Химические элементы в брелоках (брелках)!
Теперь оказывается можно вот так собирать химические элементы, и еще и послание с элементом отправлять, зашифрованное в QR-коде.
Теперь оказывается можно вот так собирать химические элементы, и еще и послание с элементом отправлять, зашифрованное в QR-коде.
Сегодня два дня в одном! Календарь должен быть полным и универсальным, поэтому сегодня последний день зимы, но блин, сегодня же первый день весны. Обстоятельства вынудили меня сделать сегодня два поста.
Прикольно вышло. И изобретатель и его творение (то самое, которое его прославило и озолотило) появились в один день с разницей в 28 лет. Первую в истории электромеханическую машину для автоматической обработки данных Герман Холлерит построил в 1888 году, а уже в 1890, правительству США понадобилось обработать данные переписи населения и табулятор Холлерита обогнал по удобству и быстродействию все остальные возможные варианты. На волне успеха изобретатель открыл фирму по производству табуляторов под названием Tabulating Machine Company, которая в итоге (после ряда организационных изменений) в 1924 году превратилась в International Business Machines, или более привычное нам IBM.
В этом году периодической таблице Менделеева исполняется ровно 150 лет. Давайте сегодня поздравим ее с днем рождения, пожелаем ее элементам меньше фонить и чаще быть благородными.
Вы никогда не задумывались, почему таблица Менделеева выглядит так «неровно»? В этом посте я постараюсь рассказать, почему.
В прошлом посте были упомянуты энергетические уровни атома, на которых находятся его электроны. Чем ближе к ядру, тем меньше энергия электрона. Если электрон «возбудить» (например, скормить ему фотон определённой частоты), то электрон сможет подскочить на один из более высоких уровней). В физике данные уровни нумеруют по порядку, начиная с ближайшего уровня к ядру, и называют эти числа главным квантовом числом, с обозначением n. По нему мы можем судить о том, какой энергией обладает электрон.
Так же было упомянуто уравнение Шрёдингера. В классической механике мы используем Второй закон Ньютона (F = ma) для того, чтобы предсказать изменение физической системы со временем при известных начальных условиях. Если решить данное уравнение, можно получить новое положение и импульс системы, как функцию внешней силы F, действующей на систему.
Данных двух параметров (положение и импульс) достаточно для того, чтобы описать состояние системы в любой момент имени. В мире квантовых систем (атомов, молекул, субатомных частицах и т. д.), в силу действия принципа неопределённости Гейзенберга (которого я уже касался), мы не можем знать одновременно и положение, и импульс системы. Грубо говоря, мы можем знать некоторые характеристики только «приблизительно» или «с определённой вероятностью». Поведение объекта можно описать лишь волновой функцией, которая свяжет вместе все факты о свойствах частицы, а решая уравнение Шрёдингера с этой волновой функцией можно получать распределение вероятностей той или иной характеристики.
Используя одну и ту же волновую функцию, можно построить графики всех свойств частицы. В принципе, при помощи преобразования Фурье можно выразить одно свойство через другое (положение через импульс и обратно), но это сейчас не важно.
Положение и импульс электрона нам особой пользы не приносит, так как он может быть где угодно, скорее там, где соответствующий график выпирает повыше. Но больше пользы будет от определённых, «стационарных состояний» (таких состояний, которые не изменяются во времени). Например, энергию частицы, одновременно с которой мы можем измерять так же величину и ориентацию вектора момента импульса. Момент импульса оказался важен для «орбитали» электрона.
Термин «орбиталь» остался с нами со времён планетарной модели атома. Его ассоциация с орбитой (планеты) сослужила дурную службу не одному поколению студентов. Лучше бы сейчас использовали другой термин. С другой стороны для объектов квантового мира очень сложно подбирать аналоги из того, что можно представить или пощупать. Наиболее приближённой (однако, по-прежнему неверной) аналогией будет представление электрона в виде «облака» или «атмосферы» вокруг ядра, где-то оно «плотнее», где-то «разряжённее» – в «плотных» областях вероятность обнаружить электрон выше. Причём, данное облако может принимать разные формы, в зависимости от наличия соседей и энергии. Так что электроны не летают вокруг ядра, однако они имеют как линейный импульс, так и угловой момент (момент импульса).
