VIII. Истоки химии

Все наши предыдущие исследования говорили нам, что бо́льшая часть массы атома сосредоточена в ядре. Существенно более легкие электроны «жужжат» вокруг ядра. Благодаря электромагнитным силам притяжения отрицательно заряженные электроны вынуждены оставаться поблизости от ядра, имеющего положительный заряд. Такая картина на первый взгляд напоминает миниатюрную Солнечную систему, в которой более легкие по сравнению с Солнцем планеты вращаются вокруг массивной центральной звезды. Но это только кажущаяся аналогия. Как мы уже знаем, электроны – это не классические частицы, и в рассматриваемом случае их квантово-механическая природа проявляет себя в огромной степени. Так, именно квантово-механические свойства электрона диктуют способ связи и реакции атомов при формировании молекул и более сложных соединений, а также объясняют структуру самой периодической таблицы Менделеева.

У разных элементов способность к взаимодействию зависит от того, насколько сильно электроны связаны с ядром атома. Когда мы исследуем землю Атома, посещаем атомы разных элементов, мы обнаруживаем, что эти атомы содержат разное количество электронов – такое количество, которое нужно, чтобы скомпенсировать положительный заряд разных ядер. Обнаруживаем мы и тот факт, что электроны не могут обладать произвольной энергией. Их энергии принимают значения строго из определенного набора, характерного для атомов определенного элемента. Именно этот набор энергий и определяет способность атома формировать молекулы и другие соединения с соседними атомами, а это, в свою очередь, лежит в основе всей химии и всего того, что следует из химических свойств элементов. Будучи от природы любопытными исследователями, мы горим желанием узнать, как все это работает и, прежде всего, какой механизм создает определенные энергетические уровни.

Обладающий определенной энергией электрон обладает и определенной длиной волны, связанной с энергией, как мы выяснили в нашем предыдущем путешествии. Электроны, свободно передвигающиеся по океанам, отмеченным на нашей карте, могут иметь любую длину волны и, следовательно, любую энергию. Ограничений нет. Однако, будучи ограниченными территорией земли Атома, плененные вблизи атомного ядра электроны утрачивают свободу в выборе возможных значений длины волны.

Тот факт, что для электрона разрешены только определенные значения энергий, приводит к ограничению длины волны. Осознав это, мы начинаем понимать, что же происходит с электронами.

Мы знаем по опыту, что существуют и другие ситуации, когда бывают доступны только некоторые определенные длины волн, например колебания гитарной струны. К счастью, на нашей лодке есть гитарист, который поможет нам наглядно это понять.

В гуще лесов, покрывающих землю Атома, мы находим полянку и разбиваем лагерь. Разжигаем костер, садимся вокруг него и замираем в ожидании, о чем поведает нам гитара в тот час, когда сгустятся сумерки и в тишине до нас донесется жужжащая песенка крошечных электронов, парящих в древесных кронах высоко над нашими головами.

Каждая нота музыкального инструмента соответствует определенной звуковой волне. Гитарная струна некоторой фиксированной длины порождает звучащую ноту. Эта нота определяется тем фактом, что точное число соответствующих ей полуволн должно вписаться в отведенное для струны пространство. Концы струны закреплены на струнодержателе и колках грифа и, следовательно, не могут вибрировать, как все остальные участки этой струны. Таким образом, волна на струне должна иметь неподвижные точки, расположенные на концах этой струны, и в них амплитуда колебаний равна нулю.

Как следствие из всего сказанного, не все длины волн могут реализоваться при таких колебаниях. Длины волн, равные длине струны, не запрещены: они обладают двумя фиксированными точками на каждом конце и одной фиксированной точкой в середине. Пики и провалы приходятся на первую и третью четверти пути соответственно.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда длина волны в два раза превышает длину гитарной струны, причем средняя часть струны колеблется вверх-вниз. Это будет самое низкое колебание струны, открытая нота гитары. Важный момент здесь – то, что запрещена волна любой длины, которая не допускает стационарную точку на каком-либо конце струны.

Именно так происходит и с электронами, когда их положение ограничено некоторой областью вблизи атомного ядра. Расстояние от электронов до ядра подобно расстоянию от струнодержателя до грифа на гитаре: оно тоже определяет фиксированные точки, за пределы которых электрон не может выйти и где волна, ассоциированная с электроном, стационарна. Вышесказанное означает, что для электрона допустимы только определенные длины волн, а из этого, в свою очередь, следует, что для электронов допустимы только определенные значения энергии. Наконец, последний факт объясняет своеобразие структур связности электронов с ядрами атомов, с чем мы столкнулись в земле Атома.

