T.Redzhe "Etyudy o Vselennoi", Mir/NiT<< 3.3. Sootnoshenie neopredelennosti | Oglavlenie | 3.5. Yadernye sily >>
3.4. V glub' atoma
Soglasno kvantovoi mehanike, nel'zya odnovremenno opredelit' s absolyutnoi tochnost'yu skorost' i polozhenie elektrona, V. deistvitel'nosti utverzhdenie eshe sil'nee: soglasno predstavleniyam Geizenberga, Bora i pochti vseh otcov-osnovatelei sovremennoi teorii, nel'zya dazhe voobrazit' elektron, polozhenie i skorost' kotorogo byli by opredeleny s absolyutnoi tochnost'yu. Etot zapret rasprostranyaetsya na vse elementarnye chasticy i na ih ob'edineniya, vklyuchaya atomy i molekuly. Pochemu zhe togda my ne mozhem zametit' etogo zapreta v sluchae dvizheniya bil'yardnogo shara ili avtomobilya?
Srazu skazhu, chto effekt i zdes' sushestvuet, no po ryadu prichin my ego ne zamechaem. Vo-pervyh, lyuboe izmerenie, vypolnennoe s pomosh'yu instrumentov, pust' dazhe samyh sovershennyh, ne mozhet byt' ideal'nym v tom smysle, chto polozhenie i skorost' ne mogut byt' opredeleny sovsem bez oshibki. Oshibki prisushi fizicheskim izmereniyam; mozhno stremit'sya k ih umen'sheniyu, no izbavit'sya ot nih polnost'yu nevozmozhno. Vo-vtoryh, neopredelennost', predskazannaya Geizenbergom, umen'shaetsya s uvelicheniem massy rassmatrivaemogo ob'ekta, poka ne stanovitsya sovershenno nezametnoi v sluchae makroskopicheskih tel.
Eshe ob atome vodoroda
Atom vodoroda sostoit iz odnogo-edinstvennogo elektrona, obrashayushegosya po orbite vokrug odnogo protona. Elektron i proton imeyut protivopolozhnye zaryady, tak chto oni prityagivayutsya; vmeste oni neitral'ny. Isklyuchitel'naya prostota etoi sistemy sdelala vozmozhnym ee strogii matematicheskii analiz, vershinoi kotorogo yavilis' model' Bora i uravnenie Shredingera.
V etoi teorii elektron mozhet vrashat'sya vokrug yadra tol'ko po opredelennym zadannym orbitam (t.e. nahodit'sya v opredelennyh "sostoyaniyah", kak govoryat v kvantovoi mehanike). Obychno atomarnyi vodorod sootvetstvuet samoi nizkoi iz etih orbit, toi, na kotoroi elektron raspolozhen blizhe vsego k protonu i, sledovatel'no, sil'nee vsego s nim svyazan.
Sootnoshenie neopredelennosti zapreshaet elektronu padat' na proton i slivat'sya s nim. Esli by eto vse zhe proizoshlo, to elektron popal by v ogranichennyi ob'em prostranstva, v sto tysyach raz men'shii zanimaemogo samim atomom; vsledstvie etogo neopredelennost' v velichine ego skorosti namnogo vozrosla by, dostigaya takih bol'shih znachenii, chto elektron mog by snova pokinut' proton. Tak chto tol'ko ochen' bol'shaya sila prityazheniya mozhet ogranichit' ob'em, zanimaemyi elektronom. K rassmotreniyu elektronnyh orbit mozhno podoiti i s drugoi tochki zreniya, s volnovoi, uzhe upomyanutoi vyshe.
V atome sila prityazheniya, sozdavaemaya protonom, izgibaet elektronnuyu volnu; prizma ili lyubaya prelomlyayushaya sreda vyzyvayut analogichnoe iskrivlenie svetovyh voln, kotoroe imeet tochno takuyu zhe matematicheskuyu strukturu; eto i vdohnovilo Shredingera na sozdanie svoego znamenitogo volnovogo uravneniya. Proton vedet sebya kak simmetrichnaya sfericheskaya linza s plotnost'yu, nepreryvno uvelichivayusheisya k seredine. V rezul'tate elektronnaya volna vynuzhdena iskrivlyat'sya, obvivayas' vokrug protona i zamykayas' sama na sebya. Volna okazyvaetsya zapertoi vnutri atoma ("svyazannoi") prityazheniem protivopolozhnyh elektricheskih zaryadov. Eto mozhet proishodit' po-raznomu. Sushestvuyut i drugie kolebatel'nye sostoyaniya (nazyvaemye "vozbuzhdennymi"), v kotoryh volna zanimaet bol'shuyu oblast' v prostranstve. Pogloshenie kvanta sveta ili stolknovenie atoma s drugimi chasticami mogut perevesti elektron ("vozbudit' atom") s odnoi orbity na druguyu. Spustya dolyu sekundy proishodit obratnyi perehod v sostoyanie s bolee nizkoi energiei, prichem osvobodivshayasya energiya izluchaetsya v vide fotona s chastotoi, proporcional'noi energii i polnost'yu opredelyaemoi strukturoi atoma vodoroda.
