Як цана фарбы ўсталёўваецца ў сэрцах паміраючых зорак

Чаму кароўнікі афарбаваны ў чырвоны колер

Сёння я паспрабую растлумачыць сапраўдную прычыну таго, што кароўнікі афарбаваны ў чырвоны колер: ядзерны сінтэз. І так, гэта апраўданне здзейсніць вар'яцкую паездку па нейкіх чужых кутках фізікі і хіміі, каб даць вам рэальны, сапраўдны-не-БС адказ на простае пытанне.

Крэдыт: Джон Крыстафер

Гэтае пытанне засеў у мяне ў галаве ў выніку эпізоду даўно забытага сіткама пад назвай Кіраўнік класа, пра клас сярэдняй школы, поўны разумных дзяцей. (Падобна на прывітанне назад, Коттэр у зваротным парадку) Гэта амерыканскае шоу, якое абавязкова перыядычна падкрэслівае перавагу звычайнай цноты "простага люду", таму ў адным эпізодзе галоўныя героі сутыкаюцца з нейкім акадэмічным конкурсам з дзецьмі у сельскай школе, і ў канчатковым выніку прайграюць, бо іх веды ў горадзе не могуць адказаць на пытанне "чаму кароўнікі чырвоныя?" (І, здаецца, гэты эпізод мяне настолькі раззлаваў, што праз некалькі дзесяцігоддзяў, калі ў мяне застаецца толькі самая мутная памяць пра існаванне шоу, я ўсё яшчэ памятаю яго). Адказ, які паказвае шоў, - "чырвоная фарба танней", што абсалютна дакладна , але гэта на самай справе не кажа вам, чаму чырвоная фарба танней. Зразумела, гэта не таму, што Цэнтральны камітэт па цэнаўтварэнні фарбаў пастанавіў, што чырвонае будзе ў модзе ў гэтым стагоддзі, альбо з-за сакрэтных камуністычных сімпатый ранніх амерыканскіх фермераў. На самай справе, каб адказаць на гэта, мы павінны прайсці ўвесь шлях да фарміравання самой матэрыі.

Фарбы, пігменты і сонца

Перш за ўсё, давайце падумаем, што такое фарба. Як мінімум, фарба - гэта спалучэнне злучнага рэчыва (нейкага матэрыялу, які высыхае, утвараючы плёнку, напрыклад, акрыл або алей) і пігмента, нейкі матэрыял, які надае ёй колер. Пігмент - гэта матэрыял, які паглынае некаторыя колеры святла і адлюстроўвае іншыя; большасць пігментаў з'яўляюцца мінераламі. (Ёсць таксама арганічныя пігменты, такія як Імператарскі тырыйскі фіялетавы, выраблены з сопляў Мурэкса, але не так шмат, і яны, як правіла, значна даражэйшыя па той простай прычыне, што тут значна больш парод, чым жывёл і расліны.) Такім чынам, каб пігмент быў танным, ён павінен зрабіць добры пігмент, і ён будзе танным - давайце разбярэмся з тым, што з іх адбываецца.

Чырвоная вохра, таксама вядомая як аксід жалеза (III).

Каб быць добрым пігментам, у першую чаргу, нешта павінна мець прыемны, яркі колер. Тое, як пігменты даюць колер, заключаецца ў тым, што на іх ззяе святло, і яны паглынаюць некаторыя, але не ўсе, колеры святла. (Памятайце, што белы свет - гэта сумесь шматлікіх колераў святла) Напрыклад, охра чырвоная, ён жа гематыт, ён жа бязводны аксід жалеза (Fe₂O3), паглынае жоўтае, зялёнае і сіняе святло, таму святло, якое адбіваецца ад яго, чырванаватае. апельсін. (Гэта бывае пігментам, які выкарыстоўваецца ў хляве фарбы, таму мы да яго вернемся.) Святло паглынаецца, калі фотан (часцінка святла) трапляе ў пігмент электрон і паглынаецца, перадаючы яго энергію да электрона. Але квантавая механіка кажа нам, што электрон не можа паглынаць любую колькасць энергіі: пэўныя энергіі (а значыць, і колеры), якія ён можа паглынаць, залежаць ад размяшчэння электронаў у матэрыяле, што ў сваю чаргу залежыць ад яго хіміі.

