Рис. 1. Геометрия молекулы метана. Ядра водорода расположены в вершинах правильного тетраэдра, или в четырех из восьми вершин куба. Электроны сконцентрированы вдоль прямых "углерод – водород"
37. МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. СВЯЗЬ ВАН ДЕР ВААЛЬСА
Металлическая связь реализуется в кристаллах различных металлов и не имеет аналога в двухатомных молекулах. В металлических кристаллах атомы расположены настолько близко, что волновые функции внешних электронов существенно перекрываются. Вследствие этого валентные электроны получают возможность переходить от одного атома к другому и могут довольно свободно перемещаться по всему объему кристалла. Таким образом, валентные электроны в металле нельзя считать связанными с одним или несколькими ионами металла, они являются общими для всего объема металла. Поэтому валентные электроны в металлах принято называть "обобществленными" или "коллективизированными".
Свободно перемещающиеся электроны в металле во многом напоминают молекулы газа, находящегося в сосуде. Поэтому для обозначения совокупности свободных валентных электронов внутри металлического кристалла используется термин "электронный газ". Электронный газ, несущий отрицательный заряд, связывает в прочную систему положительно заряженные ионы металла. Без "цементирующего" действия электронного газа одноименно заряженные ионы металла должны были бы удаляться друг от друга под действием кулоновских сил отталкивания, что привело бы к разрушению кристалла. Таким образом, под влиянием двух противоположных сил – "стягивающего" действия коллективизированных электронов и сил отталкивания между ионами – последние располагаются на определенном расстоянии друг от друга, соответствующем минимуму энергии системы.
Связь Ван дер Ваальса – это связь между атомами или молекулами, обусловленная взаимодействием их электрических дипольных моментов. Вандерваальсовы силы взаимодействия возникают между полярными молекулами, обладающими постоянными дипольными моментами (такими как H2O, HCl и т. д.), за счет поляризации неполярных молекул полярными, а также за счет создания мгновенных дипольных моментов. Мгновенные дипольные моменты создаются благодаря тому, что электроны и ядра в атомах и неполярных молекулах находятся в постоянном движении. Вследствие этого центры отрицательных и положительных зарядов, вообще говоря, не совпадают. В результате создается мгновенный дипольный момент в атоме или молекуле, который своим электрическим полем поляризует соседний атом или молекулу, а это означает появление второго диполя. Взаимодействие диполей приводит к сближению атомов или молекул, в результате электронные оболочки начинают перекрываться и взаимодействовать, что приводит к появлению сил отталкивания, компенсирующих силы притяжения. Это создает условия образования кристаллов из нейтральных атомов (например, из инертных газов) или неполярных молекул.
38. ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ
Атом водорода имеет только один электрон, следовательно, он должен обладать одной связью, позволяющей ему вступать в соединение лишь с каким-либо одним атомом другого сорта. Однако при некоторых условиях атом водорода может быть связан значительными силами притяжения одновременно с двумя атомами, образуя тем самым так называемую водородную связь между ними. Принято считать, что водородная связь имеет в основном ионный характер, поскольку она возникает лишь между наиболее электроотрицательными атомами, в частности между атомами фтора, кислорода и азота. В предельном случае, когда водородная связь носит чисто ионный характер, атом водорода теряет свой единственный электрон и, отдавая его одному из двух атомов молекулы, превращается в протон, который и осуществляет связь между атомами. Малые размеры протона не позволяют ему иметь ближайшими соседями более чем два атома; атомы столь сильно сближены, что на таком малом участке не могут поместиться более двух атомов. Таким образом, водородная связь осуществляется только между двумя атомами (рис. 1).
Водородная связь является важнейшей формой взаимодействия между молекулами Н2О и обусловливает вместе с электростатическим притяжением электрических дипольных моментов удивительные физические свойства воды и льда. Водородная связь играет важную роль в химических и биологических процессах: обеспечивает полимеризацию фтористоводородных соединений, определяет размеры и геометрическую структуру белковых молекул, обусловливает отчасти возможность спаривания двух спиралей молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты).
