Читать книгу Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон - Страница 6

Подумайте вот о чем. Когда вы готовите яйцо, будь оно куриным, утиным или перепелиным, яичный белок превращается из совершенно прозрачной жидкости в твердую матовую массу белого цвета. Желток же остается того же цвета, хотя и меняет свою консистенцию. Почему прозрачность одного меняется, а другого нет?

Яйцо любой птицы содержит белки, жиры и минералы, необходимые для рождения птенца. Желток в яйце заключает в себе бóльшую часть калорий и является основным источником питания для развивающегося эмбриона. Это тот кусочек, в котором содержится весь жир. Белок же яйца представляет собой чистый белок, смешанный с водой. Он нужен для того, чтобы поддерживать и защищать желток, хотя в конечном счете он тоже участвует в процессе формирования птенца. Белки в составе сырого яичного белка называются альбуминами, и состоят они из сотен длинных цепочек аминокислот. По всей длине этих цепочек располагаются заряженные радикалы, обладающие свойством прилипать к другим радикалам вдоль тех же цепочек. Соответственно, в процессе соединения их зарядов линейные белки сворачиваются в крошечные шарики. Так что белок яйца – это по сути белковые молекулы альбумина, плавающие в воде.

Теперь давайте разбираться в том, что делает что-либо прозрачным или непрозрачным. На молекулярном уровне сырой яичный белок образует комплексы с молекулами воды, и вода как бы окружает толстым слоем коллоидные частицы белка. И на этом уровне кажется маловероятным, чтобы свет мог проникнуть глубоко в белок, не говоря уже о том, чтобы пройти насквозь. Однако если переместиться на уровень субатомных частиц, все меняется. В атоме есть ядро, окруженное облаком вращающихся электронов, и это ядро занимает лишь крошечную часть пространства внутри атома. Существует множество популярных аналогий, иллюстрирующих это, включая спортивные стадионы и горох[2], но основная концепция заключается в том, что внутри атома очень, очень мало чего есть. В ряде допущений это просто пустое пространство с редкими включениями электронов.

Когда луч видимого света попадает в атом, то едва ли упирается в ядро. Скорее, он проходит сквозь облако электронов. А электроны могут существовать только на определенных энергетических уровнях. Если не вдаваться в слишком головоломные квантовые подробности, причина в том, что атомы, аналогично электронам, обладают несколькими резонансными частотами. Возможные уровни энергии атома зависят от его типа и от того, к какому атому он сам присоединен.

Луч света имеет определенное количество энергии, которое зависит от длины волны, или цвета, луча. Когда свет проходит через облако электронов, они способны поглощать его энергию и переходить на более высокий энергетический уровень. Но это возможно, только если энергия кванта света в точности соответствует нужному количеству энергии: ее должно быть ровно столько, сколько требуется для прыжка – электрон не может перепрыгнуть уровень или лишь немного превысить свой. Оказывается, в яичном белке, полном воды и белков, энергетические уровни электронов слишком далеко разнесены друг от друга. Так что когда видимый свет попадает на яичный белок, он никогда не обладает тем количеством энергии, которое нужно электронам. А поскольку свет не поглощается, он проходит прямо через жидкий яичный белок, и тот кажется нам прозрачным. Стоит отметить, что вода и сырой яичный белок непрозрачны, к примеру, для ультрафиолета. Этот вид светового излучения обладает достаточным количеством энергии, чтобы электроны могли перескочить на новый уровень. Следовательно, излучение поглощается.

Но все меняется, когда мы нагреваем яичный белок. Примерно при 60 °C некоторые альбумины начинают менять структуру. А при 80 °C происходит уже массовое нарушение внутренней структуры яичного белка. Свернувшиеся клубки аминокислот, из которых состоят альбумины, так сильно вибрируют от жара, что химические связи, удерживающие сложную структуру белка, постепенно распадаются. Отдельные узлы белков распутываются, и яичный белок становится бульоном из длинных цепочек аминокислот, которые запутываются и прилипают друг к другу. На прозрачность яичного белка разрушение природной структуры белков (это называют денатурацией белка) влияет двояким образом. Во-первых, поскольку измененные белковые молекулы спутаны друг с другом, они не могут свободно перемещаться, и яичный белок превращается в желеобразное твердое вещество. Во-вторых, в рамках этого процесса изменение энергетических уровней электронов в яичном белке уже возможно, а значит, последние становятся способными поглощать видимый свет. Теперь при попадании луча света на яичный белок свет не проходит сквозь него, так что белок кажется непрозрачным.

Стоит задаться вопросом, что же происходит со всей этой поглощенной энергией. Ответ таков: она высвобождается в виде света электронами, когда они возвращаются обратно на более низкие энергетические уровни. Однако свет высвобождается во всех направлениях, а не обязательно в том, в котором двигался тот, первый луч. Часть света уходит вглубь яичного белка, а другая – по крайней мере ее половина – отражается обратно в сторону первоначального источника света. Все это делает яйцо непрозрачным и белым.

Теперь, когда природа прозрачности яичного белка прояснилась, осталось понять, что такое яичный желток и почему он непрозрачный. В этом случае объяснение немного сложнее, чем большие интервалы между энергетическими уровнями электронов. Яичный желток – это не просто вода с растворенным в ней белком. Он содержит также множество крошечных капель жира. Когда свет попадает на них, то отражается от их поверхности и рассеивается.

Учитывая, как много моментов должно совпасть, чтобы вещество было прозрачным, это просто чудо, что прозрачные вещества вообще есть. Однако даже не пытайтесь убедить меня рассказать, как такое твердое тело, как стекло, ухитряется сохранять свою прозрачность!