моноструктурный атом что это
Атомы: строительные блоки молекул
Если молекулы – основные структуры, задействованные в химии – это слова, из которых состоят все окружающие нас материалы, тогда атомы – это буквы, строительные блоки молекул. Слова бывают разной длины, и типичная молекула тоже может содержать несколько атомов, или несколько сотен, или даже сто тысяч атомов. Молекула столовой соли NaCl состоит из двух атомов, натрия Na и хлора Cl. Молекула воды H2O содержит два атома водорода и один кислорода. Молекула столового сахара C12H22O11 содержит 12 атомов углерода, 11 кислорода и 22 водорода, организованных определённым образом.
Откуда нам известно о существовании атомов? Иногда их можно «видеть», так же, как мы видим молекулы, которые они могут формировать. Не глазами, но более продвинутыми устройствами. Один из методов использует сканирующий туннельный микроскоп, способный показывать атомы в кристалле или даже передвигать их по одному. Другой метод использует нашу возможность захвата ионов (немного изменённых атомов – подробности ниже).
На фото – три иона, пойманных одновременно. На них падает свет, они поглощают его и снова испускают. Повторно испущенный свет можно обнаружить, благодаря чему мы можем увидеть, где находятся ионы – примерно так отражение света от небольшого, но яркого бриллианта может помочь нам найти его.
Сколько же типов атомов существует? Типы называются «химическими элементами» и точное их количество зависит от того, как их считать. Но допустим, что атомный алфавит состоит из примерно сотни химических элементов, а к тонкостям подсчёта вернёмся позже. Так же, как мы могли назначить буквам алфавита от А до Я номера от 1 до 33, каждому элементу назначается не только имя, но и атомный номер (обозначается «Z»). Самые простые атомы – у водорода, их атомный номер = 1. Самые сложные в изобилии встречаются в природе, это уран с атомным номером 92. Другие – кислород (8), азот (7), кальций (20), криптон (36), лантан (57), платина (78). Полный список ищите в периодической системе элементов Менделеева. У каждого элемента своя химия – то, как он ведёт себя внутри молекул – примерно так, как у каждой буквы есть свои правила, по которым она может встречаться в словах.
Вопросы, которые можно задать об атомах:
1. Из чего состоят атомы?
2. В чём смысл атомного номера?
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов?
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой?
5. Как части атома удерживаются вместе?
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы?
Оказывается, на все эти вопросы лучше всего отвечать, начав с первого: из чего состоят атомы? Атомы состоят из того, что обычно называют «субатомными частицами» (к сожалению, этот термин некорректен, поскольку у этих «частиц» есть некоторые свойства, частицам не присущие). Конкретнее, атомы состоят из набора небольших и очень лёгких электронов, окружающих крохотное, но тяжёлое атомное ядро, в котором содержится большая часть массы атома. Ядро состоит из других «частиц», в свою очередь также состоящих из других «частиц», и мы до них ещё доберёмся.
Рисованный атом
Частенько мы видим изображения атомов, нарисованные на книгах по химии, на рекламках и предупреждающих знаках. Пример – рис. 1. Он передаёт очень грубую идею того, как устроен атом: снаружи у него есть определённое количество электронов (синие), и они вращаются вокруг центрального атомного ядра. Ядро – это скопление протонов (красные) и нейтронов (белые).
Теперь мы можем ответить на 2-й вопрос: что означает атомное число Z? Это просто количество протонов в ядре. У кислорода атомный номер 8, и у него в ядре 8 протонов.
В простейших условиях атомное число также равняется количеству электронов атома. С количеством нейтронов всё сложнее, мы вернёмся к этому позже. У электронов отрицательный электрический заряд (-е), а у протонов – положительный (+е). Нейтроны нейтральны, электрического заряда у них нет. Когда количество электронов и протонов совпадает, их заряды взаимно уничтожаются, и у атома электрического заряда не наблюдается – такой атом нейтрален.
Но нет ничего необычного – к примеру, в процессе формирования молекул – если атом приобретёт или потеряет один или несколько внешних, валентных электронов. В этом случае электрические заряды электронов и протонов не уничтожаются, и получившийся заряженный атом называют ионом.
Более реалистичный атом
Хотя рис. 1 примерно описывает архитектуру атома – электроны действительно находятся снаружи, а ядро, состоящее из протонов и нейтронов, в середине – он совершенно не передаёт реальную форму и суть атома, поскольку он выполнен не в масштабе, а мы живём в квантовом мире, в котором объекты ведут себя так, что их сложно нарисовать или представить.