Падрабязныя разлікі, ці нават не вельмі падрабязныя разлікі, выходзяць за рамкі гэтага паста. (Ёсць нават цэлыя кнігі пра гэта, напрыклад, "Фізіка і хімія колеру Насава") Але ёсць адна важная карціна, пра якую я магу прынамсі расказаць, а менавіта: калі вы паглядзіце розныя атамы, якія ўтвараюць пігмент, і вы паглядзіце на іх крайніх электронах (не на ўнутраных электронах, якія настолькі моцна звязаны са сваім атамам, што яны не ўдзельнічаюць у хіміі; уся хімія вызначаецца паводзінамі самых знешніх электронаў вакол атама), а потым высвятляецца, што некаторыя віды Самыя вонкавыя электроны ўтвараюць пігменты, а некаторыя - не.

Перыядычная табліца. Для кожнага элемента ёсць схема таго, як электроны размешчаны ў «абалонках» вакол ядра; Толькі самыя вонкавыя электроны маюць значэнне для хіміі, альбо для святла. Ракавінкі бываюць розных памераў: абалонкі, якія могуць утрымліваць да двух электронаў, p абалонак, якія могуць дасягаць шасці, d, якія змяшчаюць да дзесяці, або f, якія змяшчаюць да чатырнаццаці. Два высокія слупы злева - гэта тыя, дзе самая вонкавая абалонка - гэта абалонка s, і гэтак далей. Элементы, якія будуць утвараць колеры, бачныя чалавечаму воку, маюць вонкавыя г абалонкі - вялікі гарызантальны блок пасярэдзіне. Выява з Вікісховішча.

Чарадзейная ўласцівасць - гэта тое, што называецца "імпульс кута", які ў асноўным вымярае, наколькі хутка гэтыя крайнія электроны круцяцца вакол ядра. Электроны ў атамах набіраюць імпульс толькі з фіксаванымі крокамі (зноў такая квантавая механіка, дазволеныя толькі фіксаваныя крокі), і па гістарычных прычынах першыя некалькі прырашчэнняў называюцца "s", "p", "d" і "f". На перыядычнай табліцы элементы, чые знешнія электроны "s", утвараюць два самых высокіх левых слупа; элементы "р" - вялікая плошча справа; элементы "d" - гэта вялікі блок пасярэдзіне; і элементы "f" - гэта два радкі ўнізе. (Калі мы калі-небудзь зробім элемент 121, гэта будзе першы элемент "g")

Электроны з меншым вуглавым імпульсам круцяцца на больш шаровых (а не дэфармаваных) арбітах, і калі некалькі электронаў спрабуюць праляцець па адной і той жа шарападобнай арбіце, яны адштурхваюцца адзін ад аднаго даволі моцна. Вынік гэтага заключаецца ў тым, што сустрэча двух электронаў будзе мець вельмі розную энергію - і аказваецца, што ў квантавай механіцы колькасць энергіі, які электрон можа паглынуць, з'яўляецца менавіта розніцай паміж гэтымі ўзроўнямі энергіі. Такім чынам, "s" азначае вялікі разрыў, "p" крыху меншы, і гэтак далей. І аказваецца, што "d" электроны знаходзяцца менавіта ў мілым месцы, дзе гэты прамежак адпавядае бачнаму святлу.

Ну, чаму бачныя менавіта такія колеры святла? З-за тэмпературы Сонца: нашыя вочы не эвалюцыянавалі, каб убачыць рэнтгенаўскія прамяні, таму што тут не так шмат рэнтгенаўскіх прамянёў. Замест гэтага яны вельмі адчувальныя ў дыяпазоне колераў, якія вырабляе Сонца, ад чырвонага (каля 780 нм даўжыні хвалі) да пікавай яркасці жоўтага колеру (каля 600 нм) аж да фіялетавага (каля 400 нм). Гэтыя колеры адпавядаюць прамежкам энергіі каля 0,3 вольт электронаў (эВ, добрая адзінка энергіі для вывучэння атамаў), якія прама вакол энергій хімічных сувязей з удзелам d-электронаў. s- і p- сувязі залучаюць энергію 1–3 эВ, што адпавядае даўжыні хваль каля 100 нм, у далёкім ультрафіялетавым дыяпазоне.