Так какое отношение момент импульса имеет к «орбитали»? Орбиталь лучше всего рассматривать как составную часть энергетического уровня, она показывает, какую форму могут принимать электронные «облака». Анализируя распределение вероятностей, удалось установить, что чем дальше энергетический уровень от ядра атома, тем больше на этом уровне «места» (на самом деле, степеней свободы), соответственно, тем больше электронов может такой уровень вместить. Наличие «соседей» искажают форму «облака». Я немного упрощаю, но орбиталь – это величина вектора углового момента электрона.
Чтобы описать тип орбитали на энергетическом уровне, мы используем второе орбитальное квантовое число l, которым мы будем обозначать количество возможных типов орбиталей на данном уровне (n). Впрочем, исторически сложилось так, что типы орбиталей обозначают ещё и буквами s, p, d, f. (Буквенные обозначения атомных орбиталей произошли от описания спектральных линий в атомных спектрах: s (sharp) — резкая серия в атомных спектрах, p (principal)— главная, d (diffuse) — диффузная, f (fundamental) — фундаментальная). На рисунке сверху вниз – номера уровней, слева направо – типы орбиталей, а их форма — на пересечении:
Как, надеюсь, все знают, угловой момент – это векторная величина, а вектор имеет не только скалярную величину, но и направление действия (ориентацию). Для описания орбитали мы воспользовались величиной вектора углового момента, но у нас осталось ещё и его направление. Например, на рисунке ниже можно увидеть, все возможные ориентации векторов углового момента (они образуют плоскость и 4 конуса) для орбитали l = 2 (тип d). Если мы возьмём проекции этих ориентаций на ось z, то получим кратные значения приведённой постоянной Планка: -2, -1, 0, 1, 2 – всего 5 вариантов:
Эти значения называются магнитным квантовым числом и обозначается m. Магнитным оно называется тоже исторически – в 1896 году голландский физик Питер Зееман поместил в сильное магнитное поле устройство, аналогичное водородной лампе, но наполненное парами раскаленного натрия. Обнаружилось, что в магнитном поле число линий в спектрах испускания возрастает. Спектры становятся сложными, но можно было видеть, что каждая p-линия распадается в магнитном поле на 3 новых линии, каждая d-линия — на 5, каждая f-линия — на 7 линий, а s-линии не изменяются. Поскольку орбитали атома становятся «видны» только в магнитном поле, очередное квантовое число, записывающее «адрес» орбитали в атоме, назвали магнитным квантовым числом.
Правило такое, если орбитальное квантовое число = l, то магнитные квантовые числа m могут меняться в диапазоне целых чисел от -l до l, включая 0. Визуально формы орбиталей в зависимости от трёх квантовых чисел (основного n, орбитального l и магнитного m) показаны ниже (например, конфигурация оболочка 3, орбиталь типа d, магнитный момент 1 обозначена как 3d1):
Прежде, чем идти дальше, необходимо кое-что разъяснить про то, что такое спин.
Картина, казалось бы, полная, но, как выяснилось в ходе опыта Штерна-Герлаха в 1922 году, электроны имеют собственный магнитный момент и связанный с ним момент импульса... спин. Это, наверное, самый труднопонимаемый термин квантового мира. Само слово spin означает в английском языке «быстрое вращательное движение», что в момент открытия казалось логичным – раз есть момент импульса, значит, есть вращение... Но нужно помнить – электрон не имеет размера, это точечный заряд, а безразмерная точка не может никак вращаться. Более того, если бы подобное вращение действительно имело место, а электрон имел бы размер, то для генерации подобного момента импульса, ему надо было бы вращаться быстрее скорости света... Стоит просто принять, что спин – просто ещё одно свойство частиц (как цвет у автомобиля или запах у духов), и что никакого вращения на самом деле не происходит. Просто так получилось, что у частиц есть момент импульса, будто бы они вращались.
Как и почти всё в квантовом мире, спин квантуется (имеет порции) равные полуцелым множителям приведённой постоянной Планка, так же известной, как постоянная Дирака ħ (ħ = h / 2π). Разные частицы могут иметь спин равный 0, ½ħ, 1ħ, 3/2ħ, 2ħ и т. д. Нас интересует электрон, и его спин имеет значение ½ħ либо –½ħ (иногда можно встретить, как положительный спин электрона показывают стрелкой, направленной вверх ↑, и называют «верхним электроном» а отрицательной – стрелкой вниз ↓ или «нижним электроном»).
