ķīmiķi katram elementam ir izdomājuši arī īsus apzīmējumus, kas sastāv no viena vai diviem burtiem. Līdzīgi kā ar cilvēka iniciāļiem: tā vietā, lai rakstītu «Aleksandrs», mēs vienkārši rakstām «A». Tā nu sanāk, ka šie īsie apzīmējumi ir atvasināti no elementu nosaukumiem latīņu valodā, taču tas nevienam nerada neērtības. Man šķiet, ka jūs nepārsteigs arī angļu burti. Tātad daudzi elementi tiek apzīmēti ar vienu burtu, ūdeņradis ar H, skābeklis ar O, slāpeklis ar N, ogleklis ar C, bet fluors ar F. Citus apzīmē ar diviem burtiem, daļēji tāpēc, lai izvairītos no pārpratumiem, kad pirmais burts jau ir lietots: hēlijs – He, neons – Ne, dzelzs – Fe.
Bet atgriežoties pie pašiem atomiem. Iedomājieties, ka jums ir 114 dažādu krāsu, izmēru un formu pērlītes jebkurā daudzumā. Kā jūs domājat, cik daudz auskaru un citu rotaslietu jūs varat izgatavot no šīs pērlīšu bagātības, kombinējot tās dažādos veidos? Cik vien vēlaties, bezgalīgi daudz! Bet, protams, jūs izgatavosiet tikai tās rotaslietas, kas jums patīk un, jūsuprāt, izskatās glīti. Šādu kombināciju būs daudz mazāk, bet tomēr ļoti daudz.
Tāpat ir arī dabā. Elementi, precīzāk, elementu atomi, kombinējoties savā starpā dažādās proporcijās, veido visu gigantisko vielu daudzveidību uz Zemes. Atomi molekulā ir cieši saistīti savā starpā, veidojot saites, ko ķīmiķi sauc par ķīmiskajām saitēm, tāpēc lielākā daļa molekulu jūtas diezgan stabili un nesadalās. Cita lieta, ka daži atomi nevar savienoties ar citiem vai var aptvert tikai ierobežotu skaitu Mendeļejeva tabulas biedru. Šeit daba pavēl, kas viņai patīk un kas nepatīk. Viņai ir savs priekšstats par skaistiem un noderīgiem auskariņiem. Un ķīmiķi uzskata, ka šīs vēlmes ir likums.
Viena elementa atomi var savienoties viens ar otru. Un tad mēs iegūstam vielas, kuras sauc ar elementa nosaukumu, piemēram, zeltu. Šādas vielas ķīmiķi sauc par vienkāršām vielām. Taču, ja vienā molekulā satiekas dažādu elementu atomi, tad mēs iegūstam sarežģītāku vielu, ko sauc par savienojumu. Visa neskaitāmo vielu bagātība un daudzveidība mums apkārt ir tikai dažādu atomu, dažādu elementu kombinācijas. Ja divi skābekļa atomi savienojas kopā, mēs iegūstam skābekli – neredzamo gāzi, kas ir daļa no gaisa, ko elpojam, un kuras mums dažkārt tik ļoti pietrūkst aizdūmotajā pilsētā. Ja trīs atomi – ozons, arī – neredzama gāze, kas veidojas atmosfērā negaisa laikā. Ja skābekļa atoms savienojas ar diviem ūdeņraža atomiem, tad veidojas visbrīnišķīgākā viela uz Zemes – ūdens, ko mēs dzeram. Vai arī ir slavenais nātrija atoma un hlora atoma savienojums. Tie savienojas, veidojot baltu kristālisku vielu, ko mēs liekam sāls spainītī.
Jā, es zinu, ka jums uz mēles ir sarežģīts jautājums – no kā sastāv atomi? Baidos, ka ceļojums matērijas dzīlēs šķiet gandrīz bezgalīgs. Iespējams, tas tā arī ir. Taču šodien par atomiem jau daudz kas ir zināms. Fiziķi apgalvo, ka atomiem ir arī struktūra. Katram mazajam atomam ir vēl mazākas daļas: kodols, kas sastāv no protoniem un neitroniem (fiziķi tos sauc par elementārdaļiņām), ap kuriem kā planētas ap sauli rotē citas elementārdaļiņas – elektroni.
Pateicoties šai atomu iekšējai struktūrai, elementi atšķiras viens no otra. Šīs pašas atšķirības ļāva ķīmiķiem sakārtot elementus Mendeļejeva tabulā stingrā secībā. Tie nav sakārtoti alfabēta secībā vai pēc atklāšanas datuma. Elementi ir sakārtoti saskaņā ar to numuriem. Elementa numurs ir atkarīgs no tā atoma struktūras. Piemēram, ūdeņradis ir numur 1. Tas nozīmē, ka tā atomā ap kodolu rotē tikai viens elektrons. Hēlijam ir divi elektroni zem 2. numura, bet skābeklim ir sešpadsmit elektronu zem 16. numura. Elektronu skaits elementa atomā ir ļoti svarīgs skaitlis, un no tā ir atkarīgas elementa īpašības, raksturs un uzvedība. Tāpēc kompetents ķīmiķis, aplūkojot Mendeļejeva tabulu, var precīzi pateikt, kuru elementu atomi var veidot ķīmisko saiti, kuri atomi, savienojoties, veido metāla lietņu, bet kuri – gāzi.
