Сколько всё существует и вечна ли Вселенная? А сколько оно ещё просуществует после Большого взрыва? Даже если принять, что теория, которая есть сегодня, правильная, то во многом время жизни материи и самой Вселенной может описать срок существования самого атома и тут всё очень интересно!

Конечно же, я разобрал всё это в новом ролике на канале и вы очень поможете моей научно-популярной работе, если посмотрите его. Ну а дальше разберем вопрос в текстовом виде.

Давайте начнём с простого. Все ли атомы будут существовать вечно? Понятно, что слово "вечно" для физики весьма условно, но давайте сопоставлять это с термином "невероятно долго". Ответ - нет.

Некоторые атомы будут стабильными, а некоторые нет. Стабильные атомы или стабильные изотопы не распадаются без внешнего воздействия. Как это работает?

Мы помним, что атом состоит из ядра, вокруг которого располагаются электроны. Само ядро тоже составное и включает в свою конструкцию протоны и нейтроны.

Протоны склеены друг с другом посредством сильного взаимодействия. Нейтроны компенсируют поведение протонов.

Внутри атома есть электростатическое отталкивание (сила Кулона) - протоны заряжены положительно, поэтому они отталкиваются друг от друга. Чем больше протонов в ядре - тем сильнее это отталкивание. И есть сильное ядерное взаимодействие. Действует между всеми нуклонами (и протонами, и нейтронами). Оно короткодействующее, но очень мощное. Именно оно склеивает ядро.

Устойчивость ядра определяется тем, кто победит: сильное взаимодействие или кулоновское отталкивание.

Некоторые комбинации протонов и нейтронов настолько устойчивы, что их ядро не имеет энергетически выгодного пути распада. Это и будут стабильные изотопы.

Например, это водород-1 (один протон), гелий-4 (2 протона + 2 нейтрона, идеальная коробочка), углерод-12, кислород-16, железо-56 (особо прочное, один из «конечных продуктов» звездных реакций).

Они могут существовать сколь угодно долго — пока не вмешается внешнее воздействие (например, столкновение с частицей высокой энергии).

Напротив, мы знаем про нестабильные изотопы, которые сами разваливаются и и испускают всякую гадость.

Причём тут протоны?

Если вы правильно увидели акценты в начале материала, то заметили, что есть некоторые конфигурации вещества, которые должны жить вечно. Получается, что существуют бессмертные элементы? Особенно интересен тут водород-1.

Хм, ну всё бы неплохо и это так, но современные представления подразумевают, что и сам протон где-то глубоко в теории может распадаться. Сколько же живёт этот протон?

Как мы хорошо знаем, современная физика пошла дальше строения ядра атома и заглянула вглубь самого протона. Удивительно, но внутри ученых ожидала очередная матрёшка, созданная по образу и подобию. Протон (как и нейтрон) сам состоит из кварков.

Получается, что логика с распадом вполне может повториться на уровне протона, а время его жизни во много может измерять а сколько вообще может просуществовать вещество. Неправильное восприятие этой проблем расставляет ложные акценты и ученые понимают реальность искаженно.

Откуда взялась вся эта путаница и в чём проблема?

Если исчезнут протоны, то исчезнет и вся обычная материя: камни, вода, тела, звёзды и всё вокруг. Современная теория элементарных частиц утверждает что протон абсолютно стабилен. В ней просто нет механизма, который позволил бы протону распадаться. Сильное взаимодействие сохраняет так называемое барионное число - квантовое "правило сохранения", которое запрещает превращение протона в другие частицы.

Но некоторые теории, выходящие за рамки Стандартной модели, например Великое объединение, допускают, что протон всё же может распадаться. Очень редко, но всё же.

Современные эксперименты ищут следы такого распада. Пока ни одного подтверждения не найдено. Занятно, что оценка делается по принципу большой выборки - берут огромное количество протонов и следят за их поведением, полагая, что среди этого множества один будет где-то на подходе.

Срок существования протона на самом деле вопрос о судьбе всего сущего. Если протон действительно бессмертен, то частицы, из которых мы сделаны, будут существовать дольше любых звёзд и галактик. Если же у него всё же есть срок годности, пусть и немыслимо длинный, то сама основа материи в итоге растворится в космической пустоте.

Сейчас частенько можно услышать, что тот или иной материал с эффектом памяти формы научились использовать очередным перспективным образом. В большинстве случаев, про «память формы» многие вычитывают в описании какого-нибудь умного матраса или подушки для сна. Такой матрас принимает форму тела пользователя и потом тело поддерживается в удобном состоянии.