С проблемой масштаба можно разобраться, нарисовав более точное (хотя всё ещё несовершенное) изображение, рис. 2.
Рис 2. Атом – по большей части пуст (серая область). По нему быстро движутся электроны (голубые точки, нарисованы не в масштабе, а гораздо больше). В центре находится тяжёлое ядро (красные и белые точки, нарисованы больше, чем в масштабе).
Вот, что я попытался передать этим изображением. Во-первых, электроны очень, очень малы, настолько малы, что мы так и не смогли измерить их размер – может статься, что они точечные и не имеют размера, но они точно не больше, чем 1/100 000 000 от диаметра атома. Во-вторых, ядра (и протоны с нейтронами, их составляющие) также крайне малы, хотя они и больше, чем электроны. Их размер измерен, и он примерно в 10 000 – 100 000 раз меньше диаметра атома. Атом немного похож на деревню. Протоны и нейтроны в ядре – большие дома, находящиеся в центре деревни, а электроны – далеко разбросанные фермерские домики. На большей части сельской местности растут зерновые культуры и нет домов. И хотя территория, считающаяся частью деревни, может быть большой, реально занимаемая домами площадь очень мала.
Но эта аналогия не полная, поскольку электроны, в отличие от фермерских домиков, очень быстро двигаются по серому региону на картинке и вокруг ядра со скоростями порядка 1% от скорости света. Покрываемая ими территория обычно не сферическая, а более сложной формы, кроме того не все электроны перемещаются по одной и той же территории.
Но, как я вас предупреждал, рис. 2 тоже не точный. Во-первых, нужно было бы нарисовать ядро в тысячи раз меньше, а электроны – в миллионы раз меньше, только тогда их не было бы видно. Если бы атом был размером с вашу спальню, то его ядро было бы размером с пылинку. По сравнению со своими компонентами, атомы огромны! В каком-то смысле большую часть атома составляет пустота!
Во-вторых, изображение не передаёт мутную природу квантовой механики. Уравнения квантовой механики описывают и предсказывают поведение молекул, атомов и субатомных частиц, и эти уравнения говорят нам, что у этих частиц могут быть очень странные и неинтуитивные свойства. Хотя электроны в каком-то смысле точечные (допустим, если вы захотите столкнуть два электрона друг с другом, то обнаружите, что можете сдвинуть их вместе на сколь угодно малое расстояние, и они ничем не выдадут своей внутренней структуры, если она вообще есть), есть возможность сделать так, что они, будучи оставленными в покое, будут распространяться как волна и заполнят всё серое пространство на рис. 2. Если это звучит странно, это не оттого, что вы чего-то не поняли: это странно и об этом тяжело думать. Я-то уж точно не знаю, как нарисовать атом, чтобы не вводить вас в заблуждение, и эксперты всё ещё спорят о том, как лучше всего о нём думать. Так что пока просто примите это как странный факт.
Размер электрона слишком мал для измерения, и его масса настолько мала, что электрон может распространиться по всему атому. А вот у ядра есть вполне измеренный и известный размер, а его масса так велика – больше 99,9% массы всего атома – что оно вообще не распределяется в пространстве. Ядро сидит в середине серой области.
Атом и его химия
Лучший приходящий мне в голову способ описать атом: большая часть массы атома содержится в ядре, находящемся в его центре, вокруг которого распределились чрезвычайно мелкие электроны гораздо меньшей массы, причём сделали это совершенно не так, как ведут себя частицы, заполнив всю серую область рис. 2.
Небольшой размер ядра по отношению к полному размеру атома, и то, что оно обычно находится в его центре, объясняет, почему оно играет относительно слабую роль в химии. Химия происходит – то есть, формируются и меняются молекулы – когда атомы приближаются друг к другу, а это происходит, когда внешние, валентные электроны одного атома близко подходят к внешним электронам другого – когда край серой области одного атома приближается к краю серой области другого. В химических процессах атомное ядро остаётся в центрах атомов, и никогда не приближается к другим ядрам. Основная роль ядра – обеспечение положительного заряда, удерживающего электроны, и большей части массы (определяющей, как сложно другим объектам передвигать этот атом).
Это отвечает на 3-й вопрос: химию атома в основном определяют подробности, связанные с его внешними электронами. Эти детали можно узнать (сложным способом, через уравнения квантовой механики), исходя из атомного номера Z.