Возьмём шар, как бы мы его не поворачивали, он при любом повороте неотличим от начального состояния. Про него можно сказать, что его спин равен 0. Возьмём теперь любой несимметричный предмет – для того, чтобы его вернуть к первоначальному виду, необходимо его повернуть на 360 градусов. Про такой объект можно сказать, что его спин равен 1. Теперь возьмём симметричное тело, например цилиндр. Если мы его повернём на 180 градусов, мы так же не сможем отличить его текущее состояние от первоначального, поскольку за полный оборот, он будет в таком состоянии дважды, его спин будет равен 2. Про спин в ½ сложнее. Такое значение по нашей логике должен иметь предмет, состояние которого вернётся к исходному за два полных оборота (720 градусов). В макро-мире тоже можно сконструировать подобные объекты (на гифке пример вращения на 2 оборота для возврата в первоначальное состояние):
Если взять ленту Мёбиуса и представить, что по ней ползет муравей, тогда, сделав один оборот (пройдя 360 градусов), муравей окажется в той же точке, но с другой стороны листа, а чтобы вернуться в точку, откуда он начал, придётся пройти все 720 градусов.
Ещё в какой-то мере аналогом половинчатого спина может служить четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. При повороте коленчатого вала на 360 градусов поршень вернётся в исходное положение (например, верхнюю мёртвую точку), но распределительный вал вращается в 2 раза медленнее и совершит полный оборот при повороте коленчатого вала на 720 градусов. То есть при повороте коленчатого вала на 2 оборота двигатель внутреннего сгорания вернётся в то же состояние. В этом случае третьим измерением будет положение распределительного вала. Так и электрону – ему надо повернуться дважды, чтобы вернуться к предыдущему состоянию.
Все квантовые частицы имеют спин. У некоторых значения спина – целое число, и такие частицы называют бозоны (фотоны, глюоны, W и Z бозоны и т. д.), а некоторые – полуцелое (электроны, нейтрино, мюоны, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны), и они называются фермионами. Ещё можно сказать, что волновые функции у бозонов симметричные, а у фермионов – асимметричные.
Спин электрона является его четвёртым и последним квантовым числом – спиновым, и обозначается s. Два электрона могут находиться на одной орбитали (имея при этом совпадающие квантовые числа n, l, m, но при этом иметь разные направления спина).
Четыре квантовых числа (главное, орбитальное, магнитное и спиновое) полностью описывают состояние частицы, это своеобразный адрес электрона внутри атома.
Мы подходим к очень важному моменту – так как больше электронов на орбиталь «впихнуть» никак не получится, и никаких два фермиона (имеющих полуцелый спин) не могут иметь одинаковый набор квантовых чисел, то есть находиться в одном и том же квантовом состоянии.
То, что мы не можем нагромождать электроны друг на друга и объясняет причину, по которой вся материя должна эксклюзивно занимать определённый объём и не пропускать через себя другие материальные объекты. Это и есть Принцип запрета Паули. В то же время, это касается только фермионов (из них сделана материя), бозоны же (свет, радиация) могут при определённых обстоятельствах проходить сквозь материю, впрочем, иногда они поглощаются. Так, если вы будете стараться сблизить два электрона в одинаковых квантовых состояниях между ними возникнет дополнительное отталкивание, которое иногда ещё называют отталкиванием Паули.
Что это значит для нас? По мере роста атомного ядра, в нём растёт количество протонов, а значит – для того, чтобы атом был нейтрален, в нём должно присутствовать такое же количество электронов. Раз электроны не могут «селиться» на одной орбитали больше определённого количества, они вынуждены занимать «этажи» повыше, т. е. иметь боле высокую энергию.
Легко посчитать, что орбиталь типа s может вместить лишь 2 электрона, на орбитали типа p можно уместить 6 электронов, в d орбитали есть место для 10 электронов, а f орбиталь вмещает 14. Теперь, думаю, многим станет очевидно, почему периодическая таблица элементов выглядит именно так:
Если внимательнее приглядеться, то можно увидеть некоторое несоответствие – например следующей орбиталью за 3p идёт не 3d, а сразу 4s, что как-то нелогично. Однако в этом мире не всё так просто. Дело в том, что энергия, необходимая для начала заполнения орбитали 4s на самом деле ниже, чем энергия, необходимая для того, чтобы начать заполнение 3d:
Конфигурация электронов в атоме почти полностью определяют его химические свойства. С определённой точки зрения можно сказать, что химия – это наука об электронах и их взаимодействии. Если фотон, наверное, самый важный бозон в нашей вселенной, то самым важным фермионом является электрон.
Найдено на просторах интернета.