Но на самом деле эффект памяти куда более интересный, если рассматривать его с позиции материаловеда.

Чаще всего эффект демонстрируют на примере проволоки из сплавов титана с никелем. Это лишь самый простой вариант демонстрации и на практике память формы наблюдается у разных материалов, в том числе и полимерных. Но, традиционно для моих заметок, разбирать подобные эффекты на металлах проще всего.

Опыт простой. Берем проволоку из титана-никеля, которая скручена в пружинку, нагреваем зажигалкой эту пружинку и видим, что спираль начала распрямляться и опять стала ровной проволоченной.

После остывания проволока так и останется прямой. Холодный образец можно вновь скрутить и вновь распрямить зажигалкой. Причём, форму можно придать абсолютно любую. Скажем, можно сделать импровизированную скрепку, которая при нагревании опять станет прямой.

Главный вопрос, который следует из опыта, тут логичен - что такое происходит с этой проволокой и что это за особая уличная магия?

Для объяснения эффекта нужно иметь общее представление о кристаллической структуре металлов и о процессе закалки. Давайте вспомним самые основы. Попрошу тут не придираться к формулировкам, так как хочется адаптировать текст для самых разных читателей с самыми разными уровнями знаний по теме.

Металлы в обычном состоянии имеют кристаллическую структуру и кристаллическую решётку. Кристаллической решеткой называется мнимая конструкция, которую мы можем изобразить, если в пространстве соединим атомы элемента друг с другом линиями.

При этом атомы металла будут расположены в точках пересечения этих мнимых линий или, как это называется более правильно, в узлах решётки. Та часть, которая регулярно повторяется, будет называться элементарной ячейкой решётки. И так всё здорово будет до тех пор, пока речь идёт о чистом компоненте.

Если сплавить два металла вместе, то атомам второго компонента сплава тоже нужно где-то расположиться. У второго компонента, как правило, есть собственная кристаллическая структура, но пока оба компонента системы жидкие, атомы спокойно сосуществуют друг с другом, как хлопья разного типа в молоке.

Когда система начинает затвердевать или кристаллизоваться, то атомам второго компонента нужно найти для себя место. При этом основной компонент старается доминировать и его атомы образуют уверенные каркасы, обладая высокой энергией связи. Примесные атомы стараются занять оставшиеся свободные места.

Система уравновешивается в некоторой конфигурации и атомы второго компонента пытаются позанимать вакантные места в новой кристаллической решетке.

Теперь представим себе, что такой двухкомпонентный сплав мы нагрели и видим, что атомы и первого, и второго компонентов пытаются начать интенсивное тепловое движение. Если остудить это великолепие с нормальной скоростью, то система вернется к равновесному состоянию.

Зато вот если охлаждать сплав резко, то второй компонент не успеет распределиться стандартным образом и будут образовываться новые конструкции. Такая структура может называться, например, мартенсит, а процесс именуется закалкой.

Структура после закалки обычно напряжена и напоминает что-то типа сжатой пружины в ящике. Атомы уже не могут свободно двигаться, а сам ящик становится твёрже. Поэтому, повышаются хрупкость и ломкость.

В некоторых случаях наблюдается интересное явление, которое, как раз-таки и свойственно сплавам титана и никеля.

Структуры, образованные в результате закалки, остаются относительно подвижными. Закаленная проволока из такого сплава хоть и имеет мартенситную структуру, но обладает ещё и памятью формы.

Если мы деформируем такой сплав после закалки (распрямление проволоки из примера), то иглы в структуре закаленного сплава не разрушатся, а просто поменяют конфигурацию. Где-то сместятся, а где-то начнут распрямляться.

Тот стресс, который структура испытала при закалке и та конфигурация, которая получилась при процессе, требовала большой энергии. Эта энергия была отнята у системы с помощью резкой охлаждения. Пока не проведется, например, длительный отжиг для нормализации получившейся структуры, именно конфигурация с иглами станет равновесной. Система будет стремиться к ней.

При простой механической деформации иглы не сломаются и не перестроятся, а пластично деформируются. Этим и отличаются сплавы с памятью формы. В распрямленном образце будет происходить борьба между механическим удержанием каркаса структуры и попыткой системы вернуться к зафиксированному виду после закалки. Когда это только лишь механическая деформация, то напряжений недостаточно и образец остается прямым. Зато если начать его нагревать, то в работу вступают диффузионные процессы.

