Читать онлайн No kā viss ir izgatavots? Stāsti par vielu
1. nodaļa: No kā tas viss sastāv?
To ir miljoniem! No kā ir veidoti zēni un meitenes un viņu vecāki? No kā ir izgatavots viss, ko viņi nēsā kabatās, mugursomās un rokassomās, kā arī pašas mugursomas un rokassomas? Un tēta mašīna garāžā, tējkanna virtuvē, mammas kosmētika, vecmāmiņas glāzes, pannas un pogu kastīte? Un vēl – dīvāni un taburetes, rullīši un kurpes, mobilie telefoni un Pepsi pudeles? Starp citu, no kā ir izgatavota soda un viss, ko mēs dzeram un ēdam?
Nu, tas ir vienkārši, jūs varētu teikt. Krēsli ir no koka, panna ir no metāla, Pepsi pudele ir no plastmasas, bet pats Pepsi ir ķīmija, tā saka tētis! Tētim, protams, ir taisnība, bet tas nav tas, ko mēs domājam. Viss, kas mums apkārt, viss, ko radījusi daba un ko darinājušas cilvēka rokas, ir veidots no vielām. Lieta un viela ir tik līdzīgi un tik viegli atcerēties!
Vielu ir daudz, un katrai no tām ir savs nosaukums, bieži vien (nereti) pat vairāk nekā viens. Ņemsim, piemēram, sāli sāls sālsūdenē. Mamma to sauc vienkārši par «sāli», vecmāmiņa – par «galda sāli», bet ķīmiķi šo balto kristālisko vielu ar sāļu garšu dēvē par «nātrija hlorīdu». Tāpat ir ar cukuru. Tētis saka: «Pasniedziet man cukuru, lūdzu!», vectētiņš to sauc par smiltīm, vecmāmiņa rūc, ka no galda jānovāc šī «baltā nāve», un ķīmiķi šo balto kristālisko vielu ar saldu garšu sauks gandrīz tāpat kā tētis – saharoze, jo cukura īsto ķīmisko nosaukumu – alfa-D-glikopiranozil-beta-D-fruktofuranozīds – ir gandrīz neiespējami izrunāt un vēl neiespējamāk atcerēties. Nebaidieties, šādu nosaukumu grāmatā vairs nebūs.
Ķīmisko nosaukumu ir miljoniem, tāpat kā pašu vielu. Vielas ir cietas kā akmens, šķidras kā ūdens, gāzveida, caurspīdīgas un bezsvara kā gaiss, ko mēs elpojam. Tās var būt melnas kā ogles, sarkanas kā rūsas vai pat bezkrāsainas. Tās var izdalīt spēcīgu smaržu vai nejust nekādu smaržu, tās var apdedzināt ādu vai mīkstināt to. Dažas no tām šķīst ūdenī, bet citas to nepanes, dažas no tām mirgo un sprāgst no mazākās dzirksteles, bet citas nebaidās no uguns, dažas no tām vada elektrisko strāvu, bet citas, gluži pretēji, pasargā mūs no tās.…
Visām vielām ir sava dzīve. Tās var mierīgi līdzāspastāvēt, tāpat kā akmens, ūdens un gaiss strauta krastā. Vai kā daudzas vielas virtuvē. Ja ņemam cepamo sodu un uz tās uzpilinām saulespuķu eļļu, nekas nenotiek. Uzkapājiet citrona sulu uz galda sāls no sāls spainīša – atkal nekādas izmaiņas. Taču dažas vielas iesaistās cīņā, tās iedarbojas viena uz otru – mijiedarbojas. Un šī mijiedarbība var būt ļoti vardarbīga. Vai vēlaties pārliecināties pats? Uzlejiet uz šķīvja nedaudz cepamās sodas un izspiediet uz tā dažus pilienus citrona. Soda sāks sūkstīties un putot, jo tā mijiedarbosies ar citronskābi citrona sulā. Apsveicam, jums ir notikusi pirmā ķīmiskā reakcija!
Vai vēlaties vēl? Nav nekādu iebildumu! Man ir lieliska reakcija starp cieti un jodu. Veiksim to. Es esmu pārliecināts, ka jūsu mājas aptieciņā ir joda tinktūra. Iepiliniet dažus pilienus nelielā ūdens daudzumā, lai iegūtu dzeltenas krāsas šķīdumu. Tagad dodieties uz virtuvi un sameklējiet kartupeli. Kartupeļos ir daudz cietes. Baltās pēdas uz naža, kas paliek pēc tam, kad mamma ir sagriezusi bumbuli šķēlītēs, ir ciete. Taču ar to pietiek, lai mēs kartupeli pārgrieztu uz pusēm. Tagad pilienu vai divus dzeltenā šķīduma, ko tikko sagatavojāt, uzpiliniet uz šī griezuma un paskatieties, kas notiks. Ļoti ātri vieta, kur piliens būs piliens, kļūs zila. Tā ir trešā viela, cietes savienošanās ar jodu rezultāts. Un tagad, izmantojot šo reakciju, jūs varat veikt veselu pētījumu virtuvē un pārliecināties, ka ciete ir makaronos, maizē, rīsos un pat jogurtā.
Tātad katrai vielai ir savs raksturs un izskats, īpašības un temperaments. No tām sastāv viss mums apkārt, arī jūs un es.
Mazāks par mazu
Mazāks par mazu Labi, jūs varētu teikt, bet no kā sastāv pati matērija? Ķīmiķi simtiem gadu ir meklējuši atbildi uz šo jautājumu. Un viņi ir nonākuši pie secinājuma, ka vielas sastāv no molekulām – tās mazākajām daļiņām, kas saglabā vielas īpašības, tāpat kā tauta sastāv no indivīdiem un ķieģeļu žogs no ķieģeļiem.
Holandiešu ārsts un matemātiķis Īzaks Bekmans 1602 gada. gada 14. septembrī savā dienasgrāmatā ierakstīja, ka, sadalot zāļu devu uz pusēm, abas pusdevas saglabāja ārstnieciskās īpašības. Nākamā dalīšana deva tādu pašu rezultātu. Un tad Bekmans nodomāja: ja devu atkal un atkal dalīs divās daļās, droši vien pienāks brīdis, kad mazā daļiņa zaudēs savas īpašības. Šo sīko daļiņu, kas saglabāja vielas ārstnieciskās īpašības, Bekmans nosauca par minimumu. Šis minimums nozīmēja to pašu, ko pašreizējais termins «molekula».
Un drīz vien, 1636. gadā, parādījās pats vārds «molekula». Franču priesteris Pjērs Gasendi, kas bija slavens ar saviem darbiem astronomijas, matemātikas, mehānikas un filozofijas jomā, vārdam «mole» pievienoja daļiņu-cula, kas tolaik nozīmēja to, ko tagad apzīmē ar vārdu «masa». Rezultāts bija ļoti, ļoti, ļoti, ļoti, ļoti, ļoti maza masa.
Pagāja ilgs laiks, kamēr ķīmiķi pie šīs idejas pierada, molekulu teorija progresēja ar čīkstēšanu, bet ar katru gadu tā ieguva arvien vairāk atbalstītāju. Tā pamazām ķīmiķi paši nepamanīja, kā viņi sāka izmantot šo koncepciju, lai izskaidrotu vielu īpašības. Bet tikai 1860. gadā Vācijas pilsētā Karlsrūē pulcējās Pirmais starptautiskais ķīmiķu kongress, kurā zinātnieki leģitimēja «molekulu» kā terminu.
Tās ir tik mazas, ka parastai acij tās ir neredzamas. Mēs redzam tikai vielas graudiņu vai pilienu, kas patiesībā sastāv no ļoti daudzām molekulām, kas cieši pieguļ viena pie otras. Un nav viegli izlauzties no šī apskāviena. Piemēram, to pašu cukuru nevar sasmalcināt molekulās, sasmalcinot to miezerī. Bet tā kristālus var iemest ūdenī. Pēc mirkļa tie izšķīdīs un pazudīs, kļūs neredzami. Tas nozīmē, ka ūdenī cukura kristāli ir sadalījušies atsevišķās molekulās, kas brīvi peld kā zivs ūdenī. Un šeit ir vēl viens vienkāršs eksperiments. Ielej šķīvītī nedaudz ūdens, novieto to saulē un vēro. Vienīgais, ko jūs redzēsiet, būs tas, ka ūdens lēnām pazudīs no šķīvīša, iztvaikos. Taču šis iztvaikošanas process nav acīm redzams, jo atsevišķas ūdens molekulas izkļūst gaisā, ko acs nevar saskatīt.
Un tomēr, cik lielas tās ir? Paņemsim parastā ūdens molekulu un palielināsim to miljonu reižu. Ko mēs iegūstam? Nē, nevis ziloni, bet mazu punktiņu uz papīra lapas. Starp citu, ja mēs miljonu reižu palielināsim Ostankinas televīzijas torni, teorētiski būs iespējams uzkāpt līdz Mēnesim un vēl tālāk. Lūk, cik mazas ir molekulas.
Tad cik daudz molekulu var ietilpt vienā cukura graudiņā? Jūs neticēsiet, divi miljardi miljardi miljardu. Tas ir tik milzīgs skaitlis, ka to pat grūti iedomāties vai ar kaut ko salīdzināt. Galu galā, ja jūs ar kājām dosieties uz zvaigžņu sistēmu Alfa Centauri, kur uzņemta filma «Avatars» un kur vairāk nekā četrus gadus lido pasaulē ātrākais vēstnesis – gaisma, soļu skaits, ko jūs spertu, joprojām būs 25 reizes mazāks nekā molekulu skaits cukura graudiņā.
Pasaulē ir visdažādākās molekulas! Mazas un lielas, plakanas un apjomīgas, garas un īsas, ažūras, spirālveida un sfēriskas. Un ir molekulas, kuru forma ir ļoti līdzīga lietām, pie kurām esam pieraduši – futbola bumba un puķupods, karaļa kronis un Ēģiptes piramīdas, sviestmaize un zobrats, saulespuķe un pat suns.
Ķīmiskie dziedājumi
Jūsu vietā es sāktu zaudēt pacietību un nekavējoties jautātu: «No kā sastāv molekulas?» Molekulas sastāv no vēl mazākām sastāvdaļām – atomiem. Pirms divsimt piecdesmit gadiem Mihails Vasiļjevičs Lomonosovs rakstīja, ka visas vielas sastāv no «ķermenīšiem» (molekulām), kas savukārt ir «elementu kopumi» (atomi). Savukārt 19. gadsimta sākumā anglis Džons Daltons izdomāja, ka vielu veido atomi ar dažādu masu un atomi savienojas, veidojot molekulas – tas bija pirmais pareizais vielas apraksts.