Вместо того, чтобы заняться химией – темой, которой хватит на целый курс – мы перейдём на уровень ниже, к субатомным частицам, по пути отвечая на другие вопросы. Перечислим вопросы, с которыми мы разобрались, и вопросы, которые ещё предстоит изучить.
1. Из чего состоят атомы? Снаружи – электроны, в центре – атомное ядро (из протонов и нейтронов).
2. В чём смысл атомного номера? Это количество протонов в ядре атома, которое, в обычных условиях равно количеству электронов, его окружающих.
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов? Свойства внешних электронов, определяемые общим количеством электронов у каждого элемента, к примеру, атомным номером.
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой? Обсудим это в статье про изотопы.
5. Как части атома удерживаются вместе? Обсудим это в статье о роли электрических сил и квантовой механики.
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы? Обсудим это в статье о роли электронов и электрических сил в построении молекул из атомов.
А вот вам ещё вопрос, который мог возникнуть при изучении рис. 2:
Если атом – по большей части пуст, почему объекты кажутся твёрдыми? Почему нельзя протянуть руку через экран компьютера, если экран состоит из атомов, по большей части пустых?
Глава 2: Методология атомарного дизайна (часть 1)
Атомы, молекулы, организмы, шаблоны, страницы
В поисках методологии для создания системы проектирования интерфейсов я решил почерпнуть вдохновение в других сферах. Человек создал удивительно сложный мир, и мне казалось логичным, что в других областях похожая проблема могла бы уже быть решена. Нам оставалось лишь изучить и применить этот опыт.
Интересуетесь свежими статьями по дизайну? Вступайте в группу на Facebook.
Оказалось, во многих сферах деятельности, таких как промышленный дизайн и архитектура, гибкие модулярные системы использовались для производства очень сложных объектов: самолетов, кораблей и небоскребов. Однако, в своих изысканиях я то и дело возвращался к миру природы… И это напомнило мне, как я сидел за шатающейся партой на уроке химии в школе.
Используем подсказки из химии
Химию в моей школе преподавал строгий учитель, ветеран войны во Вьетаме, с необычайно роскошными усами. Уроки мистера Рея пользовались репутацией одних из самых сложных в школе из-за домашних заданий, которые требовали решать сотни химических уравнений.
Возможно, вам (как и мне) нужно напомнить, как выглядит химическое уравнение. Вот оно:
Химические уравнения демонстрируют химические реакции. Часто такой реакцией становится объединение атомов элементов для образования молекул. В приведенном выше примере мы видим, как водород и кислород объединяются и образуют молекулы воды.
В природе атомы объединяются для образования молекул. Молекулы в дальнейшем могут объединиться и образовать относительно сложные организмы. Давайте рассмотрим это подробнее:
Атомы — это основной строительный материал, из которого состоят все существующие вещества в природе. Каждому химическому элементу присущ свой набор характеристик, и их нельзя разделить на более мелкие частицы, не нарушив этот набор. (Да, на самом деле атомы состоят из еще более мелких частиц: протонов, электронов и нейтронов, но атомы являются наименьшей функциональной единицей).
Молекулы — это группы из двух и более атомов, соединенные химическими связями. Молекулам атомов присущи свои уникальные свойства, и они уже более осязаемы и функциональны по сравнению с атомами.
Организмы — это совокупность молекул, функционирующих как единое целое. Это относительно сложные структуры, которые могут варьируются от одноклеточных до невероятно сложных организмов, вплоть до человека.
Конечно, я сильно упрощаю невообразимо богатое строение Вселенной. Однако, смысл такой: атомы объединяются и образуют молекулы, которые в свою очередь объединяются и формируют организмы. Атомная теория гласит, что вся материя известной нам Вселенной может быть разбита до конечного набора атомных элементов:
По-видимому, план мистера Рея, заключавшийся в том, чтобы заставить школьников щелкать химические уравнения, как орешки, в итоге сработал: я возвращаюсь к этому спустя столько лет, чтобы черпать вдохновение для проектирования интерфейсов.
Методология атомарного дизайна
Вам должно быть интересно, с чего вдруг мы заговорили о теории атомов. Или, возможно, вы даже немного злитесь на меня за напоминание о школьных уроках химии. Но сейчас я все объясню, обещаю.
Мы остановились на том, что всю материю во Вселенной можно разбить до конечного набора элементов. Интерфейсы можно разобрать до похожего конечного набора минимальных единиц. Джош Дак создал периодическую таблицу HTML-элементов, которая иллюстрирует, что любые веб-сайты, приложения, интранеты и прочие свистелки-дуделки состоят из одних и тех же элементов.
