Физические свойства обычной и тяжёлой воды

Существует также и полутяжёлая (или дейтериевая) вода, у которой только один атом водорода замещен дейтерием. Формулу такой воды записывают так: DHO. Термин тяжёлая вода применяют также по отношению к воде, у которой любой из атомов (водород или кислород) заменен тяжёлым изотопом:

• к тяжёлокислородной воде (лёгкий изотоп кислорода ¹⁶O замещается тяжёлыми изотопами ¹⁷O или ¹⁸O),

• к тритиевой и сверхтяжёлой воде (содержащей вместо атомов ¹H его радиоактивный изотоп тритий - ³H).

Если подсчитать все возможные измененные соединения с общей формулой Н₂О, то общее количество возможных вариантов “тяжёлой воды” достигнет 48. Из них 39 вариантов соединений — радиоактивные, стабильных вариантов - всего девять: Н₂¹⁶O, Н₂¹⁷O, Н₂¹⁸O, HD¹⁶O, HD¹⁷O, HD¹⁸O, D₂¹⁶O, D₂¹⁷O, D₂¹⁸O.

Тяжелая вода играет значительную роль в различных биологических процессах. Тяжёлая вода в слабой степени токсична, химические реакции в её среде проходят медленнее, водородные связи с участием дейтерия - сильнее обычных. Обнаружено, что тяжелая вода действует отрицательно на растительные и живые организмы. Подопытных собак, крыс и мышей поили водой, часть которой была заменена тяжелой водой. Через недолгое время начинались нарушения обмена веществ животных, разрушались почки. Увеличение доли тяжелой воды более 25% приводит к стерильности, более высокие концентрации приводили к быстрой гибели животного. И наоборот, снижение содержания дейтерия на 25% ниже нормы в воде, которую давали животным, благотворно сказалось на их развитии: свиньи, крысы и мыши дали потомство, во много раз многочисленнее и крупнее обычного, а яйценосность кур поднялась вдвое.

Что же случится, если удалить весь дейтерий? На этот вопрос науке еще предстоит ответить. Пока же несомненным является тот факт, что, меняя количественное содержание изотопного состава в растительном или животном организме, мы можем ускорять или замедлять ход жизненных процессов.

Клетка. За 4…5 млрд лет существования на нашей планете живое вещество развилось в несколько миллионов видов, но все они — от бактерий до высших животных — состоят из клеток.

Клетка — это организованная основная часть живого вещества: она усваивает пищу, способна существовать и расти, может делиться (размножаться), каждая из частей содержит генетический материал, идентичный исходной клетке (поэтому правильнее говорить не о делении, а о самовоспроизводства, репликации).

Клетка состоит из ядра и цитоплазмы. От окружающей среды клетка отделена плазматической мембраной, которая регулирует обмен между внутренней и внешней средой и служит границей клетки. В каждой клетке содержится генетический материал в форме ДНК, регулирующей жизнедеятельность и самовоспроизведение.

Размеры клеток - соматическая животная клетка средних размеров имеет 10…20 мкм в диаметре, растительная — 30…50 мкм; длина хлоропласта цветкового растения — 5…10 мкм, бактерии — 2 мкм.

Клетки существуют как самостоятельные организмы (простейшие бактерии) или входят в состав многоклеточных организмов. Клетки дифференцированы: половые, соматические, нервные, мышечные, костные.

Клетки в биологии (со времен Шванна, затем - Левенгука) идентифицируются с начальным звеном в образовании живого (что по современным представлениям не является строгим научным положением).

Молекулы – это совокупность соединенных друг с другом атомов (посредством ковалентных связей атомов).

Молекула есть наименьшая структурная единица сложного химического соединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет миллионы. Качественно молекула — это определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного химического взаимодействия объединены в частицы. Поскольку электроны в молекулах обобществлены, атомы как бы теряют свою индивидуальность (не переставая при этом оказывать влияние на вещество). При затрате определенной энергии либо за длительный срок взаимодействия с окружающей средой устойчивая молекула может быть разложена на атомы (дезинтегрироваться).

Совокупность макромолекул (типа ДНК и РНК) считается переходным мостиком между неорганическим веществом и изначально живым веществом, поскольку допускается, что макромолекулы РНК-ДНК в соответствующих условиях могут размножаться (делиться с сохранением исходных свойств).

Атом - это наименьшая структурная единица химического элемента. Некоторые атомы (например, углерода и водорода) отличаются наибольшей способностью образовывать сложные (структурно и функционально) молекулярные цепи, являющиеся основой для образования еще более сложных структур (макромолекул), проявляющих биологические свойства, т. е. свойства живого.

Атомы состоят из плотного ядра и электронных орбиталей. Ядра атомов имеют положительный электрический заряд и окружены двигающимися по орбиталям отрицательно заряженными стабильными электронами. В целом атом электронейтрален. Ядро – это совокупность протонов (стабильных частиц) и нейтронов. Последние к стабильным частицам не относятся – время жизни в свободном состоянии – менее 900 сек.

В отличие от "плотной упаковки" ядерных частиц, атомные электроны образуют весьма рыхлые и ажурные оболочки. Существуют правила "заселенности" электронами орбит вокруг ядра. Электроны, находящиеся на самых верхних этажах "атомного дома", определяют реакционную способность атомов, т. е. их способность вступать в соединение (реагировать) с другими атомами. У большинства элементов атомы химически нестабильны. Атом стабилен, если его внешняя оболочка заполнена определенным числом электронов (2, 8 и др.). Атомы с незаполненными внешними оболочками вступают в химические реакции, образуя связи с другими атомами.

Элементарные частицы. По современным представлениям, все элементарные частицы являются наименьшими "кирпичиками", из которых создан окружающий мир. Однако это не означает, что их свойства просты. Для описания поведения элементарных частиц используют сложные физические теории, представляющие синтез теории относительности и квантовой теории.

Все известные элементарные частицы подразделяются на две группы: адроны и лептоны. Предполагается, что адроны имеют составное строение: состоят из истинно элементарных частиц-кварков. При этом допускается существование шести типов кварков.

Стабильными частицами, живущими в свободном состоянии неограниченно долго, являются протон, электрон, фотон, нейтрино. Время жизни протона составляет 10³¹ лет. Самыми короткоживущими образованиями являются резонансы — их время жизни порядка 10^-23 с. Судить о продолжительности существования можно лишь как об относительной характеристике, которую обычно сопоставляют с продолжительностью жизни исследователя. (Вспомним о бабочке-однодневке, для которой продолжительность всей ее жизни равна примерно одним суткам. Это – много или мало?).

В самой природе короткоживущие элементарные образования играют роль при самых экстремальных условиях существования вещества и поля: в “начальных” стадиях эволюции Вселенной, при формировании других звезд.

Объединение релятивистских и квантовых представлений, осуществленное в значительной степени еще в 30-е годы, привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний в физике — открытию мира античастиц. Частица и соответствующая ей античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством пары частица-античастица является способность аннигилировать (самоуничтожаться) при встрече с превращением в частицы другого рода. Античастицы могут собираться в антивещество. Несмотря на симметрию между частицами и античастицами, во Вселенной не обнаружены области со сколько-нибудь заметным содержанием антивещества, так что это открытие имеет, в основном, теоретическое значение.