Slozhnye atomy
Atom vodoroda (da i vse drugie atomy i yadra) ispuskayut energiyu vpolne opredelennymi "kvantami", prezhde chem vernut'sya v svoe osnovnoe sostoyanie. "Cvet" etih kvantov yavlyaetsya "avtografom" atoma i pozvolyaet ego opoznat' na rasstoyanii, dazhe esli on nahoditsya gde-to v samyh otdalennyh galaktikah. V nachale proshlogo stoletiya pozitivist Kont vyskazal mnenie, chto bessmyslenno pytat'sya izuchat' prirodu zvezd, tak kak chelovek ne imeet nikakoi vozmozhnosti dostat' kusok zvezdy i podvergnut' ego himicheskomu analizu, a vsego neskol'ko let spustya Fraungofer, izuchaya spektry, sumel s dostovernost'yu ustanovit' prisutstvie obychnyh himicheskih elementov v zvezdah, polozhiv etim nachalo sovremennoi astrofizike.
Pri perehode k bolee slozhnym atomam my obnaruzhim, chto central'nye yadra sostoyat iz nekotorogo chisla protonov i neitronov, vo mnogom pohozhih drug na druga. Protony i neitrony, imeya pochti odinakovuyu massu (~1840 elektronnyh mass), v osnovnom otlichayutsya nalichiem zaryada u protona i derzhatsya vmeste vnutri yadra za schet sil ochen' bol'shoi velichiny, no korotkodeistvuyushih. Vokrug yadra vrashaetsya stol'ko svyazannyh elektricheskimi silami elektronov, skol'ko protonov v yadre; i opyat' atom kak celoe neitralen. Opisat' prostymi vyrazheniyami mnogochislennye i slozhnye konfiguracii atomov s dvumya ili bolee elektronami nevozmozhno.
Periodicheskaya sistema Mendeleeva
Nado vsegda imet' v vidu, chto elektrony, imeya odinakovyi zaryad, ottalkivayutsya drug ot druga; ih dvizhenie malo napominaet dvizhenie planet, kotorye, mozhno skazat', velichestvenno vrashayutsya vokrug Solnca, ne chuvstvuya ili pochti ne chuvstvuya vzaimnogo prityazheniya. Po etoi prichine tochnyi raschet bolee slozhnyh atomnyh struktur – delo sovsem ne prostoe, i do sih por v reshenii etoi zadachi imeyutsya nepreodolimye trudnosti. Analiz stanovitsya eshe slozhnee, esli rassmatrivat' atomy na blizkih rasstoyaniyah drug ot druga, kogda stanovitsya vozmozhnym obmen elektronami, chto, v sushnosti, ravnosil'no vozniknoveniyu mezhatomnyh sil. V svoyu ochered' eti sily otvetstvenny za himicheskie yavleniya, porazitel'noe raznoobrazie kotoryh ne nuzhdaetsya v kommentariyah.
Nesmotrya na ukazannye oslozhneniya, obshaya struktura elektronnogo oblaka v atome dovol'no prozrachna, i iz nee uzhe izvlechena znachitel'naya informaciya. Nevozmozhno proslushat' kurs himii i ne uslyshat' o periodicheskoi tablice elementov Mendeleeva. Mendeleev sostavil spisok elementov po vozrastayushim atomnym vesam (na samom dele po massam yader) i obratil vnimanie na strogie zakonomernosti, kotorym elementy podchinyayutsya, ob'edinyayas' v posledovatel'nosti po shozhim himicheskim svoistvam. Nezapolnennye mesta v etih posledovatel'nostyah sootvetstvovali elementam, otkrytym ili iskusstvenno sozdannym (kak, naprimer, tehnecii) pozdnee. Nablyudeniya Mendeleeva v celom okazalis' isklyuchitel'no cennymi dlya dal'neishih nauchnyh poiskov i predskazanii.