И раз мы начинаем с аналогичного ограниченного набора строительных компонентов, то можем использовать те же процессы, которые протекают в химии, для проектирования и разработки пользовательских интерфейсов.
Да здравствует атомарный дизайн!
Атомарный дизайн — это методология, состоящая из пяти независимых этапов, которые направлены на создание более продуманных и последовательных систем проектирования интерфейсов. Вот эти пять этапов атомарного дизайна:
Атомарный дизайн — это нелинейный процесс. Он похож на ментальную модель, которая помогает нам относиться к пользовательским интерфейсам как к единому целому, но в то же время не забывать о деталях. Каждый из пяти этапов играет важную роль в иерархии систем проектирования интерфейсов. Давайте рассмотрим их подробнее.
Атомы
Если атомы в химии — это базовые строительные частицы материи, то атомы интерфейсов служат фундаментом, на котором держатся все пользовательские интерфейсы. К атомам интерфейсов относятся веб-формы, поля ввода, кнопки и другие базовые элементы HTML, которые нельзя разделить на более мелкие части, не потеряв при этом их функциональность.
Таким же образом каждому атому интерфейса присущи свои уникальные свойства, например, размер главного изображения или размер шрифта заголовка. Эти свойства влияют на то, как каждый атом следует применять в комплексной системе пользовательского интерфейса.
В вашей библиотеке паттернов должны содержаться все атомы, которые демонстрируют ваши базовые стили. Тогда она станет полезным ресурсом, к которому будет смысл обращаться при разработке и поддержке собственной системы проектирования.
Но, подобно атомам в природе, атомы интерфейса не существуют в вакууме и приходят в движение лишь после применения.
Молекулы
В химии молекулами называют группы атомов, связанных друг с другом и таким образом приобретающими определенные свойства. Молекулы воды и молекулы пероксида водорода состоят из одних и тех же атомов: водорода и кислорода. Однако, они обладают разными свойствами и ведут себя тоже по-разному.
В области интерфейсов молекулами являются относительно простые группы элементов, функционирующие вместе, как единое целое. Например, поле поиска, строка ввода и кнопка могут объединиться и создать молекулу формы поиска для сайта.
В сочетании атомы внезапно обретают цель. Атом поля поиска теперь определяет смысл атома строки ввода. А нажатие на атом кнопки отправляет форму и запускает поиск. В результате у нас есть простой и универсальный компонент, который мы можем использовать везде, где нужна функция поиска.
Сборка элементов в простые функциональные группы — это то, что мы и так делали при создании интерфейсов. Но уделив внимание этому этапу методологии атомарного проектирования, мы пришли к нескольким ключевым идеям.
Создание подобных простых компонентов помогает UI-дизайнерам и разработчикам придерживаться принципа единой ответственности — устоявшейся концепции компьютерной науки, которая поощряет философию «делать что-то одно и делать это хорошо». Обременение одного шаблона излишней сложностью лишает программное обеспечение гибкости. Зато создание простых молекул пользовательского интерфейса облегчает тестирование, упрощает повторное использование компонентов и способствует общей согласованности интерфейса.
Теперь, когда у нас есть простые, функциональные и многоразовые компоненты, которые мы можем системно использовать, встречайте организмы!
Организмы
Организмы — это относительно сложные компоненты UI, которые состоят из групп молекул и/или атомов и/или других организмов. Организмы образуют отдельные участки интерфейса.
Давайте еще раз взглянем на молекулу формы поиска. Такая форма часто располагается в верхней части страницы большинства веб-сайтов, поэтому давайте поместим ее в организм хедера сайта.
Хедер образует независимый компонент интерфейса, хотя сам состоит из нескольких более мелких элементов с собственными уникальными свойствами и функциями.
Организмы могут состоять из одинаковых или разных типов молекул. Организм хедера состоит из разнородных элементов: логотип, базовая навигация и форма поиска. Мы встречаем этот тип организма практически на каждом веб-сайте.
Одни организмы состоят из разных молекул, другие состоят из одной и той же молекулы, повторяемой снова и снова. Зайдите на страницу каталога любого интернет-магазина, и вы увидите список товаров, представленных в виде сетки.
Возможность проектировать от молекулы до более сложных организмов дает разработчикам важное понимание контекста.