Par laimi, uz Zemes nav daudz elementu jeb atomu paveidu – līdz šim to ir tikai 114. Iespējams, ka pētnieki ar laiku atradīs arī citus elementus. Katram ir savs nosaukums, sava masa, savs raksturs, gluži kā cilvēkam, un visi šie nosaukumi kopā ar to īpašībām ir ierakstīti vienā tabulā, ko pirms vairāk nekā simt četrdesmit gadiem sastādīja izcilais krievu ķīmiķis Dmitrijs Ivanovičs Mendeļejevs. Ķīmiķiem tā ir sava veida svētā grāmata, kurā ierakstīti visi cilvēku vārdi. Starp citu, daudzus no šiem ķīmiskajiem nosaukumiem jūs labi zināt: zelts, skābeklis, dzelzs, alumīnijs… Vai ne?
Savas ērtības labad ķīmiķi katram elementam ir izdomājuši arī īsus apzīmējumus, kas sastāv no viena vai diviem burtiem. Līdzīgi kā ar cilvēka iniciāļiem: tā vietā, lai rakstītu «Aleksandrs», mēs vienkārši rakstām «A». Tā nu sanāk, ka šie īsie apzīmējumi ir atvasināti no elementu nosaukumiem latīņu valodā, taču tas nevienam nerada neērtības. Man šķiet, ka jūs nepārsteigs arī angļu burti. Tātad daudzi elementi tiek apzīmēti ar vienu burtu, ūdeņradis ar H, skābeklis ar O, slāpeklis ar N, ogleklis ar C, bet fluors ar F. Citus apzīmē ar diviem burtiem, daļēji tāpēc, lai izvairītos no pārpratumiem, kad pirmais burts jau ir lietots: hēlijs – He, neons – Ne, dzelzs – Fe.
Bet atgriežoties pie pašiem atomiem. Iedomājieties, ka jums ir 114 dažādu krāsu, izmēru un formu pērlītes jebkurā daudzumā. Kā jūs domājat, cik daudz auskaru un citu rotaslietu jūs varat izgatavot no šīs pērlīšu bagātības, kombinējot tās dažādos veidos? Cik vien vēlaties, bezgalīgi daudz! Bet, protams, jūs izgatavosiet tikai tās rotaslietas, kas jums patīk un, jūsuprāt, izskatās glīti. Šādu kombināciju būs daudz mazāk, bet tomēr ļoti daudz.
Tāpat ir arī dabā. Elementi, precīzāk, elementu atomi, kombinējoties savā starpā dažādās proporcijās, veido visu gigantisko vielu daudzveidību uz Zemes. Atomi molekulā ir cieši saistīti savā starpā, veidojot saites, ko ķīmiķi sauc par ķīmiskajām saitēm, tāpēc lielākā daļa molekulu jūtas diezgan stabili un nesadalās. Cita lieta, ka daži atomi nevar savienoties ar citiem vai var aptvert tikai ierobežotu skaitu Mendeļejeva tabulas biedru. Šeit daba pavēl, kas viņai patīk un kas nepatīk. Viņai ir savs priekšstats par skaistiem un noderīgiem auskariņiem. Un ķīmiķi uzskata, ka šīs vēlmes ir likums.
Viena elementa atomi var savienoties viens ar otru. Un tad mēs iegūstam vielas, kuras sauc ar elementa nosaukumu, piemēram, zeltu. Šādas vielas ķīmiķi sauc par vienkāršām vielām. Taču, ja vienā molekulā satiekas dažādu elementu atomi, tad mēs iegūstam sarežģītāku vielu, ko sauc par savienojumu. Visa neskaitāmo vielu bagātība un daudzveidība mums apkārt ir tikai dažādu atomu, dažādu elementu kombinācijas. Ja divi skābekļa atomi savienojas kopā, mēs iegūstam skābekli – neredzamo gāzi, kas ir daļa no gaisa, ko elpojam, un kuras mums dažkārt tik ļoti pietrūkst aizdūmotajā pilsētā. Ja trīs atomi – ozons, arī – neredzama gāze, kas veidojas atmosfērā negaisa laikā. Ja skābekļa atoms savienojas ar diviem ūdeņraža atomiem, tad veidojas visbrīnišķīgākā viela uz Zemes – ūdens, ko mēs dzeram. Vai arī ir slavenais nātrija atoma un hlora atoma savienojums. Tie savienojas, veidojot baltu kristālisku vielu, ko mēs liekam sāls spainītī.
Jā, es zinu, ka jums uz mēles ir sarežģīts jautājums – no kā sastāv atomi? Baidos, ka ceļojums matērijas dzīlēs šķiet gandrīz bezgalīgs. Iespējams, tas tā arī ir. Taču šodien par atomiem jau daudz kas ir zināms. Fiziķi apgalvo, ka atomiem ir arī struktūra. Katram mazajam atomam ir vēl mazākas daļas: kodols, kas sastāv no protoniem un neitroniem (fiziķi tos sauc par elementārdaļiņām), ap kuriem kā planētas ap sauli rotē citas elementārdaļiņas – elektroni.
Pateicoties šai atomu iekšējai struktūrai, elementi atšķiras viens no otra. Šīs pašas atšķirības ļāva ķīmiķiem sakārtot elementus Mendeļejeva tabulā stingrā secībā. Tie nav sakārtoti alfabēta secībā vai pēc atklāšanas datuma. Elementi ir sakārtoti saskaņā ar to numuriem. Elementa numurs ir atkarīgs no tā atoma struktūras. Piemēram, ūdeņradis ir numur 1. Tas nozīmē, ka tā atomā ap kodolu rotē tikai viens elektrons. Hēlijam ir divi elektroni zem 2. numura, bet skābeklim ir sešpadsmit elektronu zem 16. numura. Elektronu skaits elementa atomā ir ļoti svarīgs skaitlis, un no tā ir atkarīgas elementa īpašības, raksturs un uzvedība. Tāpēc kompetents ķīmiķis, aplūkojot Mendeļejeva tabulu, var precīzi pateikt, kuru elementu atomi var veidot ķīmisko saiti, kuri atomi, savienojoties, veido metāla lietņu, bet kuri – gāzi.
Izrādās, ka visa Visumā esošā matērija, tostarp Zeme un viss, kas uz tās atrodas, sastāv tikai no trīs veidu elementārdaļiņām – neitroniem, protoniem un elektroniem. Vai tas nav pārsteidzoši?
Nē, nē, nejautājiet man, no kā sastāv protoni, neitroni un elektroni! Tas ir labs jautājums, par to nav šaubu. Un fiziķi šajā reizē sāks stāstīt par kvarkiem, no kuriem sastāv protoni un neitroni, par to «aromātu», «krāsu» un citām īpašībām, par to, ka kvarki savā tur… Šeit mēs apstāsimies, jo īpaši tāpēc, ka matērijas dzīlēs vēl ir daudz neskaidrību. Mūsu brīnišķīgā pasaule nav līdz galam iepazīta, un atbildi uz daudziem neatrisinātiem jautājumiem, pilnīgi iespējams, jūs atradīsiet, kad kļūsiet pieauguši un veltīsiet sevi zinātnei.
Neredzamais atstāj pēdas
Es jūtu, kā mani pārņem šaubas. Ja šīs molekulas, atomi un elementārdaļiņas ir tik mazas, ka tās nav saskatāmas, kāpēc mēs tik pārliecinoši apgalvojam, ka tās eksistē? Vai var būt tā, ka tās vispār nepastāv?
Patiešām, atoma izmērs ir niecīgs. Un vēl nesen nebija mikroskopa, ar kuru tos varētu saskatīt. Taču tas nenozīmē, ka nevar būt pārliecināts, ka atomi un elementārdaļiņas pastāv.
Iedomājieties, ka jūsu mājā ir pele. Jūs to neredzat, bet droši zināt, ka tā tur ir: uz galda atstāts siera gabaliņš naktī pazūd, mājā ir peļu pēdas, un naktī jūs dzirdat šņākšanu. Tātad pele ir, lai gan tā nav redzama. Šo secinājumu mēs izdarījām, kā saka zinātnieki, pamatojoties uz netiešiem novērojumiem. Vai arī pa debesīm lido lidmašīna. Augsti un augstu, jūs to nemaz neredzat, un jūs nedzirdat tās dzinēju troksni. Taču jūs skaidri redzat balto pēdu, ko tā atstāj debesīs. Zinātnieki to sauc par inversijas pēdām.
Nu, tā ir lieliska ideja, lai uzzinātu par daļiņu pastāvēšanu no to pēdām. Šādu pieeju izmantoja skotu fiziķis Čārlzs Vilsons, 20. gadsimta sākumā izveidojot ievērojamo Vilsona kameru. Caurspīdīgajā kamerā ir pārsātināti ūdens tvaiki. Pietiek tikai mazākā iejaukšanās šajos tvaikos, lai gaisā peldošās ūdens molekulas sāktu salipt kopā, veidojot acīm redzamus ūdens pilienus. Šo procesu sauc par kondensāciju, un to bieži var redzēt, kad automašīnas logi ir aizsvīduši vai kad no rīta pēc aukstas nakts uz zāles un ziediem krīt rasa. Starp citu, tieši šādi debesīs veidojas lidmašīnas pēdas. Ūdens tvaiku kondensāciju izraisa no dzinēja izlidojošās nepilnīgi sadegušās degvielas daļiņas. Tāpēc inversijas pēdu bieži sauc par kondensācijas pēdu.
Elementārā daļiņa, elektrons vai protons, ko fiziķi pirms tam stipri paātrina īpašos daļiņu paātrinātājos – ciklotronos, ielido šādā kamerā. Acumirklī daļiņa izlido cauri kamerai un atstāj aiz sevis kondensācijas pēdu, kas sastāv no ūdens pilieniem. Šī pēda, ko fiziķi dēvē par pēdu, nepazūd uzreiz, tāpēc pētniekiem ir laiks to nofotografēt. Attēli ir pārsteidzoši skaisti. Fiziķi ne tikai skatās uz tām, bet lasa tās kā grāmatu par elementārdaļiņu dzīvi un notikumiem, kas notiek, tām saduroties Vilsona kamerā.