В настоящее время самым тяжелым элементом периодической таблицы является оганессон с атомной массой 294. Он получил официальное название в 2016 году. Как и каждый элемент периодической таблицы, оганессон всю свою массу получает от протонов и нейтронов (типов барионов), которые сами состоят из трех кварков каждый. Важная деталь всей известной барионной материи в том, что ее кварки так крепко держатся за счет сильной силы, что их нельзя разделить. Частицы, созданные связанными кварками (вроде протона и нейтрона), называются адронами, соответственно и барионная материя, ими образованная, называется адронной.
Но оганессон может быть последним в своем роде. В новой работе ученые прогнозируют, что элементы с массой более 300 могут состоять из свободно текущих «верхних» и «нижних» кварков — таких же, из которых состоят протоны и нейтроны, только не связанных по три. Новый тип материи, «вещества из верхних и нижних кварков», или udQM, будет стабильным для чрезвычайно тяжелых элементов, которые могут существовать за пределами нынешней периодической таблицы. Если произвести ее на Земле, кварковая материя может стать новым источником энергии.
Возможность того, что тяжелая барионная материя имеет udQM в качестве основного состояния, а не адроны, была описана в работе Боба Холдома, Цзина Рена и Чэна Чжана в Physical Review Letters.
Идея о том, что какое-то кварковое вещество может лечь в основу барионной материи, не нова. В знаменитой статье 1984 года физик Эдвард Виттен предположил, что странная кварковая материя (SQM) может сыграть эту роль. Однако SQM состоит из сопоставимых сумм верхних, нижних и странных кварков. Одним из новых результатов последнего исследования стало то, что кварковая материя без странных кварков, или udQM, имеет более низкую объемную энергию на барион, чем SQM или адронная материя, что делает ее энергетически предпочтительнее.
«Физики искали SQM десятилетиями. По нашим сведениям, многие поиска могли проводиться не в тех местах», заявили ученые. Если udQM удастся найти и произвести, она может стать новым источником энергии.
Несмотря на капризы погоды, лето неумолимо приближается. Значит, занятия в спортивном зале или домашние тренировки получится заменить на активности под открытым небом. Собрали для вас товары, которые сделают уличные воркауты интереснее, увлекательнее и полезнее.
Мегамаркет дарит пикабушникам промокод килобайт. Он дает скидку 2 000 рублей на первую покупку от 4 000 рублей и действует до 31 мая. Полные правила здесь.
В компактную поясную сумку поместятся телефон, ключи, кошелек или другие нужные мелочи. Во время тренировки все это не гремит и не мешает, но всегда находится под рукой. Материал сумки прочный и влагонепроницаемый, вещи в ней защищены от повреждений, царапин или пота.
С фитнес-резинкой можно тренировать все группы мышц: руки, ноги, кор, ягодицы. А еще она облегчает подтягивания и помогает мягко растягиваться. В сети можно найти огромное количество роликов с упражнениями разной степени сложности. Нагрузка легко дозируется: новичкам подойдет резинка с сопротивлением до 23 кг, опытным атлетам — до 57 кг. При этом оборудование максимально компактно и поместится даже в небольшую сумку.
Для тех, кому надоели обычные тренировки. Слэклайн — это стропа шириной 50 мм, с помощью которой осваивают хождение по канату. Тренажер учит сохранять баланс, прокачивает координацию и концентрацию, а еще дает отличную нагрузку на спину, руки и ноги.
Настольный теннис — простой в освоении вид спорта, который отлично помогает размяться и тренирует скорость реакции. В комплект входят две ракетки, три мяча, сетка, накладка и чехол — все, что нужно, чтобы поиграть вечером во дворе с другом или устроить небольшие соревнования. Этот недорогой набор подойдет именно для развлечения и веселья, устанавливается почти на любой стол.
Еще один вид спорта, которым можно заниматься, даже не имея серьезной подготовки — бадминтон. С набором от Wish Steeltec вы сможете потренировать силу удара, побегать и просто хорошо провести время. Детали яркие, так что их трудно потерять даже на природе. Леска натянута прочно, ресурса ракеток должно хватить не на один сезон.
Фрисби воспринимается как простое пляжное развлечение. Тем не менее перекидывание друг другу тарелки задействует все группы мышц и развивает скорость реакции. Эта тарелка летит далеко и по понятной траектории — отличный снаряд для начала. Кстати, фрисби — это еще и ряд спортивных дисциплин со своими правилами и техническими сложностями, так что игра с друзьями может перерасти в серьезное увлечение.