Организмы показывают более мелкие и простые компоненты в действии и сами служат самостоятельными компонентами, которые можно использовать повторно. Организм товарной сетки можно использовать везде, где нужно показать группу товаров: от меню выбора категории каталога до вывода результатов поиска соответствующих товаров.
Теперь, когда мы определили место организмов в нашей системе проектирования, мы можем не развивать химическую метафору далее, а использовать все эти компоненты для создания веб-страниц.
Шаблоны
Сейчас, друзья, настало время попрощаться с химией. Метафоры атомов, молекул и организмов содержат в себе полезную иерархию, которая помогла нам начать сознательно использовать компоненты систем проектирования. Теперь самое время перейти на язык, который более подобает нашей конечной продукции и имеет больше смысла для клиентов, начальников и коллег. Попытка искусственно продолжать использование химических метафор может запутать окружающих и натолкнуть их на мысль, будто вы сошли с ума. Так что просто доверьтесь мне.
Шаблоны — это объекты уровня страницы, которые объединяют компоненты в макет и формируют базовую структуру оформления содержимого. Давайте возьмем наш предыдущий пример с хедером, и используем его вместе с шаблоном домашней страницы.
Этот шаблон содержит все необходимые компоненты, которые работают вместе. В результате относительно абстрактные молекулы и организмы получают определенный контекст. При создании эффективной системы проектирования важно показывать, как компоненты смотрятся и работают вместе в контексте. Создайте макет и убедитесь, что все части добавляют ценность в уже хорошо работающее целое (к этому вопросу мы еще вернемся).
Еще одна важная особенность шаблонов заключается в том, что они фокусируются на базовой структуре оформления страницы, а не на ее финальном содержимом. Системы проектирования должны учитывать способность контента изменяться, поэтому крайне полезно установить основные характеристики компонентов: размеры изображений, длину заголовков, объем текста и т.п.
Марк Боултон о важности разработки базовой структуры контента страницы:
Вы можете создать хороший пользовательский опыт, не зная, что за контент будет на сайте. То, чего вы сделать не в силах, так это создать хороший опыт, не зная структуру этого контента. То, из чего он состоит, а не то, какой он будет в итоге.
Разобравшись со скелетом страницы, мы сможем создать систему, которая учитывает разные типы контента и задает необходимые рамки. Шаблон домашней страницы Time Inc. демонстрирует несколько ключевых компонентов в действии и показывает структуру контента относительно размеров изображений и длины текста:
Теперь, когда мы создали скелет для наших страниц, давайте нарастим на него мясца!
Страницы
Страницы — это конкретные примеры применения шаблонов. Они показывают, как выглядит UI в сочетании с реальным контентом. Давайте снова возьмем пример с хедером и шаблоном домашней страницы и добавим туда текст, изображения и мультимедиа, чтобы показать реальный контент в действии.
Этап страницы — самый прикладной и самый важный этап атомарного дизайна, и этому есть очевидное объяснение. В конце концов, именно со страницами пользователи будут взаимодействовать, когда откроют ваш сайт или приложение. Это то, на чем поставит подпись ваш заказчик или начальник. И это то, что вы увидите, когда соберете все компоненты вместе — красивый и функциональный пользовательский интерфейс. Восхитительно!
Но страницы нужны не только, чтобы демонстрировать окончательный вариант интерфейса таким, каким его увидят пользователи. Страницы необходимы для проверки эффективности базовой системы проектирования. Именно на этапе страницы мы можем увидеть, как работают все шаблоны, когда появляется реальный контент. Все отлично выглядит и работает так, как задумывалось? Если нет, то мы можем сделать шаг назад и изменить молекулы, организмы и шаблоны, чтобы лучше отвечать требованиям контента.
Наполнив макет домашней страницы Time Inc. реальным контентом, мы видим, что все базовые шаблоны эффективно работают.
Вы можете создавать разные варианты шаблонов страниц, что тоже важно для создания функциональных и надежных систем дизайна. Вот лишь несколько примеров вариантов шаблонов:
Во всех этих примерах базовые шаблоны одинаковы, но пользовательский интерфейс меняется, чтобы отражать динамику контента. Эти вариации непосредственно влияют на принцип работы с основными молекулами, организмами и шаблонами. Создание страниц, которые учитывают вариативность, помогает создавать более устойчивые системы проектирования.
В этом и заключается атомарный дизайн. Пять самостоятельных этапов, которые работают вместе для создания эффективной системы проектирования пользовательского интерфейса. Краткое резюме атомарного дизайна:
Если вам понравился перевод, дайте нам знать — нажмите кнопку Recommend.