Izmantojot netiešās metodes, var pierādīt arī neredzamo molekulu pastāvēšanu. Skotijas botāniķis Roberts Broughtons gandrīz pirms 200 gadiem pamanīja ko neparastu. Ja sīkas ziedu putekšņu daļiņas ievieto ūdenī un novēro caur mikroskopu, redzams, ka putekšņu daļiņas nestāv uz vietas, bet visu laiku veic nejaušus lēcienus. Šo nepārtraukto daļiņu juceklīgo klaiņošanu šķidruma tilpumā par godu atklājējam nodēvēja par Brauna kustību.
Taču šīs daļiņas ir nedzīvas, tās nevar kustēties pašas no sevis, tāpēc kāds tās spiež no dažādām pusēm un ļoti spēcīgi. Kas tas varētu būt? Gandrīz 80 gadus vēlāk, 1905. gadā, viens no 20. gadsimta ievērojamākajiem zinātniekiem Alberts Einšteins izteica pieņēmumu, ka daļiņas stumj šķidruma molekulas, kas savukārt arī atrodas nepārtrauktā kustībā. To ir daudz, tās nāk uz daļiņu no dažādām pusēm, un, ja pēkšņi kādā brīdī molekulas vienā pusē «aizķeras», bet otrā sāpīgāk, daļiņa izkustēsies no vietas un aizlidos kādu attālumu.
Alberts Einšteins to visu izklāstīja savā slavenajā zinātniskajā darbā par Browna kustību. Viņš pat teorētiski pamatoja un paredzēja, cik daudz putekļu daļiņām šķidrumos vajadzētu kustēties, ja tās spiež molekulas.
Tomēr tas viss bija tikai pieņēmums, teorija, un Einšteins pats šaubījās, vai kāds spēs to pārbaudīt eksperimentāli. Taču tāds bija. Franču fiziķim Žanam Baptistam Perēnam 1908. un 1913. gadā izdevās veikt vislabāko eksperimentu: viņš izsekoja tūkstošiem daļiņu ceļu šķidrumā un izmērīja to pārvietojumu. Rezultāti pilnībā atbilda Einšteina prognozēm, molekulārā teorija triumfēja, un pats Žans Baptists Perēns 1926. gadā saņēma augstāko zinātnes apbalvojumu – Nobela prēmiju fizikā.
Cita, bet daudz progresīvāka metode, kas ļauj redzēt molekulu, parādījās pagājušā gadsimta 30. gados. Tas bija elektronu mikroskops. Tā radītāji, vācu fiziķi Makss Knolls un Ernsts Ruska 1931. gadā nejauši pamanīja, ka, ja elektronu plūsma izplūst cauri visplānākajam vielas slānim un nokrīt uz jutīga ekrāna, tad uz šī ekrāna var redzēt to veidojošo molekulu ēnas. Lūk, vēl viens pierādījums molekulu pastāvēšanai. Jūs varat apskatīt pirmo krievu elektronu mikroskopu, ja neesat slinki un aizbraucat uz Politehnisko muzeju Maskavā, kur tas ir publiski izstādīts.
Mūsdienās zinātnes un tehnikas progress ir sasniedzis tik neticamas virsotnes. ka ir ierīces, kas ļauj saskatīt atomus! Tie ir skenējošās zondes mikroskopi, kuru pirmo modeli 1981. gadā izgudroja Gerds Binnigs un Heinrihs Roreers. Un 1986. gadā viņiem tika piešķirta Nobela prēmija fizikā par šo izgudrojumu, kas ļauj pētniekiem ielūkoties pašos matērijas dziļumos. Viņiem pievienojās arī Ernsts Ruska. Viņam uz šo balvu bija jāgaida 55 gadus, taču taisnīgums uzvarēja.
Šajā jaunās paaudzes mikroskopā visplānākā adata, uzasināta no viena atoma, it kā taustot vielas vai materiāla virsmu un pārraidot tās attēlu uz ekrāna. Tādējādi pirmo reizi uz zelta plāksnītes bija iespējams saskatīt zelta atomus, kas, kā uzskatīja ķīmiķi, izvietoti blīvās rindās, lodīte pie lodītes. Un arī bija iespējams aplūkot vissvarīgāko dzīvības molekulu – DNS molekulu, uz kuras ir ierakstīta visa mantojuma informācija un kura kontrolē visus mūsu organismā notiekošos procesus. Tā zinātnieki savām acīm pārliecinājās, ka DNS molekula izskatās kā gara ķēde vai drīzāk – kā spirāle.
Es domāju, ka ir pienācis laiks apstāties. Galu galā galveno jau esam uzzinājuši. Viss ap mums, arī mēs paši, sastāv no vielām, vielas sastāv no atomiem, atomi sastāv no elementārdaļiņām. Bet no kurienes radās visas šīs elementārdaļiņas, no kurām veidojas atomi, no kurām veidojas vielas, no kurām veidojas viss, arī mēs paši?
2. nodaļa: No kurienes rodas vielas?
Lai saprastu, no kurienes radās matērijas būvmateriāls – elementārdaļiņas, mums ir jādodas uz tālo pagātni. «Bet laika mašīnas eksistē tikai zinātniskās fantastikas romānos un filmās!» – jūs sakāt. Un nē, tās nepastāv, un jā, tās pastāv. Līdz šim patiešām nav radīts neviens transportlīdzeklis, kas fiziski varētu mūs pārvietot uz pagātni. Izņemot tādas filmas kā «Atgriešanās nākotnē» (ASV). Un tas būtu lieliski: apsēsties mīkstā krēslā, piesprādzēt jostas, iestatīt displejā "-2000 gadu», nospiest pogu «Braucam», un pēc dažām minūtēm jūs jau esat senajā Romā, Kolizejā, vērojot gladiatoru cīņu. Iespējams, kad kļūsiet par pētniekiem, jūs piedalīsieties šādas mašīnas izveidē. Tikmēr astrofiziķi, kas pēta Visumu, ik dienu spēj ielūkoties tālā pagātnē un uzzināt par tur notikušajiem notikumiem. Tāpēc viņiem ir savas laika mašīnas – teleskopi.
Viss ir saistīts ar gaismu. Kad mēs skatāmies uz kādu priekšmetu vai cilvēku, visbiežāk uz mammu, mēs redzam gaismu, kas atstarojas no viņas sejas, matiem, brillēm, uzvalka, manikīra un grumbiņām pie acīm, kad viņa smaida. Atstarotā gaisma nonāk mūsu acīs, īpašā uztvērējierīcē – tīklenē. Tā, savukārt, pārraida signālu uz smadzenēm, un smadzenes pašas veido mūsu redzētā attēlu. Atstarotā gaisma nes informāciju par vissīkākajām objekta detaļām, tā formu, krāsu, faktūru – visu. Nekas no tās neizbēg – ne plankums uz jūsu piedurknes, ne netīrās kurpes, ko aizmirsu iztīrīt pirms skolas, ne nagi, ko esat nokodis. Tas ir vienkārši ideāls kopētājs.
Gaisma pārvietojas ar neiedomājamu ātrumu – 300 000 kilometru sekundē. Nekas Visumā nekur nelido ātrāk par šo ātrumu. Bet šis ātrums ir ierobežots. Un, ja gaismai, kas nes informāciju par kādu objektu, jānoiet miljoniem vai miljardiem kilometru, tas aizņem ievērojamu laiku. Tāpēc mēs skatāmies uz Mēnesi. Un ko mēs redzam? Skaistu baltu disku nakts debesīs, kas klāts ar tumšiem plankumiem. Dažkārt mums šķiet, ka šie plankumi veido sievietes sejas attēlu. Taču diez vai jūs esat kādreiz aizdomājušies, ka, skatoties uz mēnesi, mēs skatāmies atpakaļ laikā, dažas sekundes. Tieši tik ilgā laikā gaismai ir nepieciešams, lai pārvarētu attālumu no Mēness līdz Zemei. Un, ja mēs skatāmies uz Sauli, mēs ceļojam vēl tālāk pagātnē – dažas minūtes. Tās ir nepieciešamas, lai gaisma nokļūtu no Saules līdz Zemei, jo Saule atrodas daudz tālāk no mūsu planētas.
Nerunāsim, piemēram, par Alfa Centaura zvaigžņu sistēmu! Tumšā, skaidrā naktī tā ir redzama debesīs, īpaši tās spožākā zvaigzne – Alfa Centauri A. Mūsu skatiens uz šo zvaigzni ir gandrīz četrus ar pusi gadus atpakaļ laikā: tieši tik ilgs laiks ir nepieciešams, lai zvaigznes gaisma sasniegtu mūsu acis. Ja šo attālumu izsaka kilometros, tas ir garš skaitlis ar daudzām nullēm. Ar šādiem skaitļiem ir grūti operēt. Tāpēc astrofiziķi ir izgudrojuši savu garuma mēru kosmiskiem attālumiem – gaismas gadu. Tas ir vienāds ar attālumu, ko gaisma veic gada laikā, proti, aptuveni 9 460 000 000 000 000 000 000 000 (9 triljoni 460 miljardi) kilometru.
Visjaudīgākā laika mašīna mūsdienās ir amerikāņu kosmiskais teleskops «Hubble», kas jau 20 gadus atrodas Zemes orbītā. Šī teleskopa optiskās acis ir ārkārtīgi asas. Tās redz gandrīz desmit reižu labāk nekā tā kolēģi uz Zemes. Kāpēc, jūs varētu jautāt? Tas ir tāpēc, ka mūsu Zemi ieskauj atmosfēra, gaiss, ko mēs elpojam. Tā mums šķiet pilnīgi tukša un tāpēc caurspīdīga. Taču patiesībā tā tāda nav.
Gaiss un atmosfēra satur ļoti daudz dažādu vielu – skābekli, slāpekli, oglekļa dioksīdu, ūdens tvaiku un daudzas citas. Šīs vielas lidinās virs mums un ap mums kā atsevišķas molekulas. Un mēs jau zinām, ka atsevišķas molekulas mūsu acīm nav redzamas. Tāpēc mums šķiet, ka caurspīdīgs gaiss ir tikai tukšs gaiss. Taču gaisma ir ļoti jutīga pret vidi, caur kuru tā lido. Tāpat arī cilvēks: viena lieta ir skriet gar upes krastu, bet cita lieta ir skriet pa seklumu līdz jostasvietām ūdenī. Uzminiet, kurš skrien ātrāk? Zemes atmosfērā gaisma saduras ar neredzamām molekulām, izkliedējas un nedaudz palēninās. Tāpēc astrofiziķi un nolēma teleskopu novietot Zemes orbītā, pacelt virs atmosfēras, novietot to kosmosa vakuumā, kur vielu saturs ir niecīgs un tāpēc gaismai nav šķēršļu, nav traucējumu.