Хіба нам проста пашанцавала, што Сонца жоўтае, і калі б мы жылі на арбіце іншай зоркі, карысныя пігменты могуць паходзіць з p сувязей? Дзіўна, але адказ не. Колер Сонца прыходзіць даволі непасрэдна ад яго тэмпературы: ён літаральна свеціцца жаўтавата, з тэмпературай паверхні каля 5800K. Самыя крутыя зоркі - чырвоныя карлікі - каля 2800K і свецяцца чырвонымі. Самыя гарачыя зоркі тыпу O зоркі дасягаюць каля 40 000 К, усяго 72 нм; але высвятляецца, што калі зорка становіцца гарачай, чым клас F (каля 7 000 К, каля 400 нм - блакітны), яе працягласць жыцця пачне хутка памяншацца. Гэта таму, што тэмпературу зорак на самай справе фіксуюць віды рэакцыі сінтэзу, якія адбываюцца ў іх ядры, да якіх я вярнуся праз імгненне, і тыя больш гарачыя рэакцыі прагараюць праз іх паліва нашмат хутчэй. Вынік заключаецца ў тым, што любая зорка, якая будзе доўжыцца досыць доўга, каб мець планеты з жыццём на іх, можа быць крыху чырваней ці крыху шырэйшай за наша Сонца, але не радыкальна: і гэта тыя арбіталі, якія будуць рабіць лепшыя пігменты для тых, чые вочныя яблыкі там развіваліся.

Калі вы паглядзіце на зоркі, вы зразумееце гэта выразна. На фота вышэй паказаны шарападобныя навалы Тэрзан-1, у Скарпіёне, дзе жывуць некаторыя з найстарэйшых зорак нашай галактыкі. Усе яны трохі жаўтлявыя або крыху чырванаватыя; ярка-сінія зоркі не ўваходзяць у склад навалы, але нашмат маладзейшыя зоркі бліжэй да нас. Яны не пражывуць дастаткова доўга, каб стаць часткай такой кластара, альбо для таго, каб хто-небудзь меў магчымасць жыць там. У вашым доме будзе жаўтаватае сонца.

Як вызначаецца кошт жалеза ў цэнтрах зорак

Такім чынам, цяпер мы ведаем, што робіць добры пігмент. Што робіць танны пігмент? Відавочна, што гэта шмат у даступных месцах, як зямная кара. Чырвоны пігмент, які стварае танную фарбу, - чырвоная охра, якая проста жалеза і кісларод. Іх неверагодна шмат: у зямной кары 6% жалеза і 30% кіслароду. Жалеза на сённяшні дзень з'яўляецца найбольш багатым элементам d на Зямлі, больш чым у дзесяць разоў часцей, чым наступны тытан. Кісларод, p-элемент, багаты і ўплывае на афарбоўку злучэнняў, у якіх ён размешчаны, але сапраўдны колер вызначаецца d-электронамі таго, што да яго далучана: чырвонага ад жалеза, блюзу і зеляніны з медзі, прыгожага цёмна-сіні ад кобальту і гэтак далей.

Такім чынам, калі мы ведаем, што добрыя пігменты будуць утварацца з элементаў гэтага вялікага d-блока пасярэдзіне, рэальны пытанне: чаму адзін з гэтых элементаў, жалеза, так значна часцей, чым усе астатнія? Чаму наш свет не ў асноўным выраблены з, скажам, медзі альбо ванадыя?

Зноў адказ - ядзерны сінтэз.

Каб растлумачыць гэта, нам трэба падумаць пра тое, як на самай справе працуе сінтэз. Асноўны прынцып складаецца ў тым, што два невялікіх атамных ядра аб'ядноўваюцца, утвараючы больш ядро. Зараз тут працуюць дзве сілы: ёсць электрамагнітная сіла, якая прымушае станоўча зараджаныя ядра адштурхоўвацца, і адштурхоўвацца адно ад аднаго ўсё больш і больш, калі яны збліжаюцца. І ёсць моцная ядзерная сіла, якая ядзерна трымае ядра: яна магутна прывабная, значна мацнейшая за электрамагнітную сілу, але ў яе ёсць цікавая ўласцівасць: яна проста адключаецца на адлегласці значна больш, чым на адзін фемтометр. (10⁻¹⁵ метраў, памер сярэдняга ядра). Каб зрабіць зліццё, трэба неяк падштурхнуць два ядра разам з дастатковай сілай (звычайна ў выглядзе цяпла і ціску), каб пераадолець іх адштурхванне, пакуль яны не патрапяць у межах дыяпазону моцная сіла, і ў гэты момант ён злучыць іх з уражлівай сілай і вызваліць шмат энергіі ў гэтым працэсе.

Просты сплаў; чырвоныя - станоўча зараджаныя пратоны, а чорныя - незараджаныя нейтроны. Калі дэйтэрон і трытон (дзве разнавіднасці вадароду, у кожным з якіх адзін пратон), падштурхоўваюцца, пратоны адштурхоўваюцца; але як толькі яны досыць блізка, яны зліваюцца, утвараючы адзіную кропля з двух пратонаў і трох нейтронаў. Адзін з нейтронаў адвальваецца, і вы пакідаеце гелій-4 і вандроўны нейтрон, а таксама шмат энергіі! Вы зарабляеце больш энергіі назад, чым прыйшлося ўкласці, каб выштурхнуць два ядра разам, таму што моцныя сілы паміж часціцамі гелія-4 вельмі рады звязваць такое акуратнае і кампактнае ядро. З Вікіпедыі.

