительный (+) заряд, и каждый электрон несет отрицательный (-) заряд.
Обычно атом имеет по одному электрону на каждый протон. Количество протонов (атомный номер атома) определяет химический характер атома, поскольку оно определяет количество электронов, находящихся на орбите ядра, которые доступны для химической активности. Нейтроны, как следует из их названия, не несут никакой ответственности.
Атомная масса
Термины масса и вес часто используются как взаимозаменяемые, но они имеют несколько иные значения. Под массой понимается количество вещества, а под весом - сила тяжести, оказываемая на вещество. Следовательно, объект имеет ту же массу, что и на Земле или на Луне, но его вес будет больше на Земле, потому что сила гравитации Земли больше, чем сила притяжения Луны.
Атомная масса атома равна сумме масс его протонов и нейтронов. Атомы, которые возникают естественным образом на Земле, содержат от 1 до 92 протонов и до 146 нейтронов. Масса атомов и субатомных частиц измеряется в единицах, называемых далтонами. Чтобы получить представление о том, насколько малы эти частицы, обратите внимание, что для производства 1 грамма требуется 602 миллиона миллиардов (6,02 × 1023) далтонов! Протон весит приблизительно 1 далтон (на самом деле 1.009 далтон), как и нейтрон (1.007 далтон). Напротив, электроны весят всего 1 1840 далтона, поэтому их вклад в общую массу атома ничтожно мал.
Изотопы Атомов с одинаковым атомным номером (т.е. одинаковым количеством протонов) обладают одинаковыми химическими свойствами и, как говорят, принадлежат к одному элементу.
Формально, элемент - это любое вещество, которое не может быть разложено на какое-либо другое вещество обычными химическими способами.
Однако, хотя все атомы элемента имеют одинаковое количество протонов, не все они могут иметь одинаковое количество нейтронов. Атомы элемента, обладающего разным количеством нейтронов, называются изотопами этого элемента.
Большинство элементов в природе существуют в виде смесей различных изотопов. Например, углерод (С) содержит три изотопа, каждый из которых содержит шесть протонов. Более 99% углерода, содержащегося в природе, существует в виде изотопа с шестью нейтронами. Поскольку его общая масса составляет 12 далтонов (6 из протонов плюс 6 из нейтронов), этот изотоп называют углеродом-12 и обозначают 12C.
Большая часть остального природного углерода - это углерод-13, изотоп с семью нейтронами. Самым редким изотопом углерода является углерод-14, с восемью нейтронами. В отличие от двух других изотопов, углерод-14 нестабилен: его ядро имеет тенденцию распадаться на элементы с меньшими атомными номерами. Этот ядерный распад, который выделяет значительное количество энергии, называется радиоактивным распадом, и изотопы, которые распадаются таким образом, являются радиоактивными изотопами.