Astrofiziķu cerības piepildījās, un tagad mums ir superteleskops «Hubble», kas ķer tālās pagātnes gaismu un sūta uz Zemi fantastiska skaistuma attēlus no dažādiem Visuma nostūriem. Starp citu, arī jūs varat aplūkot šo skaistumu – internetā. Attēli ir pieejami ikvienam.
Spektrālās brilles
Bet kāpēc mums ir vajadzīga gaisma, ja vēlamies uzzināt, no kurienes viela nāk? Izrādās, ka gaisma var mums pateikt vairāk nekā tikai to, kā tā izskatās. Jebkurš spēcīgi sakarsēts ķermenis izstaro enerģiju. Uzkarsēta plīts izstaro siltumu, karstas ogles liesmo un mirgo sarkanā krāsā, bet vasaras saule apžilbina acis un apdedzina ādu. Tā ir visu vielu un to sastāvdaļu – atomu – īpašība sakarstot uzbudināties un izstarot enerģiju.
Ņemiet šķipsniņu parastās galda sāls uz naža gala (ķīmiķi šim nolūkam izmanto porcelāna karotīti) un ielieciet to atklātā ugunī. Sāli aptverošā liesma iekrāsosies spilgti dzeltenā krāsā. Tā ir gaisma, ko spēcīgi sakarsējot izstaro nātrija elementa atomi, no kuriem sastāv sāls. Savukārt, ja paņemsiet citu vielu, kas satur elementu kāliju, liesma būs zili violeta. Starp citu, šo vienkāršo metodi ķīmiķi joprojām izmanto, lai noteiktu konkrēta elementa klātbūtni nezināmā vielā vai vielu maisījumā. Un pirotehniķi – lai radītu daudzkrāsainas svētku uguņošanas ierīces.
Astrofiziķi, kas uztver tālās zvaigznes gaismu, var sadalīt to pa sastāvdaļām – to sauc par spektru. Arī daba to spēj. Jūs droši vien esat daudzkārt redzējuši, kā pēc lietusgāzes debesīs pēkšņi parādās brīnišķīga varavīksne. Tie ir ūdens pilieni, kas karājas gaisā un sadala redzamo gaismu tās sastāvdaļās. Un jūs precīzi zināt, kā šajā svītrainajā brīnumā mijas krāsas: sarkana, oranža, dzeltena, zaļa, zila, zila un violeta. Un, ja nezināt, atcerieties uzvedinošo frāzi: katrs mednieks vēlas zināt, kur sēž fazāns. Vai arī šeit ir vēl viens jokošs «franču» variants: kā reiz Žaks zvaniķis ar galvu salauza laternu Jūs jau nojautāt, ka katra vārda pirmais burts ir pirmais burts varavīksnes krāsas nosaukumā.
Bet atgriezīsimies pie astrofiziķiem. Astrofiziķi spēj sadalīt attālu zvaigžņu gaismu daudz sīkākās sastāvdaļās un ar īpašu instrumentu palīdzību pat saskatīt tās gaismas spektra daļas, kas ir acīm neredzamas – infrasarkano un ultravioleto starojumu. Ikviens, kurš spēj nolasīt šos spektrus, var uzzināt daudz jauna par zvaigzni. Piemēram, kāda ir tās temperatūra, kādi elementi ir tās sastāvā, kādi procesi notiek uz šīs zvaigznes un cik tālu tā atrodas no Zemes.
Ja caur šādām spektrālbrillēm aplūko Sauli, izrādās, ka Saulei ir aptuveni 80 Mendeļejeva tabulas elementu. Visvairāk ir ūdeņraža (gandrīz trīs ceturtdaļas pēc masas) un hēlija (gandrīz ceturtā daļa), pārējo elementu ir tikai nedaudz (2%).
Tomēr galvenais jautājums joprojām ir – no kurienes šie elementi ir radušies uz Saules? Lai to noskaidrotu, mums ir jāatgriežas atpakaļ savā laika mašīnā.
Visu sākumu sākums jeb Kosmiskā virtuve
Mūsdienās ar teleskopu «Hubble» mēs varam atskatīties divpadsmit miljardus gadu atpakaļ! Astrofiziķi rūpīgi pēta neiedomājami tālās pagātnes starojumu, ko iemūžinājis Hubble teleskops. Šādā veidā viņi var atveidot kosmosa notikumus, kas risinājušies šajā milzu laika posmā. Tas ir, it kā viņi skatītos filmu atpakaļgaitā, no beigām uz sākumu. Atpakaļ tur, kur viss sākās.
Un viss sākās ar Lielo sprādzienu. Tā beļģu priesteris un astronoms Žoržs Lemotrs 1931. gadā nosauca Visuma rašanās brīdi. Jau tad, XX gadsimta sākumā, astronomi ar uz zemes uzstādītu teleskopu palīdzību varēja redzēt un saprast, ka Visuma daļas atrodas nepārtrauktā kustībā. Un ne tikai kustībā: šķiet, ka tās izklīst dažādos virzienos, attālinoties viena no otras – gluži kā granātas atlūzas vai uguņošanas ierīces dzirksteles lido prom. Pagājušā gadsimta 20. gadu beigās Žoržs Lemērs apmeklēja savu draugu, astronomu Edvīnu Hābleju (teleskops nosaukts par godu viņam) Mount Wilson astronomiskajā observatorijā Kalifornijā (ASV) un uzzināja par šiem nesenajiem novērojumiem. Un tad viņš vienkārši domāja un iedomājās, kas notiktu, ja lidojošās granātas fragmentus apgrieztu, proti, liktu lidot pretējā virzienā. Šis prāta eksperiments viņu noveda pie sākotnējā brīža, kad granāta eksplodēja un radīja lidojošās atlūzas. Tā radās Lielā sprādziena teorija.
Mūsdienās astrofiziķi aprēķinājuši, ka Lielais sprādziens notika apmēram pirms 14 miljardiem gadu. Eksplodēja kaut kas ļoti mazs un neticami blīvs. Žoržs Lemotrs to nosauca par pirmatnējo atomu, bet mūsdienu fiziķi to sauc par singularitātes punktu. Šajā vēsturiskajā sprādzienā dzima matērija, telpa un laiks. Lielais sprādziens bija neticami spēcīgs: uz tā fona atombumbas sprādziens ir tikai mošķa pīkstiens. Karsta, gigantiskas temperatūras bumba sāka strauji uzbriest, radot sevī arvien vairāk un vairāk telpas. Tai paplašinoties, temperatūra kvēlojošās lodes iekšienē pazeminājās, un sāka dzimst nākotnes matērija.
Es jau redzu, kā jūs apmulsis kratāt galvu: «Es nesaprotu! Kā tas ir iespējams, ka tur nebija nekā, ne matērijas, ne telpas, ne laika?». To patiešām ir grūti saprast un iedomāties. Es pats esmu pārdomājis to gadiem ilgi. Un man ienāca prātā šī analoģija, un es ceru, ka tā palīdzēs arī jums. Arī jūs kādreiz neesat eksistējuši, un jums nav bijis ne telpas, ne laika. Bet tagad tu piedzimi, un tajā brīdī tev atvērās telpa un laiks sāka skaitīt. Sākumā tava telpa bija ļoti maza un aprobežojās ar gultiņu. Bet tu augi, un tā auga, paplašinājās kopā ar tevi. Jo tālāk tu augsi, jo lielāka kļūs šī telpa, kuru tu atpazīsi un apgūsi. Un jūsu izziņai nav robežu. Visa pasaule ir atvērta jums – skaista un bezgalīga.
Bet atgriezīsimies pie Visuma dzimšanas. Mēs ar jums jau zinām, ka viss sastāv no trim elementārdaļiņām – protonu, neitrona un elektronu. Tās radās pašā pirmās sekundes sākumā pēc Lielā sprādziena. Sekunde vēl nebija pagājusi, un temperatūra jau bija nokritusies līdz 300 miljoniem grādu, un sāka veidoties pirmie nākotnes atomu kodoli, paši mazākie un vienkāršākie – smagais ūdeņradis (viens protons, viens neitrons) un hēlijs (divi protoni, divi neitroni). Nav nejaušība, ka šie elementi Mendeļejeva tabulā ieņem pirmās divas vietas. Tie patiešām bija pirmie! Pēc tūkstoš gadiem tas kļuva «vēss» – tikai 30 000 grādu pēc Celsija. Taču tieši tādā temperatūrā hēlija un ūdeņraža kodoli spēja piesaistīt pie sevis elektronus. Tā radās pirmie atomi.
Un tad, vēl pēc 200 miljoniem gadu, Visums kļuva briesmīgi auksts – mīnus 272 grādi pēc Celsija jeb tikai aptuveni viens grāds absolūtās temperatūras skalā. Šādos apstākļos Visuma gāze, ko veidoja ūdeņradis un hēlijs, sāka kondensēties, t. i., apvienoties gāzes lodēs, līdzīgās mūsu Saulei un citām zvaigznēm. Gravitācijas spēki tās saspieda arvien ciešāk un ciešāk. Atbrīvojoties enerģijai, sāka paaugstināties temperatūra. Un tā zvaigžņu dzīlēs radās apstākļi, kuros sākās termonukleārās kodolsintēzes reakcija – ūdeņraža un hēlija kodolu saplūšana, radot arvien smagāku elementu kodolus, visus Mendeļejeva tabulas ķīmiskos elementus. Tā zvaigznes kļuva par milzu matērijas rūpnīcām. Šajās reakcijās izdalījās arī daudz enerģijas, kas izplatījās Visumā, tostarp gaismas veidā. Tāpēc mēs redzam zvaigznes debesīs simtiem miljonu gaismas gadu attālumā.
Un tad visa «degviela» zvaigznes dzīlēs izdega, un zvaigzne eksplodēja, izkliedējot Visumu ar uzkrāto matēriju. Radās starpzvaigžņu putekļi, no tiem – putekļu mākoņi, un no tiem – planētas, pildītas ar dažādām vielām. Tā radās matērija, no kuras veidojās visi Visuma objekti.
Mūsu Saules sistēma, kurā mēs dzīvojam, ir daļa no mūsu Piena Ceļa galaktikas. Šajā galaktikā, tāpat kā citās, ir vairāk nekā 100 miljardi zvaigžņu. Visumā ir 100 miljardi tādu galaktiku kā mūsu galaktika. Milzu, milzīga, milzīga, noslēpumaina pasaule! Un tā visa ir veidota no matērijas, tas ir, matērijas, kas radusies Lielā sprādziena rezultātā.