Гэта дае нам два правілы. Па меры павелічэння колькасці задзейнічаных ядраў колькасць энергіі (у прыватнасці, цяпла і ціску), неабходнай для адключэння сінтэзу, становіцца больш высокай, таму што ў вас ёсць большае адштурхванне, якое вам трэба будзе пераадолець, перш чым пачаць зліццё. Па-другое, калі ядры становяцца большымі, то колькасць энергіі, якую вы атрымліваеце назад ад зліцця, становіцца менш: у большым ядры, якое вы ўтварылі б, вы ўсё яшчэ маеце ўсё гэта адштурхванне, але моцная сіла можа злучыць толькі нуклоны, знаходзяцца блізка адзін да аднаго, так як ядро ​​становіцца больш, вы працягваеце дадаць адштурхванне, але вы не працягваеце дадаваць прывабнасць.

Гэта азначае, што зліццё сапраўды дробных элементаў з'яўляецца вельмі эфектыўным; спалучэнне двух атамаў вадароду проста выдатна. (Па розных тэхнічных прычынах крыху больш цяжкія ізатопы вадароду - дэйтерый (пратон з нейтронам) і трыцій (пратон з двума нейтронамі) лепш, чым голыя пратоны. Вось адкуль паходзіць "DT" зліцця DT, і гэта выгляд, які сілкуе як сонца, так і H-бомбы.)

На самай справе, калі атомы становяцца занадта вялікімі, вы больш не атрымліваеце зваротнай энергіі ад зліцця: апошнія рэакцыі, якія аказваюцца чыста станоўчымі, з'яўляюцца тыя, якія ўтвараюць атамы з 56 агульнымі нейтронамі і пратонамі. Акрамя гэтага, зліццё пачынае спажываць больш энергіі, чым вырабляе, і нічога не загарыць. (Калі вы дойдзеце да гэтага, да 232 нуклонаў і больш, вы пачнеце бачыць ядра, якія настолькі нестабільныя, што хуткі ўдар зробіць іх дастаткова асобнымі, што адштурхванне возьме на сябе, і яны выбухнуць на ўра: гэта ядзернае дзяленне, тэма іншы раз)

А цяпер уявіце сабе зорку. Ён пачынае сваё жыццё як гіганцкі шар першабытнага вадароду з фарміравання Сусвету, і пад вялікім ціскам гравітацыі ён пачынае плавіцца. Пачынаючы зліццё, ён пачынае ўтвараць больш цяжкія элементы, такія як гелій: але (правіла 1) для ўзбуджэння гелію патрабуецца больш высокая тэмпература, чым гэтыя простыя тэмпературы плаўлення вадароду, таму гелій у асноўным дзейнічае як забруджвальнае рэчыва і проста стварае працу. У канчатковым выніку гэта зніжае эфектыўнасць плаўлення настолькі, што ўзроўні магутнасці пачынаюць зніжацца.

Але адзінае, што ўтрымлівала зорку, - гэта энергія рэакцый сінтэзу, і калі ўзровень магутнасці зніжаецца, зорка пачынае змяншацца. І як яно памяншаецца, ціск павышаецца, і тэмпература падымаецца, пакуль раптам не наб'е тэмпература, з якой можа пачацца новая рэакцыя. Гэтыя новыя рэакцыі даюць яму вялікі прыліў энергіі, але ўсё роўна пачынаюць фарміраваць больш цяжкія элементы, і так паступова цыкл паўтараецца, і зорка рэагуе ўсё далей і далей уверх перыядычнай табліцы, ствараючы ўсё больш і больш цяжкія элементы, як гэта адбываецца.

Пакуль не атрымліваецца 56. У гэты момант рэакцыі проста перастаюць вырабляць энергію; зорка выключаецца і развальваецца, не спыняючыся. Гэты калапс яшчэ больш узмацняе ціск і стварае розныя ядзерныя рэакцыі, якія вырабляюць яшчэ больш важкія элементы, але яны не вырабляюць ніякай энергіі: проста рэчы. Гэтыя рэакцыі адбываюцца толькі ненадоўга, на працягу некалькіх стагоддзяў (альбо на некаторыя рэакцыі, усяго некалькі гадзін!), Калі зорка развальваецца, таму яны не вырабляюць вельмі шмат рэчы, якая цяжэйшая за 56.