Мы получили недостающую часть необходимой нам информации для понимания внутренних механизмов земли Атома. Существует строго определенный список допустимых энергетических уровней для электронов, находящихся в связанном состоянии внутри атома, – гармоник их орбит вокруг центрального массивного ядра. Разумно ожидать, что наиболее устойчивое состояние атома – это когда все электроны «садятся» на уровень с наименьшей энергией. Другими словами, все электроны «дружно поют басом». Однако такого мы не наблюдаем. Каждый энергетический уровень позволяет, чтобы его занимали только два электрона, после чего он становится полностью заполненным: для всех остальных желающих вывешивается табличка «Нет свободных мест». Таким образом, другие электроны, стремящиеся занять места с минимальной энергией, вынуждены довольствоваться уже только оставшимися энергетическими уровнями, где ситуация снова повторится: будут взяты только два электрона, а остальным опять придется искать себе места на более высокоэнергетических уровнях. У атома в состоянии с самой низкой энергией все электроны занимают самые нижние допустимые энергетические уровни, а все уровни с более высокой энергией пусты. К примеру, у кремния 14 электронов находятся на семи нижайших энергетических уровнях, по два на каждом. Натрий имеет 11 электронов, которые заполняют нижайшие пять энергетических уровней, а шестой уровень заполнен наполовину: на нем один электрон и одно свободное место.

Таким образом, атомы создают «оболочки» из электронов. Энергетические уровни внутри таких электронных оболочек заполнены, снаружи – пусты, а посередине иногда бывают свободные места. Эта сложная структура из электронов и энергетических уровней определяет размер атома и его способность вступать в реакции и образовывать молекулы. Здесь сразу возникает множество вопросов. Например, почему именно два электрона приходятся на один энергетический уровень? Почему не один или столько, сколько мы захотим? Этого мы еще не знаем. Но трудно переоценить важность сути самого открытия: энергетические уровни различны для одного атома, различны для разных атомов и даже для разных молекул, которые образуются при связи атомов друг с другом. Все это означает, что у нас есть способ определять составные части вещества по косвенным признакам, даже не дотрагиваясь непосредственно до них.

Когда электроны перепрыгивают с одного энергетического уровня на другой, они испускают или поглощают характерное количество энергии в виде фотонов света. Измерением величины этого излучения и определением, для каких атомов характерно то или иное излучение, занимается наука спектроскопия, и именно благодаря этой науке мы знаем, из чего сделаны Солнце, другие звезды и межзвездная пыль. Поскольку допускается существование только нескольких определенных энергетических уровней, могут существовать только вполне определенные скачки энергии. Таким образом, лишь некоторые определенные порции энергии фотона могут быть поглощены или испущены. Из-за этого в спектре появляются либо темные полосы (свет определенной длины проходит сквозь вещество, и эти длины волн фотонов поглощаются), либо светлые (свет испускается веществом при нагревании; например, свет натриевой лампы имеет жёлтую окраску). Желтый цвет, зафиксированный спектрометром, указывает на то, что основным компонентом таких ламп является натрий. Точно так же линии в спектре других веществ позволяют определить, из атомов каких видов состоит исследуемое вещество. Это обстоятельство объясняет характерные частоты света, ответственные за открытие гелия на Солнце.

Электронная структура атомов и молекул – детальная картография земли Атома – была открыта с помощью энергий порядка нескольких сотен или даже тысяч электронвольт (эВ). Понимание этой структуры имело решающее значение для того, чтобы подтвердить квантовую природу электронов и фотонов, а также выявить, какие элементы присутствуют в звездах и пыли далеких галактик. Это понимание воодушевляет нас и дает информацию для дальнейших исследований. Теория взаимодействия электронов и фотонов – квантовая электродинамика (КЭД) – стала первой частью разрабатываемой стандартной модели физики частиц. Как мы увидим в дальнейшем, точные атомные измерения сыграли важнейшую роль в становлении КЭД.

Земля Атома – отправная точка для нашего путешествия в дальние области физики элементарных частиц. Преодолеть тяготы пути нам поможет квантовая теория, которой мы попутно обзавелись. Следующим этапом нашего путешествия станет уже вошедшее в привычку возвращение в порт Электрон, но на этот раз мы вернемся туда по суше. Если сказать точнее, то мы вернемся даже не в сам порт, а в земли все еще неизвестного нам острова, на побережье которого этот порт расположен. Итак, достигнув южной оконечности земли Атома, мы обнаружили некий мост, а сразу за ним – что оказалось очень кстати – пункт проката автомобилей. Мы тут же пересекли мост, взяли машину и отправились по берегу острова, чтобы исследовать территорию вдали от порта Электрон.