Izrādās, ka visa Visumā esošā matērija, tostarp Zeme un viss, kas uz tās atrodas, sastāv tikai no trīs veidu elementārdaļiņām – neitroniem, protoniem un elektroniem. Vai tas nav pārsteidzoši?
Nē, nē, nejautājiet man, no kā sastāv protoni, neitroni un elektroni! Tas ir labs jautājums, par to nav šaubu. Un fiziķi šajā reizē sāks stāstīt par kvarkiem, no kuriem sastāv protoni un neitroni, par to «aromātu», «krāsu» un citām īpašībām, par to, ka kvarki savā tur… Šeit mēs apstāsimies, jo īpaši tāpēc, ka matērijas dzīlēs vēl ir daudz neskaidrību. Mūsu brīnišķīgā pasaule nav līdz galam iepazīta, un atbildi uz daudziem neatrisinātiem jautājumiem, pilnīgi iespējams, jūs atradīsiet, kad kļūsiet pieauguši un veltīsiet sevi zinātnei.
Neredzamais atstāj pēdas
Es jūtu, kā mani pārņem šaubas. Ja šīs molekulas, atomi un elementārdaļiņas ir tik mazas, ka tās nav saskatāmas, kāpēc mēs tik pārliecinoši apgalvojam, ka tās eksistē? Vai var būt tā, ka tās vispār nepastāv?
Patiešām, atoma izmērs ir niecīgs. Un vēl nesen nebija mikroskopa, ar kuru tos varētu saskatīt. Taču tas nenozīmē, ka nevar būt pārliecināts, ka atomi un elementārdaļiņas pastāv.
Iedomājieties, ka jūsu mājā ir pele. Jūs to neredzat, bet droši zināt, ka tā tur ir: uz galda atstāts siera gabaliņš naktī pazūd, mājā ir peļu pēdas, un naktī jūs dzirdat šņākšanu. Tātad pele ir, lai gan tā nav redzama. Šo secinājumu mēs izdarījām, kā saka zinātnieki, pamatojoties uz netiešiem novērojumiem. Vai arī pa debesīm lido lidmašīna. Augsti un augstu, jūs to nemaz neredzat, un jūs nedzirdat tās dzinēju troksni. Taču jūs skaidri redzat balto pēdu, ko tā atstāj debesīs. Zinātnieki to sauc par inversijas pēdām.
Nu, tā ir lieliska ideja, lai uzzinātu par daļiņu pastāvēšanu no to pēdām. Šādu pieeju izmantoja skotu fiziķis Čārlzs Vilsons, 20. gadsimta sākumā izveidojot ievērojamo Vilsona kameru. Caurspīdīgajā kamerā ir pārsātināti ūdens tvaiki. Pietiek tikai mazākā iejaukšanās šajos tvaikos, lai gaisā peldošās ūdens molekulas sāktu salipt kopā, veidojot acīm redzamus ūdens pilienus. Šo procesu sauc par kondensāciju, un to bieži var redzēt, kad automašīnas logi ir aizsvīduši vai kad no rīta pēc aukstas nakts uz zāles un ziediem krīt rasa. Starp citu, tieši šādi debesīs veidojas lidmašīnas pēdas. Ūdens tvaiku kondensāciju izraisa no dzinēja izlidojošās nepilnīgi sadegušās degvielas daļiņas. Tāpēc inversijas pēdu bieži sauc par kondensācijas pēdu.
Elementārā daļiņa, elektrons vai protons, ko fiziķi pirms tam stipri paātrina īpašos daļiņu paātrinātājos – ciklotronos, ielido šādā kamerā. Acumirklī daļiņa izlido cauri kamerai un atstāj aiz sevis kondensācijas pēdu, kas sastāv no ūdens pilieniem. Šī pēda, ko fiziķi dēvē par pēdu, nepazūd uzreiz, tāpēc pētniekiem ir laiks to nofotografēt. Attēli ir pārsteidzoši skaisti. Fiziķi ne tikai skatās uz tām, bet lasa tās kā grāmatu par elementārdaļiņu dzīvi un notikumiem, kas notiek, tām saduroties Vilsona kamerā.
Izmantojot netiešās metodes, var pierādīt arī neredzamo molekulu pastāvēšanu. Skotijas botāniķis Roberts Broughtons gandrīz pirms 200 gadiem pamanīja ko neparastu. Ja sīkas ziedu putekšņu daļiņas ievieto ūdenī un novēro caur mikroskopu, redzams, ka putekšņu daļiņas nestāv uz vietas, bet visu laiku veic nejaušus lēcienus. Šo nepārtraukto daļiņu juceklīgo klaiņošanu šķidruma tilpumā par godu atklājējam nodēvēja par Brauna kustību.
Taču šīs daļiņas