Bet neviens to nevar droši apgalvot, jo neviens nekad nav redzējis Lielo sprādzienu. Tā ir tikai teorija, pieņēmums. Taču šodien visi novērotie dati, ko astrofiziķi ieguvuši ar Hubble un citu teleskopu palīdzību, apstiprina, ka Visuma rašanās un attīstības scenārijs, ko sauc par Lielo sprādzienu, ir ļoti līdzīgs patiesībai. Tomēr joprojām ir daudz jautājumu: kas bija pirms Lielā sprādziena? Vai bez mūsu Visuma pastāv vēl citi Visumi? Vai Visums paplašināsies līdz bezgalībai? Un, ja nē, kas ar to notiks beigās? Iespējams, šie jautājumi gaida arī jūs, dārgais lasītāj. Un, ja jūs savu dzīvi veltīsiet Visuma izpētei, iespējams, jūs atradīsiet atbildes uz tiem un padarīsiet cilvēci laimīgu.
Apkoposim. Protoni, neitroni un elektroni, no kuriem rodas visi elementi un vielas jeb matērija, parādījās Visuma dzimšanas brīdī, tūlīt pēc Lielā sprādziena. No tiem izveidojās pirmo vielu – ūdeņraža un hēlija – atomi, kas joprojām ir visizplatītākās vielas Visumā. Savukārt pārējie Mendeļejeva tabulas ķīmiskie elementi dzima un turpina dzimt zvaigznēs. Šeit milzīgās temperatūrās nepārtraukti noris kodolu un atomu sabrukšanas un saplūšanas reakcijas, šeit dzimst ķīmiskie elementi, kas kā izejvielas tiek piegādāti Visumam.
Fiziķi apgalvo, ka elektronu skaits Visumā kopš Lielā sprādziena nav mainījies. Tas nozīmē, ka arī dažādu vielu skaits šajā brīnišķīgajā pasaulē ir ierobežots.
3. nodaļa. Vai izjauksim Zemi?
No nekā nevar radīt neko, ja vien tas nav muļķīgi. Jūs jau esat sapratuši – lai izveidotu molekulu, ir vajadzīgi atomi, un, lai izveidotu atomus, ir vajadzīgi protoni, neitroni un elektroni. Bet nav noliktavas, kur prototi, elektroni un neitroni būtu sakārtoti kastēs, un kastes – plauktos: nāc un ņem, kas tev vajadzīgs. Un no kurienes, jūs varētu jautāt, jūs to visu paņemsiet? To visu var iegūt no citām vielām, kas jau eksistē. Atomu fiziķi zina, kā paātrināt dažādus atomus līdz neprātīgam ātrumam paātrinātājos, sadursināt tos un sadursmes rezultātā iegūt citus atomus un elementārdaļiņas. Savukārt ķīmiķi, kas nenogurstoši pēta visas iespējamās vielas pasaulē, ar dažādu ķīmisku reakciju palīdzību spēj no vienas vielas iegūt citu.
Bet paliek jautājums – kur iegūt šīs sākotnējās vielas? Mēs neesam iemācījušies, kā ar milzu karotēm no kosmosa izslaukt ūdeņradi, hēliju un kosmiskos putekļus. Bet mums tas arī nav vajadzīgs. Galu galā mums ir sava milzīga ķīmisko reaģentu krātuve, kas ir 4,5 miljardus gadu veca un sver miljardu triljonu tonnu (6*1021 tonnu) – mūsu brīnišķīgā planēta Zeme, kas sastāv no visdažādākajām vielām.
Un izurbsim milzu tuneli līdz Zemes centram, nosūtīsim cauri tam caurspīdīgu liftu un apskatīsim, kas tur glabājas. Protams, tas ir tīri spekulatīvs eksperiments. Lielākais dziļums, līdz kuram cilvēkam ir izdevies ierakt Zemē, ir tikai divpadsmit ar mazliet kilometru – tas ir mūsu superdziļais urbums Kolas pussalā. Tas šķiet daudz. Taču Zemei tas ir kā Ziemassvētku eglītes adata, kas iesprausta ziloņa ādā. Mums ir vajadzīgs 6 371 kilometru garš tunelis, kas ir Zemes rādiuss. Citiem vārdiem sakot, mums būtu jāizurbj 530 urbumi, piemēram, Kolas aka, lai nokļūtu planētas centrā.
Un tomēr nekas mums netraucē doties garīgā ceļojumā. Attēlu, kurai būtu jāatver mūsu acīm aiz caurspīdīgajām lifta sienām, tagad detalizēti apraksta ģeofiziķi, kas pēta Zemes uzbūvi. Un, lai gan neviens no viņiem nav sajutis mūsu planētas saturu dziļāk par divpadsmit kilometriem un noteikti nav redzējis Zemes sirdi – tās kodolu, tomēr mūsu planētas iekšējā uzbūve ir diezgan labi zināma.
Bet kā var aprakstīt to, ko neesat redzējuši, vaicāsiet jūs? Un galu galā mēs ar jums jau zinām atbildi uz šo jautājumu – ar netiešiem novērojumiem.
Zinātnieki klausās, zondē un pēta mūsu planētu – gluži tāpat kā ārsti pēta mūsu ķermeņus. Ar rentgena staru, ultraskaņas un dažādu zondes aparātu palīdzību, kas dažkārt ir jānorij vai jāceļo pa asinsrites ceļiem, ārsti pēta mūsu iekšienes. Un ar skaņu, kas nāk no aukstā fonendoskopa, kuru ārsts pieliek pie mūsu krūškurvja, viņi klausās plaušās un bronhos: vai tur ir kāds iekaisums, iffu, iffu, iffu, iffu. Ģeofiziķi ietekmē Zemi tādā pašā veidā – ar dažādiem elektromagnētiskajiem starojumiem un seismiskajiem viļņiem. Tad viņi klausās atbalsis, pēta reakciju un izdara secinājumus par vielas stāvokli tajā vai citā dziļumā – vai tā ir šķidra vai cieta, kāds ir tās blīvums un temperatūra.
Nu, mēs jau esam pacēlājā. Grīdā iestrādāts spīdošs ekrāns atskaita mūsu niršanas kilometrus. Mūsu ceļojuma pirmais un īsākais posms – aptuveni 40 kilometri Zemes līdzenajos apgabalos – iet cauri slānim, ko sauc par Zemes garozu. Zeme ir pārklāta ar mizu, līdzīgi kā koks.
Ja pagriezīsiet galvu pa kreisi un pa labi, tad, atklāti sakot, jūs tik un tā neko nevarēsiet saskatīt – zem zemes ir melns. Tomēr liftā mums ir jaudīgi prožektori, tie mums nedaudz palīdzēs.
Pēc plānākā augsnes un māla slāņa iegrimstam akmens tunelī ar granīta un bazalta sienām. Tomēr dažkārt lifts izskrien cauri ūdens, naftas un gāzes slāņiem jeb horizontiem, kā zinātnieki tos sauc, tāpēc aina aiz lifta sienām joprojām ir daudzveidīga. Tikmēr kļūst arvien karstāks un karstāks. Desmit kilometru dziļumā temperatūra jau ir zem divsimt grādiem! Un tālāk dziļumā ir vēl karstāks. Labi, ka mēs pārdomāti, pat mentāli, uzvelkam karstuma aizsargtērpus.
Asā sirēnas skaņa novērš mūsu uzmanību no skatīšanās uz zemes saturu. Uz ekrāna zem mūsu kājām parādās uzraksts: «Visi sēžiet savās vietās un piesprādzējieties drošības jostām. Pēc desmit minūtēm mēs šķērsosim Moho robežu!» Šo norādījumu nedrīkst ignorēt. Moho robeža, ko 1909. gadā atklāja horvātu ģeofiziķis un seismologs Andrejs Mohorovičičs, satricinās kā laba zemestrīce. Šī seismisko viļņu augstas aktivitātes zona aptver visu Zemi no piecu (zem okeāna dibena) līdz septiņdesmit kilometru dziļumā. Tā atdala Zemes garozu no lielākās Zemes daļas – mantijas, kas veido 67% no mūsu planētas kopējās masas un aptuveni 83% no kopējā apjoma.
Ceļošana pa mantiju ir gara un neinteresanta – tā joprojām ir tā pati granītam līdzīgā iezis, tikai vēl blīvāks un smagāks. Varētu teikt, ka Zemes garozā ir relatīvi kausējamas vielas, bet mantijā – ugunsizturīgas vielas. Tā domā ģeofiziķi. Taču patiesībā tā var nebūt, jo zinātnieki atrod jaunus datus un rada jaunas teorijas. Tikmēr mūsu lifts nobrauc vairāk nekā 2800 kilometru – tas ir tāpat kā divas reizes aizbraukt no Maskavas uz Sanktpēterburgu un atpakaļ.
2900 kilometru dziļumā mēs sasniedzam robežu starp Zemes mantiju un kodolu. Tālāk lifts atsakās doties pat mentāli, jo tas būtu liktenīgi. Galu galā liftam būtu jāiegrimst izkausētā metālā, kas veido kodola ārējo apvalku, jānoiet 2200 kilometrus šajā sarkanā karstajā putrā un jāiebirst Zemes cietajā kodolā. Pēc zinātnieku domām, tas ir izgatavots no dzelzs un niķeļa sakausējuma, kam pievienoti citi elementi. Tas izskatās pēc smagas nerūsējošā tērauda lodītes, no kāda tiek izgatavoti gultņi, tikai ļoti lielas. Temperatūra šeit ir velnišķīgi augsta – 5000 grādu, gandrīz kā Saules virspusē. Taču kodols ir ciets milzīgā spiediena dēļ. Un ļoti blīvs, tāpēc caur to nav iespējams izurbt tuneli, pat hipotētiski.
Kā ir ar Žila Verna grāmatu «Ceļojums uz Zemes centru»? Patiešām, zinātniskās fantastikas rakstnieki savos romānos ir ceļojuši uz mūsu planētas kodolu. Taču stingrie ģeofiziķi mums nav atstājuši ne mazāko iespēju ieraudzīt to apbrīnojamo un krāsaino pasauli, kas Žila Verna romāna varoņiem pavērās zem zemes.
Tomēr mēs jau esam sapratuši, ka mums nav vajadzības doties tik dziļi. Galu galā mēs meklējam mums nepieciešamās vielas, un to ir pilnīgi pietiekami daudz Zemes garozā, kas ir diezgan plāna – no pieciem kilometriem okeānā līdz septiņdesmit kilometriem kalnos. Un mēs ļoti labi protam rakt un urbt.
No kā ir veidota Zeme?