Калі зоркі маленькія, яна апынецца ў выглядзе палыну, які павольна астывае, альбо як белы карлік. Але калі ён досыць вялікі, то гэты калапс адправіць ударныя хвалі праз цела зоркі, якія адскокваюць ад ядра зоркі, выштурхоўваючы руйнаваную сценку матэрыі вонкі, больш чым дастаткова энергіі, каб пазбегнуць яе цяжару: зорка выбухае ў звышновай, выносячы добры ⅓ агульнай масы і высейваючы астатнюю частку Сусвету з элементамі, цяжэйшымі за просты вадарод, з якога мы пачалі. Гэтыя элементы, у сваю чаргу, далучацца да сумесі для наступнага пакалення зорак, а таксама да акрэсленых аблокаў рэчаў, якія будуць ператварацца ў згусткі, а не трапляць у гэтыя зоркі: гэта значыць планеты. Вось так утварыліся ўсе хімічныя элементы Сусвету.

Прадказанне B2FH для багацця элементаў. Кропкі - эксперыментальныя значэнні; Крывая - гэта іх прадказанне. Яны зрабілі гэта, выкарыстоўваючы 1957 фізіку і камп'ютэры.

Адкуль мы можам ведаць, што адсюль узяліся элементы? Вакол гэтага ёсць цэлая вобласць навукі, але класічны дакумент для яго аўтараў звычайна вядомы як "B2FH" - Бербідж, Бербідж, Фаўлер і Хойл. Карыстаючыся толькі фізікай і вылічальнымі рэсурсамі, даступнымі ім у 1957 г., яны падлічылі ўсе розныя працэсы, дзякуючы якім элементы ўтвараліся б у зорак, дастаткова падрабязна, каб прадказаць суадносіны элементаў, якія ўтвараліся, і прагназаваць каэфіцыент багацця хімічных элементаў у нашай Сонечнай сістэме. Дзіўна, але яны зрабілі даволі праклятае добрае і грунтоўнае прагназаванне, дастаткова, што ўжо тады было ясна, што гэта курэнне - і з таго часу ён значна ўдакладнены.

Дык як гэта завязаць чырвоную фарбу? Ну, я вам казаў, што магічнае адсячэнне для звычайнага сінтэзу складае 56 нуклонаў. Паколькі гэта апошні момант у звычайнай ланцугу рэакцыі, шмат прадуктаў зліцця, як правіла, там "назапашваецца", перш чым зорка выбухне, і таму вы атрымліваеце значна больш ізатопу 56, чым вы нічога, акрамя сапраўды лёгкіх элементаў якія наогул не засцерагаюцца, альбо не вельмі моцна плаўкія. І што ў ім 56 нуклонаў і стабільна? Сумесь 26 пратонаў і 30 нейтронаў - гэта жалеза.

Бербідж, Бербідж, Фаулер і Хойл.

Таму з-за дэталяў ядзернага сінтэзу - пэўнага памеру, пры якім ядра перастаюць вырабляць энергію - гэты жалеза з'яўляецца найбольш распаўсюджаным элементам, цяжэйшым за неон. Як мы бачылі раней, вы павінны быць элементам d-block, каб зрабіць годны пігмент, а значыць, жалеза, безумоўна, будзе самым багатым пігментам для любога віду, які жыве на зорцы, падарваць. І ён будзе злучацца з кіслародам, найбольш багатым у планетарных скарынках, каб ён змацаваўся (толькі вадарод і гелій звычайна сустракаюцца і яны выпарваюцца), і ўтвараюць аксіды жалеза: тыя багатыя, чырвоныя вохры, якія мы змешваем з алеямі ўтвараюць танную ўстойлівую чырвоную фарбу.

І таму хлявы фарбуюць у чырвоны колер.

Версія гэтага артыкула з'яўлялася раней у Google+.

Каб даведацца больш: Штосьці значна цікавейшае, чым можна здагадацца: артыкулы пра фарбы і пігменты ў Вікіпедыі.

Вы таксама можаце прачытаць пра колер Сонца альбо пра колеры зорак і пра тое, як яны іх набываюць. Гэта звязана з тым, як мы вымяраем адлегласці ў космасе, і ўсё гэта ўваходзіць у гісторыю Гарвардскага камп'ютэра, групы з 13 жанчын-астраномаў пачатку 20 стагоддзя, якія разам зрабілі некалькі фундаментальных адкрыццяў сучаснай астрафізікі.