Эти диффузионные процессы первым делом не заставят структуру вернуться к самой ранней модификации, а потянут её к варианту "после закалки". Иглы мартенсита, деформируемые механическим образом, начнут возвращаться к закаленной конфигурации. Это будет проявляться, как обратное скручивание в форму пружинки. Исходя из схемы чуть выше, стоило бы рассматривать только нижние два состояния.

Подобные сюрпризы, которые появляются при работе внутренних напряжений и температур, могут происходить в самых разных случаях и с разными материалами. Например, на ранних автомобилях сформованная торпеда из полимерного материала выворачивалась обратно при воздействии сильного нагрева из-за стремления вернуться к форме обычного листа. Причем, сворачивалась вместе со всем оборудование. Это было настоящим сюрпризом для разработчиков, которые не учли этот эффект. Ну и для владельцев легковушек.

⚡ Если вам нравятся мои статьи и вы хотели бы поддержать развитие проекта, то прошу подписаться на мой Telegram-канал про изобретения и методики креативного мышления. Нужно набрать 2000 подписчиков и будет здорово!

Ну и на Вомбате подписывайтесь ;)!

Три агрегатных состояния вещества, которые мы изучали на физике в школе, мягко говоря не отражают реальное многообразие возможных состояний материи в природе. Мы уже обсуждали такие штуки, как плазма или аморфное состояние. Говорили про невероятный конденсат Бозе‑Эйнштейна. Но на этом список не кончается!

Есть и ещё одно (или как минимум одно) очень интересное состояние вещества, которое называется сверхкритическая жидкость. Этого состояния не получится достичь простым кипячением воды в чайнике или прочими сподручными простыми методами.

Сверхкритическая жидкость может существовать только при высоких давлениях и высоких температурах.

Термин «критическая» выбран не случайно. Тут нужно вспомнить диаграммы фазового равновесия. Там, как это водится, обозначены все возможные фазы и всегда есть точка, которая называется критической. Выше этой точки и будет наблюдаться сверхкритическая жидкость. В самой точке пропадает различие между фазой жидкости и фазой газа.

Представьте себе обычную жидкость (пусть это будет вода), которая находится в некотором герметичном сосуде. Над поверхностью этой жидкости будет находиться воздух и некоторое количество водяного пара.

Если полностью откачать воздух над поверхностью воды, то в сосуде останется только жидкость и вакуум над ней. Очевидно, что некоторая часть имеющейся воды начнет парить и над поверхностью будет ещё и водяной пар. Рассматриваемая система будет состоять из пара от воды (без примесей воздуха) и жидкой воды.

При нагревании системы будет увеличиваться количество воды в парообразном состоянии, а вода в жидком состоянии расширится. Давление в ёмкости начнёт расти. При дальнейшем нагревании мы будем наблюдать ещё больший рост количества и объема газа и ещё большее увеличение объема воды с уменьшением её количества (переходом в газ). Плотность воды будет падать, а плотность газа над водой расти.

В какой‑то момент будет установлено равновесие между водой и паром над ней. Плотность воды станет равной плотности пара над ней, а структура будет одинаковой и равномерной.

Это и будет сверхкритическая жидкость.

Сверхкритической является жидкость, у которой «стёрто» различие между жидким агрегатным состоянием и газообразным агрегатным состоянием. Она имеет среднюю плотность для всей системы, а частицы располагаются таким образом, что эта конструкция имеет общие черты и с газом, и с жидкостью. Также это состояние называется «сверхкритический флюид».

Сверхкритическая жидкость — это уже не жидкость, но ещё и не газ.

На практике и без сосуда из примера, такое состояние может быть достигнуто только при соответствующем конкретному веществу давлении и температуре. Как правило, это очень высокие температуры и давления. При этом давление должно быть ниже, чем необходимо для перехода вещества в твёрдое агрегатное состояние.

Это состояние имеет множество практических прикладных применений. Встретить в природе такое состояние вещества можно, например, на других планетах, где сочетаний условий позволило превратить атмосферу в такое состояние.

На практике такая специфическая конструкция позволяет получать весьма специфические свойства. В итоге жидкость в сверхкритическом состоянии используется, например, в химчистках, так как обладает отличной активностью и легко разрушает пятна. В лабораторных экспериментах такое состояние тоже интересно. Например, так можно «выпаривать» наночастицы и получать наноматериалы. При переходе к граничному состоянию, имеющиеся прочные включения начинают переходить в нанодиапазон и их можно потом экстрагировать.

А ещё приглашаю всех подписаться на Telegram‑канал моего проекта, где я регулярно размещаю научпоп материалы и заметки по физике, материаловедению и техническим наукам.