Viņi apgalvo, ka gandrīz visi Mendeļejeva tabulas elementi ir atrodami Zemē. Ja ne visi, tad deviņdesmit noteikti. Zinātnieki pat ir aprēķinājuši, cik daudz dažādu elementu atomu ir ietilpuši Zemes būvniecībā. Tas ir tik liels skaitlis, ka tam pat nav nosaukuma. Paņem papīra lapu, uzraksti vieninieku un tam pievieno 50 nulles. Iegūsiet skaitli, kas nevar iekļauties vienā piezīmju bloka lapas rindiņā. Ko mums stāsta šis garais, čūskai līdzīgais skaitlis? To, ka uz Zemes ir ne tikai daudz atomu, bet fantastiski daudz atomu.
Kas ir šie atomi? Trešdaļa no tiem ir dzelzs atomi, vēl gandrīz trešdaļa ir skābekļa atomi, sestā daļa ir silīcija, astotā daļa ir magnija, divpadsmitā daļa ir sēra, niķeļa, kalcija un alumīnija atomi. Un pārējiem elementiem ir palikusi viena simtā daļa. Tāds ir visu mūsu planētas elementu sastāvs. Taču mūs ar jums interesē tikai Zemes garoza, kas veido tikai vienu divsimtdaļu no Zemes masas. Lai gan tas ir daudz, ņemot vērā mūsu planētas milzīgo svaru.
No kā sastāv Zemes garoza? Šeit ēdienkarte ir bagātāka un daudzveidīgāka.
Astoņpadsmit elementi – skābeklis (O) un silīcijs (Si), alumīnijs (Al) un dzelzs (Fe), kalcijs (Ca) un nātrijs (Na), kālijs (K) un magnijs (Mg), ūdeņradis (H) un titāns (Ti), ogleklis (C) un hlors (Cl), fosfors (P) un sērs (S), slāpeklis (N) un mangāns (Mn), fluors (F) un bārijs (Ba) – veido 99,8% Zemes garozas masas. Visvairāk ir skābekļa (puse no Zemes garozas masas) un silīcija (ceturtā daļa). Un kur ir zelts, sudrabs un platīns – mūsu tik dārgie un iemīļotie metāli? Arī tie tur ir. Tomēr kopā ar pārējiem desmitiem elementu tie veido tikai vienu piecsimtdaļu no Zemes garozas masas.
Protams, visi šie elementi nav izvietoti atsevišķās kastēs, pudelēs un kastītēs ar attiecīgām etiķetēm, kā tas būtu jādara reālā ķīmisko reaģentu noliktavā. Elementi tīrā veidā, t. i., vienkāršu vielu veidā, zemē sastopami ļoti reti. Piemēram, zelts, kura sarežģītus, mazus un lielus lietņus var aplūkot mineraloģijas muzejos. Vai dzeltens sērs vaskainos kristālos. Un tad ir ogleklis dimantu veidā, kas veido brīnišķīgus caurspīdīgus dimantus, spīdīgu melnu un pelēku grafītu vai melnus ogļu slāņus. Būtībā Zemes ieži sastāv no oksīdiem – tā ķīmiķi sauc elementu savienojumus ar skābekli dažādās attiecībās. Tāpēc Zemes garozā ir visvairāk skābekļa.
Un bez oksīdiem Zemes ieži satur arī dažādus sāļus – tā ķīmiķi sauc metālu atomu savienojumus ar citiem elementiem. Piemēram, mūsu galda sāls, nātrija hlorīds, vai pirīts, dzelzs sulfīds, kas spīd akmeņos ar zeltainām dzīslām un bieži mulsina zelta meklētājus – tas izskatās ļoti līdzīgi.
Un ir arī sarežģītāki sāļi, kas satur metāla, skābekļa un kāda cita elementa atomus, piemēram, kalcija karbonāts jeb baltais mīkstais krīts, ar kuru skolotājs raksta uz tāfeles. Arī tas ir dabīgs akmens, kas sastāv no kalcija, oglekļa un skābekļa atomiem proporcijā 1:1:3. Lai īsāk pierakstītu šīs vielas sastāvu, ķīmiķi izmanto šādu paņēmienu: viņi rindā uzraksta elementu simbolus, bet blakus, tieši zem tiem, to relatīvo daudzumu vielā. Izrādās: Ca1C1O3 vai, vēl vienkāršāk, CaCO3. Īsi un vienkārši. To sauc par vielas ķīmisko formulu.
Visas šīs vielas ir cietas, tās spēj veidot dažādu krāsu kristālus, pēc dabas diktāta tās sajaucas, savijas, pārtop viena otrā. Un rezultātā veidojas visdažādākie akmeņi – neglītie, parastie, pelēkie vai košie, ar sarežģītiem rakstiem un dzīslām. Vai arī dažādu krāsu caurspīdīgi kristāli, kurus sauc par dārgakmeņiem un pusdārgakmeņiem. Smiltis un oļi pludmalē, slidenais māls uz sabrukušiem ceļiem, akmeņi kalnos, kas krīt zem kājām, – tie visi ir sasalušo kristālu kokteilis no vielām, par kurām tikko runājām. Un to visu sauc par minerāliem.
Jūs jautājat, kā mēs to zinām? Nu, pateicoties ģeologiem, mineralogiem un ģeohēmiķiem. Viņi nenogurstoši pēta, kas atrodas zem mūsu kājām. Ģeologi ar mugursomu mugurā un īpašu āmuru rokās ceļo pa pasauli cauri mežiem, kalniem, upju ielejām un tuksnešiem, vācot dažādus neparastus akmeņus un iežu paraugus. Mineralogi un ģeohēmiķi laboratorijās rūpīgi pārbauda paraugus – aplūko zīmējumu, pēta akmens spīdumu un lūzumu, pārbauda tā magnētiskās īpašības, rentgena starojumu un ķīmiskos reaģentus, lai noskaidrotu ķīmisko sastāvu un kristālisko struktūru.
Pirmatklājējā tiesības
Manuprāt, «minerāls» ir ļoti skaists franču valodas vārds. Tā sauc visas dabiskās vielas ar noteiktu kristālisku struktūru un īpašībām, kuras izveidojusies daba. Tās ir Zemes garozas, iežu un rūdu sastāvdaļas.
Bet tas ir tas, ko mēs jau zinām. Tas, ko mēs vēl nezinām, ir tas, cik daudz minerālu dabā eksistē. Neviens mineralogs nevar atbildēt uz šo jautājumu. Viņš tikai pateiks, ka pirms divsimt gadiem bija zināmi mazāk nekā simts minerālu, bet šodien ir atklāti vairāk nekā četri tūkstoši. Un katru gadu zinātnieki atrod desmitiem jaunu, rūpīgi tos pēta, nodod savu pētījumu rezultātus zinātniskās sabiedrības tiesai un, ja iznākums ir labvēlīgs, piešķir tiem nosaukumu. Tad jauno minerālu iekļauj oficiālajā katalogā.
No šiem četriem tūkstošiem tikai 20—30 minerālu, no kuriem vissvarīgākie ir kvarcs, laukšpats un raga blends, veido lielāko daļu Zemes garozas, bet pārējie ir samērā reti. Ja uz lauku ceļa ar kurpes pirkstgalu paceļat pelēku plakanu oļu, visticamāk, tas ir viens no trim iepriekš minētajiem minerāliem.
Starp citu, no kurienes nāk minerālu nosaukumi? Ir zināms, ka nosaukumus dod vecāki. Un minerālu vecāki ir tie pētnieki, kas tos atklājuši un pētījuši. Senos laikos, pirms vairākiem simtiem gadu, minerālus nosauca pēc vietas, kur tie tika atrasti. Piemēram, topāzs pirmo reizi tika atklāts Sarkanajā jūrā, Topaziona salā, bet haldedons – pie tāda paša nosaukuma pilsētas Mazāzijā. Tomēr šo metodi izmanto arī mūsdienu ģeologi. Skaistais minerāls čaroīts, kas tika atklāts tikai nesen, apmēram pirms trīsdesmit gadiem, tika nosaukts Čaras upes vārdā Jakutijas dienvidos.
Bieži vien minerālu nosaukumos «iekodētas» to īpašības, vispirms – krāsa: rubīns nozīmē «sarkans», akvamarīns – «jūras ūdens krāsa». Taču bieži vien par pamatu nosaukumam kalpoja akmeņu struktūra. Šeit, piemēram, ir laukšpats. Tā kristāliskās struktūras īpatnību dēļ šis akmens var sadalīties plānās plāksnītēs. Tāpēc to sauc par «laukšpatu» no sengrieķu vārda spate – plāksne. Vai arī ņemsim hornblendi. Ja šo akmentiņu salauzsim, tas lūzuma vietā izskatīsies pēc zvīņveida raga. No tā arī cēlies nosaukums.
Šodien ir cita mode. Gandrīz 40% visu minerālu nosaukumu ir veidoti no dažādu cilvēku uzvārdiem vai vārdiem. Šo modi 18. gadsimtā ieviesa vācu ģeologs Ābrahāms Verners. Pirmais nosauktais minerāls – prehnīts – bija viņa darbs. Viņš to nosauca par godu pulkvedim fon Prenam, kurš no Labās cerības zemes raga nogādāja pirmos šī minerāla paraugus.
Sākotnēji šī mode ieviesās ar grūtībām, un tika lietoti tikai nozīmīgu personu vārdi. Piemēram, skaistais akmens aleksandrīts tika nosaukts par godu caram Aleksandram II. Taču tagad daudzos nosaukumos dzirdamas atbalsis no zinātnieku, rakstnieku, filozofu, dzejnieku, kolekcionāru, mākslinieku, politiķu vārdiem… Jūs nevarat tos visus saskaitīt. Piemēram, minerāls belovīts nosaukts par godu kristalogrāfam un ģeohēmiķim Nikolajam Vasiļjevičam Belovam, bet biotīts – par godu franču fiziķim Žanam Baptistam Bio, kurš pētīja magnētismu un optiku. Akmeņu nosaukumos iemūžināti slavenā Pjēra Kirī, kurš atklāja elementus poloniju un radiju, Antuāna Anrī Bekerēla, kurš atklāja urāna un tā sāļu radioaktivitātes parādību, un daudzu citu cilvēku vārdi.