Рис. 1. Пример водородной связи между ионами фтора в HF2 Показан предельный случай, когда связь осуществляется с помощью протона
39. МОДЕЛЬ РАЗДУВАЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ ГУТА
В 1980 году американский ученый А. Гут (род. 1947) высказал предположение о том, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием или инфляцией (от лат. inflatio – вздутие), подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходило со все возрастающей скоростью.
Гут предполагал, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва в очень горячем, но довольно хаотическом состоянии. Высокие температуры означают, что частицы во Вселенной должны были очень быстро двигаться и иметь большие энергии. При таких высоких температурах сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия должны были все объединиться в одно. По мере расширения Вселенной она охлаждалась и энергии частиц уменьшались. Это привело к своеобразному фазовому переходу и симметрия сил была нарушена: сильное взаимодействие начало отличаться от электрослабого (слабое и электромагнитное представляли собой еще единое взаимодействие).
Такой переход аналогичен фазовому переходу при замерзании воды. Жидкое состояние воды симметрично, т. е. вода одинакова во всех точках и во всех направлениях. При образовании кристаллов льда появляются выделенные направления и симметрия воды нарушается. Если охлаждать воду очень осторожно, то ее можно "переохладить", т. е. охладить ниже точки замерзания (0 С) без образования льда.
Гут предположил, что Вселенная могла себя вести похожим образом: ее температура могла упасть ниже критического значения без нарушения симметрии сил. При этом Вселенная оказывается в нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту, которую она имела бы при нарушении симметрии. Эта особая дополнительная энергия приводит к антигравитационному действию аналогично действию космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности, пытаясь построить статическую модель Вселенной. Поскольку отталкивание в это время превышает гравитационное притяжение, Вселенная должна расширяться (раздуваться) со все возрастающей скоростью.
Можно ожидать, что при раздувании в конце концов нарушается симметрия сил, так же как переохлажденная вода в конце концов замерзает. Тогда лишняя энергия состояния с ненарушенной симметрией должна выделиться, и за счет этого Вселенная разогреется до температуры ~10 К. В результате такого фазового перехода прекращают действовать силы отталкивания, а Вселенная хотя и продолжает расширяться, но расширяется уже с замедлением скорости. С этого момента Вселенная начинает эволюционировать так, как это предсказывает модель "горячей Вселенной" Гамова.
40. ГАЛАКТИКИ И СКОПЛЕНИЯ ГАЛАКТИК
Галактики представляют собой стационарные гравитационно-связанные звездные системы. Звездная система, в которую входит наше Солнце, – Галактика, или Млечный Путь (от греч. galaktikos – молочный, млечный), – содержит примерно 2 10 звезд, среди которых 7-20 млрд белых карликов, около 1 млрд нейтронных звезд, около 30 млрд красных карликов, а ее масса равна 2,5 • 10 масс Солнца, диаметр – около 10 световых лет, примерный возраст – 13 млрд лет.
В центре нашей Галактики, как показали недавно проведенные исследования американских астрономов с помощью космического телескопа им. Хаббла, находится сверхмассивная черная дыра. Сверхмассивные черные дыры обнаружены и в центрах многих других галактик. Эти факты позволяют уточнить модель образования галактик. Вначале при гравитационном сжатии газового облака, состоящего в основном из водорода и гелия, могла образоваться черная дыра, которая, продолжая стягивать на себя близлежащие области газового облака, превратилась в сверхмассивную черную дыру. Из удаленной от черной дыры части газового облака вследствие гравитационного сжатия его отдельных областей образовались звезды.
Сверхмассивные черные дыры в некоторых галактиках, таких как Млечный Путь или Туманность Андромеды, находятся в спокойном, "неактивном" состоянии. Такие черные дыры стянули на себя все или почти все доступное им космическое вещество. Ближайшие к ним звезды движутся по стационарным орбитам с большой скоростью, благодаря чему сила