Scientia

Atomul este format din protoni, neutroni şi electroni. Primele două elemente sunt, la rândul lor, formate din nişte particule stranii numite quarcuri. Dar cum se combină acestea de rezultă entităţi cu proprietăţi diferite, ca protonul şi neutronul? Ce sunt aminoacizii? Se pot forma aceste molecule şi în spaţiul cosmic? (video inclus)

CITIŢI AICI TOATE ARTICOLELE DIN SERIA DEDICATĂ SISTEMELOR COMPLEXE

CUPRINS

Structura intimă a materiei - quarcurile şi nucleonii
Nucleul atomic
Norul electronic - straturile, substraturile şi orbitalii electronici
Moleculele
Trecerea de la sistemele simple către cele complexe

STRUCTURA INTIMĂ A MATERIEI - QUARCURILE ŞI NUCLEONII

Revenind la nivel subatomic, de unde începem să parcurgem scara structurii intime a materiei, remarcăm următorul aspect: doar două tipuri de quarcuri sunt întâlnite în compunerea materiei obişnuite. Fizicienii numesc în mod metaforic cele două tipuri de quarcuri - "arome" . Aceste quarcuri sunt quarcul up şi quarcul down (care nu înseamnă că unul ar avea vreo legătură cu "susul", iar altul cu "josul", ci este doar o convenţie de denumire).

Un proton ia naştere prin alăturarea a două quarcuri up şi a unui quarc down, în timp ce vărul său puţin mai greu, neutronul, este format din două quarcuri down şi un quarc up. Culorile roşu, verde şi albastru asociate quarcurilor în videoclip simbolizează o proprietate a acestora care intermediază atracţia lor reciprocă. Proprietatea, numită sarcină-culoare, este cea care ţine quarcurile laolaltă în interiorul unui proton ori al unui neutron.

NUCLEUL ATOMIC

Mai departe, protonii şi neutronii se pot combina dând naştere nucleului atomic al fiecărui element din tabelul periodic. Un nucleu format dintr-un singur proton caracterizează atomul de hidrogen, 2 protoni dau naştere heliului, 6 - atomului de carbon, 8 - oxigenului, 79 de protoni conţine nucleul atomului de aur şi 92 cel de uraniu.

Neutronii joacă un rol important în menţinerea împreună a protonilor în cadrul nucleului, deci la stabilitatea acestuia. Din cauza sarcinii lor electrice, protonii s-ar respinge mai puternic unii pe alţii în absenţa neutronilor, iar în cazul elementelor chimice mai grele acest lucru ar echivala cu dezintegrarea lor. În cadrul fiecărui element există neutroni în număr aproximativ egal cu cel al protonilor.

STRATURILE, SUBSTRATURILE ŞI ORBITALII ELECTRONICI

Atomii iau naştere atunci când protonii încărcaţi pozitiv din componenţa nucleului capturează electronii de sarcină electrică negativă. Atomii neutri au câte un electron pentru fiecare proton din nucleu, astfel că hidrogenul are un singur electron, care se alătură unicului proton din nucleul de hidrogen, heliul are 2 electroni, carbonul are 6 electroni, oxigenul 8, aurul are 79 de electroni şi uraniul 92.

În natură există aproape 90 de elemente chimice stabile. Cel mai mare dintre acestea poate conţine aproape 800 de particule fundamentale, combinate într-o structură complexă, dar stabilă. Numai că electronii nu se înghesuie pur şi simplu în jurul nucleului atomic. Strania şi minunata lume a atomului respectă anumite reguli şi în ceea ce priveşte învelişul electronic. Electronii sunt dispuşi sub forma unor straturi, substraturi şi orbitali în interiorul atomului şi numai 2 electroni pot ocupa acelaşi orbital. Astfel că, cu cât un atom are mai mulţi electroni, cu atât mai departe de nucleu sunt dispuse straturile exterioare, ceea ce înseamnă că acei electroni sunt mai uşor de desprins din structura atomului părinte.

Şi tocmai diferenţa aceasta de tărie a legăturilor dintre electroni şi nucleu în cadrul fiecărui tip de atom este cea care determină proprietăţile chimice ale respectivului element. Astfel se explică proprietatea metalelor de a transmite electricitatea, disponibilitatea scăzută a gazelor nobile de a forma compuşi chimici ori formarea moleculelor.

MOLECULELE

S-a constatat că protonii din două sau mai multe nuclee atomice diferite pot uneori să captureze şi să-şi dispute supremaţia asupra aceluiaşi electron. Când se întâmplă acest lucru, atomii diferitelor elemente se unesc pentru a da naştere moleculelor. De pildă, când un atom de oxigen pune în comun doi dintre electronii săi cu doi atomi de hidrogen, ia naştere o moleculă de apă. Unele molecule pot fi destul de mari şi complicate. Carbonul, hidrogenul şi oxigenul se combină pentru a forma unele dintre cele mai importante molecule de mari dimensiuni.

Aminoacizii sunt molecule necesare apariţiei formelor de viaţă bazate pe carbon şi, recent, s-a descoperit că aminoacizii se formează spontan, pe cale naturală, în imenşii nori gazoşi din spaţiul cosmic. Dat fiind că aceste molecule sunt precursoarele formelor de viaţă, este important de ştiut dacă ele sunt omniprezente şi pot fi găsite din abundenţă în Univers.

TRECEREA DE LA SIMPLU LA COMPLEX

Cam în acest punct ne apropiem de limita superioară a sistemelor pe care le numim simple, întrând pe teritoriul celor complexe. La nivelul moleculelor complexe, existenţa este destul de sigură şi stabilă. Molecule precum adenina sunt prea mari şi grele pentru ca principiul incertitudinii să se manifeste în vreun fel la acest nivel, astfel că bizareriile cuantice sunt foarte rar întâlnite în acest caz. Totuşi, fiecare moleculă de adenină este identică şi interschimbabilă cu oricare alta. Nu avem de-a face cu un grad suficient de mare de complexitate pentru apariţia caracteristicii de unicitate.

Pe de o parte, filmul formării unei molecule cu un grad de complexitate similar adeninei arată destul de plauzibil, fie că este rulat normal, spre înainte, ori derulat către înapoi, iar această reversibilitate este un indiciu al simplităţii. Dar, pe de altă parte, filmul formării unei molecule de adenină pare totuşi destul de diferit în comparaţie cu cel al descompunerii sale. Deşi descompunerea pare un proces natural, acest proces ne apare ca relativ forţat când este derulat spre înapoi, iar acesta este un indiciu că traversăm limita dintre simplitate şi complexitate, trecând în zona sistemelor complexe.

_________
Notă: articolul de mai sus este adaptarea textului folosit în film.
Traducerea şi adaptarea: Scientia.ro.
Credit: www.cassiopeiaproject.com