Minerālu vecāki nav aizmirsuši arī par kosmonautiem. Gagarinīts parādījās par godu Jurijam Gagarinam, pirmajam cilvēkam, kurš 1961. gadā uzlidoja kosmosā. Savukārt amerikāņu astronauta Nīla Aldena Ārmstronga, kurš pirmais kāpa uz Mēness virsmas, uzvārds skan nosaukumā «Armstrongīts». Vārdā «goetīts» skan slavenā vācu rakstnieka un filozofa Johana Volfganga Gētes vārds, kurš, starp citu, bija aizrāvies ar mineraloģiju un vācis brīnišķīgas akmeņu kolekcijas. Un uz ko atsaucas «ruzveltīts» un «jeffersonīts»? Jūs nezināt? Pajautājiet savam tēvam. Viņš jums pateiks, ka tie nepārprotami ir divu Amerikas Savienoto Valstu prezidentu vārdi.
Jaunā minerāla atklāšana tomēr ir zinātnisks notikums, jo tas ļauj mums spert vēl vienu soli ceļā uz izpratni par Zemes un citu planētu rašanos un veidošanos. Nemaz nerunājot par to, ka jaunais minerāls varētu būt noderīgs cilvēcei – no šī akmens nav daudz ko iespējams izgatavot. Lai gan mineraloģijai ir simtiem gadu ilga vēsture, tā joprojām ir zinātne, kas glabā noslēpumus.
Iespējams, ka arī jūs aizraus akmeņos ietvertais skaistums un harmonija, kļūsiet par slavenu zinātnieku, atklāsiet jaunu minerālu un nosauksiet to savas mātes vārdā. Viņa būs ļoti priecīga! Ne velti viņa pārliecināja tevi cītīgi studēt un iestāties ģeoloģijas fakultātē. Un vispār, kura mamma nevēl saviem bērniem labu? Nav nevienas.
4. nodaļa. Substances skaistā dzīve
Tagad mēs zinām, no kā ir veidota Zeme un ko tā satur. Kā mums vajadzētu rīkoties ar šīm neizsakāmajām bagātībām? Ķīmiķi zina atbildi, jo jebkura viela viņiem ir kā bērns.
Visvienkāršākais veids ir paņemt gatavu vielu no dabas un izmantot to savām vajadzībām. Piemēram, parastās smiltis jeb silīcija dioksīds (SiO2) jeb silīcija dioksīds un kvarcs.
Cik daudz lietu var pagatavot no šīs neizskatīgās un visur sastopamās vielas! Un to ir viegli iegūt, jo smiltis nemaz nav dziļi vai pat zemes virspusē. Uzsākot darbu smilšu bedres ekskavatorā, viņš ar kausu paņēma smilšu kaudzi, izgāza to pašizgāzējā un palaida mašīnu ar smiltīm pie tiem, kam tās vajadzīgas.
Visvienkāršākais, ko var darīt ar smiltīm, ir iebērt tās zem topošo ēku pamatiem, uz celiņiem parkos un stadionos un smilšu bedrēs, lai bērni varētu būvēt smilšu pilis. Bet tas ir ļoti vienkārši. Un, strādājot ar smiltīm, var iegūt absolūti apbrīnojamu materiālu, kas savā laikā mainīja civilizācijas seju. Uzminiet, par ko es runāju? Tieši tā – stikls. Vāzes un krūzes, glāzes un pudeles, rotaslietas un spuldzes, lustras un glāzes, logi un dubultstikli – vai varat iedomāties mūsdienu dzīvi bez visa šī stikla krāšņuma?
Lai smiltis pārvērstu par stiklu, ir jāiegulda daudz pūļu un enerģijas burtiskā nozīmē. Smiltis ir jāizkausē, un tās kūst ļoti augstā temperatūrā – vairāk nekā 1700 grādu! Vēl vieglāk ir kausēt dzelzi. Lai izkausētu smiltis līdz šādai temperatūrai krāsnī, ir nepieciešams daudz degvielas (ja krāsns ir gāzes krāsns) vai elektrības (ja krāsns ir elektriskā krāsns). Taču šeit palīgā nāk neliels ķīmisks brīnums. Ja smiltīm pievieno nedaudz sodas (ķīmiķi šo vielu sauc par nātrija karbonātu) un krītu (kalcija karbonātu), kausēšanas temperatūra pazeminās par 700 grādiem. Ar šādu veiksmīgu sastāvdaļu kombināciju smiltis izkusīs, neatgriezeniski zaudēs savu stingro kristālisko struktūru un pārvērtīsies caurspīdīgā, šķidrā masā, kas sacietēs, bet nekad nekļūs kristāliska. Tā ir ķīmija darbībā!
Kā jūs domājat, cik sen cilvēki izdomāja, kā izgatavot stiklu? Nelielus priekšmetus no stikla – krelles, gredzenus, mazus burbuļus – iemācījās izgatavot Senajā Ēģiptē pirms vairākiem tūkstošiem gadu. Tātad viņi jau tolaik zināja tā recepti. Bet lokšņu gludu stiklu pirmo reizi sāka izgatavot 17. gadsimta beigās. Starp citu, pirmo stikla fabriku 1635. gadā netālu no Maskavas uzcēla zviedrs Elīzijs Kolts. Taču pirmās lokšņu glāzes bija nelielas – parastas grāmatas lieluma. Un tās nebija īpaši gludas, jo tolaik atdzisstošo stikla masu vienkārši izveltnēja ar labi noslīpētu baļķi.
Pirmie logu stikli bija neticami dārgi, tāpēc XVII gadsimta beigās un XVIII gadsimta sākumā celtās mājās logi bija mazi. Bagātīgajos namos šīs mazās stikla plāksnītes tika ievietotas šūnveidīgā koka rāmī. Tad logs šķita liels, taču to veidoja vairāki stikla logi koka rāmī. Tieši šādus logus var redzēt Kunstkammeres ēkā Vasiljevskas salā Sanktpēterburgā, kuras būvniecība pēc Pētera I rīkojuma tika sākta 1718. gadā. Stāsta, ka pirms 200 gadiem Francijā tika iekasēts nodoklis no tiem, kam bija stikla logi. Iespējams, tas bija luksusa nodoklis.
Šodien ir pavisam citādi. Milzīgas stikla vitrīnas, kuru izmēri vairs netiek mērīti centimetros, bet gan metros, ir ierasta parādība jebkurā modernā pilsētā. Lielu, perfekti gludu, plakanu stiklu izgatavo, izmantojot īpašu tehnoloģiju, ko 1959. gadā ierosināja britu tehnologi. Iedomājieties milzīgu taisnstūra formas vannu, kas piepildīta ar izkausētu metālu – alvu. Izkausētā metāla virsma ir pilnīgi gluda. Uz tās izlej izkausētā stikla masu. Tā viegli un vienmērīgi izplatās pa karsto metālu, veidojot vienmērīga biezuma slāni. Tā lēnām atdziest vannā kopā ar alvu. Tad pilnīgi gludo stikla loksni nodod darbam – sagriež un iesaiņo. Šādu stiklu mūsdienās izmanto dubultstiklu logos.
«Kaleidoskops» un Swarovski kristāli
Iespējams, jums ir bijusi vai pat ir vienkārša bērnu rotaļlieta Kaleidoskops. Vai man taisnība? Nezinu, kā jūs, bet es, godīgi sakot, joprojām reizēm skatos caur to. Tās ir tikai trīs spoguļplāksnītes un daži mazi daudzkrāsaini stikliņi, kas brīvi pārvietojas pa kaleidoskopa caurulītes apakšu, ja to pagriež. Un tagad mūsu acīm paveras dažādi, pārsteidzoši, spilgti raksti, kas veidoti no krāsainiem stikliem.
Kā jūs piešķirat stiklam krāsu apjomu? Jā, ar to pašu dabīgo minerālvielu un savienojumu palīdzību, kas tiek pievienoti stikla maisījumam pirms tā kausēšanas. Lai iegūtu zaļganu un dzeltenu krāsu, pievieno hroma savienojumus, oranžu – sudraba savienojumus, zilu – kobalta, pudelīšu vai smaragdzaļu – dzelzs, zilu un zilu – vara, bet asinssarkanu – kadmija.
Vai jūs zināt, no kā ir izgatavotas rubīna zvaigznes uz Maskavas Kremļa torņiem? No spilgti sarkana stikla ar selēna piedevām. Arī Maskavas Valsts universitātes augstceltnes zeltainā smaile ir stikla. Tā ir izgatavota no spilgti dzeltena stikla. Spīķa iekšpusē stikls ir pārklāts ar plānu alumīnija slāni, tāpēc saulainā dienā tas spīd tikpat labi kā zelta stikls un kalpos ilgāk.
Ja stikla masai pievieno svina un bārija savienojumus, iegūst zvana kristālu. Un kristālu var arī slīpēt, tā virsmā izgriež sarežģītus rakstus un pēc tam pulē. Aizejiet pie skapja, izņemiet kristāla flīģeli (tikai esiet uzmanīgi, vecmāmiņas ļoti uzjautrinās, kad viņu kristāls tiek salauzts) un paskatieties, kā gaisma spēlē uz to šķautnēm. Vai tas nav skaisti? No parasta stikla šādu lietu nevar izgatavot, tas ir pārāk mīksts un «plūst» pa malām un izciļņiem, tāpēc jūs nesaņemat nekādu gaismas spēli.
Kā jūs domājat, no kā tiek izgatavotas modernas rotaslietas – no Swarovski kristāliem, ko ražo Austrijas uzņēmums ar tādu pašu nosaukumu? No tā paša kristāla, kas patiesībā ir no stikla! Swarovski kristālu kristālam izmanto vienu trešdaļu svina oksīda, kas nozīmē, ka tas ir vēl cietāks nekā parastais kristāls.
Modes kristālu vēsture aizsākās pirms vairāk nekā simts gadiem, 1891. gadā. Toreiz Daniels Svarovskis izgudroja kristāla griešanas automātu, un trīs gadus vēlāk viņš nodibināja savu uzņēmumu ar savu vārdu. Swarovski interese par griešanas biznesu ir saprotama. Galu galā viņš ir dzimis (1862. gadā) nelielā Georgentalas ciematā Ziemeļbohēmijā, kas jau tolaik bija slavens ar saviem stikla māksliniekiem, kristāla meistariem, slīpētājiem un pulētājiem. Daniels apguva amata pamatus sava tēva darbnīcā, bet pēc tam astoņpadsmit gadu vecumā devās uz Parīzi studēt fiziku, ķīmiju, mehāniku un inženierzinātnes. Viņš apmeklēja arī Pasaules elektrības izstādi Vīnē (1883), pēc kuras viņam radās ideja izgatavot elektrisko mašīnu akmeņu un kristāla griešanai.
