Чудеса обычных вещей - Маркус Чоун

Тот факт, что волне электрона доступен лишь ограниченный набор частот, означает, что электрон в атоме не волен нарезать свои круги на произвольном расстоянии от ядра. Ему разрешено обращаться вокруг ядра только на строго определенных, «специально выделенных» расстояниях, — а о каких-нибудь других и думать не смей! Вообразим, что законы физики позволяют вам стоять только в трех метрах от дерева, или в восьми, или в двадцати семи, но никак иначе. Вам это покажется полной нелепостью, однако для электронов, обращающихся вокруг атомного ядра, дело обстоит именно так.

Самая близкая к ядру орбита, разрешенная электрону, — как раз та, которая установлена принципом неопределенности Гейзенберга. Можно сказать и по-другому: ее устанавливает сам электрон, который с пчелиным раздражением жужжит в своей коробке, не желая, чтобы ему отвели еще более тесное пространство [30]. Эта орбита соответствует самым низким колебаниям из всех возможных для электрона — то есть основной частоте. Другие доступные орбиты, располагающиеся все дальше и дальше от ядра, соответствуют высокочастотными обертонам.

Не удивительно, что самая «нижняя» орбита помечена цифрой 1, а более «высокие» орбиты, последовательно отступающие от ядра, поименованы как 2, 3, 4 и так далее. Эти «квантовые числа» — очередная иллюстрация к тому, как устроено микроскопическое царство атомов: оно по-прежнему «зернисто», никакой непрерывности нет и в помине, все подается порциями — вездесущими «квантами».

Тут есть еще один нюанс. Задумаемся над тем, как именно электроны движутся по своим орбитам в атомах. Вероятностная волна электрона может быть весьма сложной трехмерной штукой, из чего следует, что этой волне свойственно соответствовать электрону, для которого не только наиболее велика вероятность быть обнаруженным на определенном расстоянии от ядра, но также наиболее велика вероятность быть застигнутым в конкретных направлению, а не где попало. Например, волна электрона на северном и южном полюсах атома может быть больше, чем где-либо еще, поэтому именно в этих местах вероятнее всего обнаружить электрон.

Еще раз скажу: совершенно очевидно, что слова, используемые для описания окружающего нас большого мира, просто не применимы в мире очень малых величин. Хотя Резерфорд весьма живописно изобразил, как электроны движутся по орбитам вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца, однако на самом деле их перемещение совсем не похоже на движение планет. Электроны не только обращаются на конкретных, строго определенных расстояниях от ядра — и эти их орбиты не более чем «наиболее вероятные» области, где можно обнаружить электроны, — но они также имеют склонность оказывать предпочтение одним направлениям (азимутам) перед другими. Сознавая это, физики предпочитают вообще не говорить об орбитах электронов. Вместо этого они изобрели термин «орбиталь электрона», чтобы таким образом обозначить более сложную, «потустороннюю» реальность природы.

Для того чтобы охарактеризовать направление при движении в трехмерном пространстве, нужны два числа; вспомним о «широте» и «долготе» на земном шаре [31]. Соответствующим образом и волне электрона, величина которой меняется в зависимости от азимута, требуются два квантовых числа, дабы эту волну можно было привязать к определенному месту, — и плюс к ним еще то самое главное число, которое обозначает расстояние от атомного ядра. В сумме получается три.

Так уж распорядилась природа, что только двум электронам — не более того — разрешено обладать волной, описываемой конкретной триадой квантовых чисел. И оказывается, эта особенность и есть главнейший, если не единственный ключ к бесконечному многообразию окружающего нас мира. Но чтобы понять, почему это так, нам потребуется несколько расширить наше представление о том, каким образом электроны размещаются внутри атомов.

Все орбитали, расположенные на определенном расстоянии от ядра — то есть те, у которых одно и то же главное квантовое число, но разные вспомогательные квантовые числа (их еще называют орбитальными, или азимутальными), — образуют, как принято говорить, «оболочку». Получается, что максимальное количество электронов, которые могут занять ближайшую к ядру оболочку, обозначенную цифрой «1», равно двум. Максимальное количество электронов, которые могут образовать следующую оболочку, обозначенную цифрой «2», равно восьми. Для оболочки с порядковым номером «3» максимальное число электронов составляет 18. Ну и так далее.

Вот только сейчас — наконец-то! — мы подбираемся к сути дела: к тому, что отличает один атом от другого. Вспомним, что у разных типов атомов количество электронов тоже разное. У самого легкого элемента — водорода — один электрон, а у самого тяжелого природного элемента — урана — этих электронов аж 92. Теперь давайте вообразим — чисто гипотетически, — что произойдет, если электроны будут добавляться к атомному ядру по одному, дабы последовательно получались атомы все более тяжелых элементов. Первая доступная оболочка — самая «нижняя», ближайшая к ядру. Если электроны каким-то образом добавляются, они первым делом поступают именно в эту оболочку. Когда она заполняется до отказа, электроны накапливаются в следующей доступной оболочке, расположенной дальше от ядра. Когда заполняется и эта оболочка, электроны начинают набиваться в следующую, ту, которую отделяет от ядра еще большее расстояние. И так далее.

У атома водорода в «нижней» оболочке всего один электрон, а у атома гелия, следующего по тяжести элемента, — два. Этого достаточно, чтобы заполнить первую оболочку под завязку. Следующий по порядку атом — литий, у него три электрона. Поскольку в первой оболочке больше нет места, третий электрон начинает формировать новую оболочку, расположенную дальше от ядра. Емкость этой оболочки — восемь электронов. Однако, если у атома более десяти электронов, возможности второй оболочки исчерпываются и начинает заполняться следующая, еще более удаленная от ядра.

Помните, что обнаружил Менделеев? Когда он разложил карточки с названиями элементов горизонтальными рядами, по большей части в порядке возрастания атомного веса, то в вертикальных колонках магическим образом расположились элементы с одинаковыми свойствами. Так вот, оказывается, «периодичность» в свойствах атомов отражает периодичность в заполнении электронами атомных оболочек. В частности, она отражает количество электронов, которые остаются во внешней оболочке атома. Все атомы с одним электроном во внешней оболочке, такие, как литий, натрий и калий, имеют очень сходные свойства. Также похожими свойствами обладают атомы с двумя электронами во внешней оболочке — магний, кальций и радий.

Причина этого заключается в том, что именно электроны, обращающиеся вокруг ядра на самых дальних расстояниях, вступают в контакт с другими атомами. Если вообразить атом бильярдным шаром, то как раз эти внешние электроны определяют «поверхность» шара и придают ему соответствующий размер. А поскольку они находятся на «поверхности» атома, то им и дано определять, как данный атом соединяется с другими представителями атомного мира. Представьте, что внешние электроны — это крючки, с помощью которых один атом цепляется к другому. Картина, конечно, грубая, но принцип тем не менее ясен. Атом с одним электроном на внешней орбите — например, натрий, который мы легко найдем в солонке на столе, — сцепляется с другим атомом только определенным способом. Атом с двумя электронами на внешней орбите, такой, как кальций, содержащийся в наших костях, цепляется другим способом. Атом с тремя внешними электронами, допустим, алюминий, легчайший из металлов, — третьим. И так далее.