Стильный мяч из износостойкой резины отлично подходит для уличных тренировок. Вы сможете поиграть компанией в баскетбол или стритбол или просто отработать броски. При производстве используется технология сбалансированного сцепления: это значит, что снаряд не сбежит от вас и будет двигаться по стабильной траектории.
Футбол — один из самых популярных в России видов спорта. Играя, можно отлично побегать, потренировать меткость и отработать взаимодействие в команде. Футбольный мяч Torres Striker выполнен из качественного полиуретана и резины и выдержит не один десяток матчей, не потеряв упругости. Отличная балансировка и оптимальный размер делают его подходящим как для взрослых, так и для подростков. Он достаточно тяжелый, почти как в профессиональном спорте, так что совсем малышам не понравится.
Пляжный или обычный волейбол? А может быть, пионербол, как в детском лагере? Мяч TORRES SIMPLE COLOR подойдет для любой из этих игр. Камера отлично держит давление, поэтому вам не придется постоянно подкачивать его, а качественные материалы (полиуретан и бутил) сохраняют все характеристики даже при интенсивном использовании.
Многоскоростной велосипед с рамой 19-го размера подойдет как мужчинам, так и женщинам. Это отличный вариант для новичков: модель доступная, удобная. Поможет понять, нравится ли вам велоспорт. Конструкция велосипеда позволяет ездить по дорогам разных типов, поэтому вы сможете перемещаться по городу или отправиться в поход. Есть складной механизм — велосипед с ним легко возить в машине, на электричке и просто хранить в кладовке.
Более продвинутая модель для тех, кто уже оценил прелесть движения на двух колесах. Геометрия велосипеда предполагает вертикальную посадку. Это обеспечивает более удобное положение тела, чем на других байках. В конструкции предусмотрены детали для комфорта и безопасности: пружинная вилка с ходом 100 мм, сервисная подводка тросов и дисковые гидравлические тормоза.
Если вы не фанат велоспорта, но хотите получить свою дозу физической нагрузки, перемещаясь по городу, выбирайте самокат. В модели PLANK Magic 200 есть регулировка руля по высоте, надежные тормоза и прочная увеличенная дека из алюминия. Когда вы катаетесь на самокате, работают мышцы ног, ягодиц, спины и живота, а заодно добираетесь, куда нужно. Если вы решите сделать паузу в тренировках, самокат легко складывается для хранения.
Любая активность на свежем воздухе требует хорошей обуви, специально сделанной для занятий спортом. Яркие кроссовки Hoka RINCON 3 с облегченным весом амортизируют, снижают нагрузку на суставы. Выраженный рельеф подошвы обеспечивает сцепление с поверхностью вне зависимости от того, где проходит тренировка: на специальной площадке, асфальте или грунте.
Легкие женские кроссовки из линейки Clifton подходят для занятий на твердых покрытиях. Дышащий сетчатый верх поддерживает вентиляцию стоп, чтобы можно было тренироваться даже в жару. Подошва из легкой пены EVA гасит силу ударов. Кроссовки беговые, подходят для тренировок на длинных дистанциях.
Во время занятий на свежем воздухе важно защитить голову от перегрева. С этим отлично справится легкая и светлая бейсболка — например, от GLHF. Она удобно сидит на голове, не сваливается и не отвлекает от занятий, благодаря сетке голова меньше потеет. Козырек жесткий и не мнется.
Не забудьте защитить кожу от солнца — чтобы не было мучительно больно на следующий день после тренировки под открытым небом. В этом поможет крем против пигментных пятен с сильной защитой от ультрафиолета SPF50. Водостойкая текстура легко наносится и быстро впитывается, действует два часа — потом крем нужно обновить.
Удобные и стильные солнцезащитные очки защищают глаза благодаря фильтру UV400, который поглощает до 99.99% ультрафиолета. Они выполнены из легких материалов и плотно прилегают к голове. Ударопрочные поликарбонатные линзы с антибликовым покрытием подходят для разных видов спорта.
Используйте промокод килобайт на Мегамаркете. Он дает скидку 2 000 рублей на первую покупку от 4 000 рублей и действует до 31 мая. Полные правила здесь.
Реклама ООО «МАРКЕТПЛЕЙС» (агрегатор) (ОГРН: 1167746803180, ИНН: 9701048328), юридический адрес: 105082, г. Москва, ул. Спартаковская площадь, д. 16/15, стр. 6