Tiesa, tajos laikos neviens nedomāja dimantus aizstāt ar jebkāda veida stiklu. Tas bija vienkārši nepieklājīgi. Slīpēšanas un griešanas materiālu izgatavošanai bija vajadzīgi cieti kristāli ar asām malām.
Par Swarovski kristāliem kā juvelierizstrādājumu elementu sāka runāt tikai pēdējos piecdesmit gados, kad pēkšņi uzlēca pieprasījums pēc spīdīgām rotaslietām, līdzīgām dimantiem. Mūsdienās bums ap Swarovski kristāliem ir tik liels, ka uzņēmuma veikals Vīnē, kurā pārdod rotaslietas, figūriņas un vienkārši kristālus, ir atvērts visu diennakti. Tā vitrīnas mirdz tik spoži, ka no tā sāp acis. Un tā nav tikai gaismas spēle uz kristālu šķautnēm. Dažiem saviem izstrādājumiem uzņēmums uzklāj īpašus pārklājumus. Populārākais no tiem ir «Aurora Nordic Aurora», pateicoties kuram uz kristāla virsmas parādās mirdzoši atspīdumi.
Labākā panna
Tātad ar piemēru par smiltīm mēs redzam, ka varam ņemt gatavu vielu no zemes, nedaudz ar to manipulēt un iegūt materiālus, kas ievērojami atvieglo un izdaiļo mūsu dzīvi. «Bet ir taču materiāli un vielas, kas dabā neeksistē tīrā veidā?» – jūs teiksiet. Paldies par jūsu gudro un savlaicīgo piezīmi. Patiešām, dzelzs, alumīnijs, varš ir sastopami zemē tikai savienojumu veidā ar citiem elementiem. Taisnības labad gan jāsaka, ka tīras dzelzs un vara gabaliņi, dažkārt pat ļoti lieli, ir atrodami, taču ļoti reti. Taču bez šiem metāliem mēs nevaram dzīvot. Citādi, kāpēc gan būtu jāgatavo pannas, vadi, velosipēdi, lidmašīnas un daudzas citas lietas?
Vai vēlaties dzelzi? Jā, es jūs lieliski saprotu, jo dzelzs ir vispieprasītākais metāls cilvēcei, 95% pasaules metalurģijas ražošanas pamatā ir dzelzs. Lūk, sākam! Ņemsim dzelzs rūdu, kas sastāv no dzelzs oksīdiem. No kurienes mēs to iegūstam? No šo minerālu atradnēm, ģeologi precīzi zina, kur tās atrodas. Mūsu valstī – galvenokārt Urālos – jau ir atklātas aptuveni 50 vidēji lielas un lielas atradnes un vairāk nekā 200 mazu atradņu. Speciālas mašīnas noņem virsējo zemes slāni un atklāj rūdas slāņus. Un tad iesaistās ekskavatori. Viņi milzu saujās uzber rūdu, un tā tiek nosūtīta pārstrādei – uz domnu. Starp citu, pirmā domnu krāsns Krievijā parādījās gandrīz pirms 400 gadiem.
Domnu krāsns ir milzīga būve divpadsmitstāvu mājas augstumā, kuras vēderā valda briesmīgs karstums, temperatūra sasniedz 2000 grādu pēc Celsija. Šeit iepilda sasmalcinātu rūdu, kas sajaukta ar sasmalcinātu koksu (oglēm), t. i., ogli, un citām piedevām. Un tad krāsnī notiek maģisku pārvērtību ķēde, ogle no dzelzs rūdas atņem skābekli, kā rezultātā veidojas izkausēts metāls. Tā karstās straumes plūst pa krāsni un izplūst no tās kvēlojošā, kvēlojošā straumē. Tā ir tik spilgta, ka var apžilbināt, tāpēc tēraudstrādnieki to aplūko caur īpašām aptumšotām brillēm.
Iegūtais metāls vēl nav tīra dzelzs. Šķidrais izkausētais metāls sevī izšķīdina nelielu daudzumu oglekļa, līdzīgi kā ūdens izšķīdina sāli. Šo materiālu sauc par čugunu. Tas ir tas pats materiāls, no kura izgatavota manas vecmāmiņas iecienītākā panna – tikai uz tās top vislabākās pankūkas un visgaršīgākie ceptie kartupeļi. Tāpēc vecmāmiņa to tik ļoti sargā.
Lai iegūtu tīru dzelzi, no čuguna ir «jāizdzēš» ogleklis. Ķīmiķi zina, kā to izdarīt, kā arī daudzas citas lietas. Viņi lieliski prot no dabas materiāliem iegūt to, kas mums nepieciešams. Un ir tik daudz lietu, kas mums ir vajadzīgas!
Labi, pietiek teorijas. Pastaigāsimies pa pilsētu un kārtīgi apskatīsimies, kur vēl tiek izmantotas dabas vielas un to produkti. Vai esat gatavi? Vai esat ģērbušies atbilstoši laikapstākļiem?
Tad ejam.
Kāpēc ķieģeļi?
Tiklīdz izgājām no ieejas, mūsu skatiens pievērsās blakus esošajai mājai – augsta, ķieģeļu, ar lieliem logiem. Mēs zinām par logu stiklojumu – tie bija izgatavoti no smiltīm. Bet kā ir ar ķieģeļiem? No kā tie ir darināti? No māla, kura zemē ir daudz.
Pēc savas ķīmiskās būtības māls ir trīs elementu (alumīnija, silīcija un skābekļa) savienojums, taču tajā ir daudz dažādu piemaisījumu. Tāpēc māli atšķiras pēc krāsas un plastiskuma. Jūs nezināt, kas ir plastiskums? Bet jūs zināt, kas ir plastilīns! Ļoti līdzīgi vārdi, vai ne? No viena veida māla ir ērti veidot dažādas figūras, plāksnes, ķieģeļus, no cita – ne tik daudz, tāda ir būtība.
Tie, kas taisa ķieģeļus, zina, kāds māls ir vislabākais – tajā jābūt smiltīm, ne mazāk kā ceturtdaļai no svara. Mālu izrok karjeros, atved uz ķieģeļu ražotni un iemērc ūdenī vai, mūsdienu ražošanā, samitrina ar tvaiku. Šādā veidā iegūst cietu, biezu masu, no tās izveido garu māla lenti, ko sagriež ķieģeļos, līdzīgi kā mīklu maizes klaipiem, un nosūta žāvēšanai uz krāsni. Šeit līdz pat tūkstoš grādu temperatūrā māla sagataves sacietē, kļūst sarkanas un pārvēršas akmenī.
Kopumā sarkanais ķieģelis ir ģeniāls celtniecības materiāls. Tas ir gandrīz mūžīgs – laika gaitā tas nemaina formu, negraužas, nepūst, nepūst, nelaiž mitrumu un nedeg. No tā var uzbūvēt gandrīz mūžīgu māju! Nākamreiz, kad būsiet Manežņaja laukumā Maskavas centrā, aplūkojiet tuvāk Vēsturiskā muzeja ēku netālu no Sarkanā laukuma – tā ir kā jauna, lai gan tai ir vairāk nekā simts gadu. Un ķieģeļi tur ir kādi īpaši, ļoti skaisti. Uz katra no tiem, es jums apliecinu, ir tās ķieģeļu fabrikas zīmogs, kas to izgatavoja deviņpadsmitajā gadsimtā.
Kāda laime, ka cilvēce septiņpadsmitajā gadsimtā izdomāja pilsētās būvēt mazāk koka māju un vairāk mūra māju. Un ne jau nejauši. 1666. gada 2. septembrī izcēlās Lielais Londonas ugunsgrēks, kas dega četras dienas un pilnībā nopostīja Anglijas galvaspilsētu. Un cik reizes koka Maskava nodega līdz pamatiem! Pat vēsturnieki nespēj nosaukt precīzu skaitu, jo skaitļi sniedzas daudzos desmitos.
Viens no spēcīgākajiem ugunsgrēkiem notika 1737. gada maijā, kad nodega Kremlis. Leģenda vēsta, ka Miloslavsku māja aiz Borovicas tilta bija pirmā, kas aizdegās no sveces, ko kāda karavīra atraitne bija novietojusi pie ikonas. No tā arī cēlies teiciens: «Maskava nodega no kopējas sveces». Šī ugunsgrēka laikā saplaisāja tikko nolietais cara zvans, kas joprojām atradās māla bedrē. Jumts virs tā aizdegās, to nodzēsa ar ūdeni, jumts sabruka, un no zvana atlūza 11 tonnas smags gabals. Pēdējo reizi Maskava nodega līdz pamatiem 1812. gadā pēc Napoleona karaspēka ienākšanas tajā. Ugunsgrēks ilga nedēļu un iznīcināja 6,5 tūkstošus māju no 9 tūkstošiem. Tikai pēc tam pilsētas vadība nolēma Maskavas centrālo daļu apbūvēt tikai ar mūra ēkām.
Daudzas fabriku, rūpnīcu un dzelzceļa staciju ēkas, kas parādījās 19. gadsimtā, tika celtas no ķieģeļiem. Īpašnieki vēlējās nodrošināt iekārtu un daudzo cilvēku, kas atradās šajās telpās, drošību. Tagad šīs skaistās būves, ja tās vairs netiek izmantotas sākotnējam mērķim, ir kļuvušas par šiks patvērumu muzejiem, galerijām un izstāžu zālēm, piemēram, Tate Modern Londonā vai D’Orsay Parīzē.
Pateicoties brīnumainajam ķieģelim, dažādu laikmetu arhitektu apbrīnojamiem darbiem, līdz mūsdienām neskarti ir saglabājušies īsti dārgumi – Kremlis Maskavā, Parīzes Dievmātes katedrāle Parīzē, Doma katedrāle Rīgā, slavenā Meskita Kordovā un Hagia Sophia Stambulā, Lielais Ķīnas mūris… -. Nav iespējams tās visas uzskaitīt.
Paskaties, ielas otrā pusē ir ķieģeļu māja, bet ķieģeļi nezināmu iemeslu dēļ ir balti. Jā, tā tas ir. To sauc par silikāta ķieģeļiem, kas ir salīdzinoši nesens izgudrojums. Tas nav izgatavots no māla, bet gan no smiltīm. Smiltīm pievieno nedaudz kaļķu un ūdens, un tad tās presē augstā spiedienā un temperatūrā. Tas ir labs risinājums vietās, kur nav pieejams māls, bet tikai smiltis. Silikāta ķieģeļi kopumā nemaz nav slikti, bet tikai likt tos kamīniem un plītīm nevar – temperatūrā virs 600 grādiem tas plaisā un sadalās.