Материя, елементи и атоми

От какво е направено тялото ти? Първата ти мисъл може да е, че е направено от различни органи – като сърцето, белите дробове и стомаха ти – които работят заедно, за да поддържат живота в тялото ти. Или може да отидеш едно ниво по-надалеч и да кажеш, че тялото ти е направено от много различни видове клетки. Но на най-основното ниво тялото ти – и всъщност всичко живо, както и неживият свят – е направено от атоми, често организирани в по-големи структури, наречени молекули.

Атомите и молекулите, въпреки че са част от сложно живо дишащо същество, все пак следват правилата на химията и физиката. Сигурно знаеш от часовете по химия, че някои атоми са склонни да получават или да губят електрони, или да образуват връзки един с друг. Тези факти остават верни дори когато атомите или молекулите са част от едно живо същество. В действителност прости взаимодействия между атоми —извършени много пъти и в много различни комбинации, в единична клетка или в по-голям организъм — са това, което прави живота възможен. Бихме могли да твърдим, че всичко, което сме, включително нашето съзнание, е вторичен продукт на химичните и електричните взаимодействия между много, много голям брой неживи атоми!

Като едно невероятно сложно същество, състоящо се от грубо 7 000 000 000 000 000 000 000 000 000 атома, вероятно ще искаш да си припомниш малко основна химия, когато започнеш да изследваш света на биологията, и света по принцип.

Терминът материя се отнася до всичко, което заема пространство и има маса — с други думи "нещото", от което е направена вселената. Цялата материя е съставена от градивни частици, наречени елементи, които имат специфични химични и физични свойства и не могат да бъдат разложени на по-прости елементи чрез обикновени химични реакции. Златото например е елемент, както и въглеродът. Съществуват 118 елемента, но само 92 възникват по естествен път. Останалите елементи са създадени в лаборатории и са нестабилни.

Всеки елемент се обозначава със свой химичен символ, който е единична главна буква или, когато първата буква вече е "взета" от друг елемент, комбинация от две букви. Някои елементи следват английското наименование на елемента, като C за въглерод (carbon) и Ca за калций (calcium). Други химични символи на елементи идват от техните латински имена; например символът за натрий е Na, което е кратка форма на natrium, латинската дума за натрий.

Четирите елемента, общи за всички живи организми, са кислород (O), въглерод (C), водород (H) и азот (N), които заедно съставят около 96% от човешкото тяло. В неживия свят елементите се намират в различни пропорции и някои елементи, общи за живите организми, са относително редки на земята като цяло. Всички елементи и химични реакции между тях се подчиняват на едни и същи химични и физични закони, независимо от това дали са част от живия или неживия свят.

Атомът е най-малката единица материя, която притежава всички химични свойства на един елемент. Например една златна монета е само много голям брой златни атоми, оформени във вид на монета, с малки количества други примесени елементи. Златните атоми не могат да бъдат разложени в нищо по-малко, докато запазват свойствата си на злато. Един златен атом дължи свойствата си на малки субатомни частици, от които е изграден.

Един атом се състои от две части. Първата е малкото атомно ядро, което е центърът на атома и съдържа положително заредени частици, наречени протони, и неутрални, незаредени частици, наречени неутрони. Втората, много по-голяма част от атома, е "облак" от електрони, отрицателно заредени частици, които се движат около ядрото. Привличането между положително заредените протони и отрицателно заредените електрони поддържа целостта на атома. Повечето атоми съдържат и трите вида субатомни частици—протони, електрони и неутрони. Водородът (H) е изключение, защото обикновено има един протон и един електрон, но никакви неутрони. Броят протони в ядрото определя какъв елемент е един атом, докато броят електрони около ядрото определя в какъв вид реакции ще участва атомът. Трите вида субатомни частици са изобразени по-долу в атом хелий, който по определение съдържа два протона.

Протоните и неутроните нямат един и същ заряд, но имат приблизително една и съща маса, около 1,67 × 10${}^{-24}$‍ грама. Тъй като грамовете не са много удобна единица за измерване на толкова малки маси, учените избират да определят алтернативна мярка, далтон или единица за атомна маса. Единичен неутрон или протон имат тегло много близко до 1 единица. Електроните са много по-малки по маса от протоните, само около 1/1800 от една единица за атомна маса, така че те не допринасят много за общата атомна маса на елемента. От друга страна електроните определят до голяма степен заряда на атома, като всеки електрон има отрицателен заряд, равен на положителния заряд на един протон. В незаредени неутрални атоми броят електрони, движещ се около ядрото, е равен на броя протони в ядрото. Положителните и отрицателните заряди се компенсират, поради което атомът няма нетен заряд.

Протоните, неутроните и електроните са много малки, и по-голямата част от обема на атома — повече от 99 процента — всъщност е празно пространство. Може да се чудиш защо при всичкото това празно пространство твърдите тела просто не преминават едно през друго. Отговорът е, че отрицателно заредените електронни облаци на атомите се отблъскват взаимно, ако са твърде близо, което води до нашето възприятие за твърдо тяло.