Princip zapreta Pauli
Vydayushiisya uspeh modeli atoma Bora sostoyal, v chastnosti, v obespechenii solidnogo teoreticheskogo obosnovaniya sistemy Mendeleeva. Dlya dostizheniya etogo, pravda, ponadobilos' eshe odno otkrytie, imevshee bol'shoe teoreticheskoe znachenie. Izuchaya atomnye spektry geliya (u kotorogo dva elektrona), fizik Vol'fgang Pauli obnaruzhil strannyi princip zapreta: elektrony vsyacheski izbegali sovmestno zanimat' odnu i tu zhe orbitu. Kak okazalos', princip Pauli imeet vseobshee znachenie i spravedliv dlya lyubyh atomov i sistem, soderzhashih elektrony. Etot princip privodit k tomu, chto elektrony v svoem kollektivnom dvizhenii vokrug yadra obrazuyut razvituyu konfiguraciyu "skorlupok", ili obolochek. Deistvitel'no, vse elektrony ne mogut odnovremenno zanyat' samuyu nizkuyu orbitu. Uchityvaya, odnako, chto orbity odnogo razmera mogut byt' po-raznomu nakloneny i chto na kazhdoi orbite, imeyushei svoi strogo opredelennyi naklon, mozhet nahodit'sya po odnomu elektronu, my prihodim k tomu, chto na odinakovom rasstoyanii ot yadra mozhet nahodit'sya vpolne opredelennoe – nebol'shoe – semeistvo elektronov; odinakovye, no po-raznomu naklonennye orbity i obrazuyut obshuyu dlya etogo semeistva elektronnuyu obolochku, ili skorlupu.
Obychno atomy predstavlyayut v vide mnozhestva elektronnyh orbit, obrazuyushih posledovatel'nost' obolochek vokrug central'nogo yadra. Takoi obraz netochen po prichinam, kotoryh my uzhe kasalis'. Strogo govorya, orbit voobshe net, sushestvuyut tol'ko volny, ogibayushie yadro. Dlya vyyasneniya togo, kak sebya vedet kakaya-nibud' volna, nedostatochno znat', chto elektrony ottalkivayutsya, nuzhno eshe znat', gde nahodyatsya drugie volny. Tem ne menee v pervom priblizhenii takoe predstavlenie goditsya dlya sozdaniya zritel'nogo obraza.
Obolochechnaya struktura i himicheskie svoistva
Elektronnaya obolochka, zapolnennaya vsemi polozhennymi ei elektronami, okazyvaetsya ochen' stabil'noi i tesno svyazannoi s yadrom. V konechnom schete ona obrazuet sfericheski-simmetrichnyi pancir', zashishayushii yadro, i umen'shaet ego effektivnyi elektricheskii zaryad, okruzhaya polozhitel'nye protony otricatel'nymi elektronami. Poetomu elektrony vneshnih obolochek vosprinimayut ostal'nuyu chast' sistemy kak yadro s men'shim zaryadom i okazyvayutsya menee svyazannymi; krome togo, sushestvuet shodstvo mezhdu konfiguraciei etih elektronov i toi, kotoruyu oni obrazovali by vokrug yadra s men'shim effektivnym zaryadom; eto shodstvo privodit k shodstvu himicheskomu i lezhit v osnove teorii Mendeleeva.
Himicheskie svoistva atoma zavisyat pochti isklyuchitel'no ot struktury i konfiguracii samoi vneshnei elektronnoi obolochki. Eta obolochka mozhet byt' ne celikom zapolnena: polnoe chislo elektronov v atome zadano (zaryadom yadra), i ego mozhet ne hvatit' dlya tochnogo zapolneniya vseh otvedennyh mest vo vseh elektronnyh obolochkah. A vot tak nazyvaemye blagorodnye gazy, kotorye pochti ne uchastvuyut v himicheskih reakciyah, sostoyat iz atomov, vse obolochki kotoryh polnost'yu zapolneny. Itak, princip Pauli neset otvetstvennost' za stabil'nost' veshestva i za ogromnoe raznoobrazie himicheskih soedinenii; samo nashe sushestvovanie svyazano s nim. Esli by vdrug on poteryal silu, to atomy kollapsirovali by do konfiguracii, chrezvychaino malen'kih i himicheski inertnyh; veshestvo v znakomom nam vide perestalo by sushestvovat'. Princip Pauli imeet glubokie korni i osnovan na iznachal'nyh i sushestvenneishih svoistvah geometrii nashego prostranstva. Pridya iz mikrokosma, on tem ne menee okazyvaet neposredstvennoe vliyanie na stabil'nost' zvezd.
<< 3.3. Sootnoshenie neopredelennosti | Oglavlenie | 3.5. Yadernye sily >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy
Publikacii so slovami: Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
