Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

Атом водорода состоит из одного протона и присоединенного к нему электрона: положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электрона. Следующий простейший элемент, гелий, имеет ядро, построенное из двух протонов, поэтому у него два присоединенных электрона. Число протонов в ядре атома называется атомным номером элемента, так что атомный номер водорода равен 1, атомный номер гелия равен 2, и так далее. Из того факта, что атом электрически нейтрален, а такими являются все атомы, следует, что число присутствующих в нем электронов равно атомному числу, поскольку полный положительный заряд ядра компенсируется полным отрицательным зарядом присоединенных электронов.

Осознание того, что ядру элемента можно приписать номер и что этот номер можно интерпретировать в терминах состава ядра, означает, что можно наконец провести перекличку элементов. Теперь пропущенный элемент, можно идентифицировать, узнав, был ли обнаружен элемент именно с таким атомным номером, а размышления о том, существует ли какой-нибудь элемент между двумя другими, можно прекратить, если их атомные номера являются соседними. Атомные номера стало возможно определять благодаря технике, разработанной Генри Моусли (1887-1915) незадолго до его призыва на военную службу для того лишь, чтобы под Галлиполи его настигла пуля снайпера. Как написал Уилфред Оуэн перед встречей со своей собственной пулей однажды вечером на исходе той же войны:

Отвага была моей, и с ней тайна,Мудрость моею была, и с нею власть.

Это и была власть, основанная на мудрости, сорвавшая покров тайны, и теперь мы знаем весь список элементов, знаем о ядре и числе электронов, присутствующих в каждом атоме.

Точное расположение электронов вокруг ядра все еще оставалось проблемой. На этом этапе обсуждения важно понять то, что атом представляет собой почти полностью пустое пространство. Вся его масса, как мы видели, сосредоточена в мельчайшем центральном ядре, а окружающее ядро пространство, вплоть до расстояния, составляющего примерно 10 тысяч диаметров ядра, занято горстью электронов — например, шестью, в случае углерода. Ваше тело представляет собой это почти пустое пространство, хотя, так или иначе, вы кажетесь материальным. Вы являетесь пустотой в реальном, а не ироническом смысле, думаете почти пустыми мозгами, одеваетесь в пустоту, сидите на пустоте и поддерживаетесь ею. Чтобы вообразить пустоту атома, представьте, что вы стоите на ядре размером с Землю, глядя в ясное звездное ночное небо. Пустота пространства, которое вы видите вокруг себя, не будет отличаться от пустоты атома внутри вас.

Однако эта пустота вне ядра является средоточием индивидуальности элемента. В то время как ядро является пассивным наблюдателем, просто отвечающим за размещение вокруг себя дополняющих его электронов центром контроля, дымок электронов, занимающих почти пустое пространство, является участником химических реакций.

Ученые не смогли устоять перед искушением высказать предположение, что электроны по отношению к ядру подобны планетам по отношению к звезде или Луне по отношению к Земле, и этот образ все еще столь могуществен, что было бы лучше, если бы я не упоминал о нем. «Сатурнианская» планетарная модель атома была предложена японским физиком Хантаро Нагаока (1865-1950) в 1904 г. и стала естественно предполагаемой моделью после того, как несколько лет спустя Резерфорд открыл ядро. Планетарную модель, которую теперь представляли в виде планет, вращающихся вокруг звезды, а не в виде колец вокруг Сатурна, как предлагал Нагаока, призвали к жизни в 1912 г., когда Нильс Бор использовал раннюю версию квантовой теории для описания движения одиночного электрона в атоме водорода и для своего успешного расчета спектра излучения атома. Можно лишь позавидовать, представляя себе всю глубину восторга Бора, когда он обнаружил, что его расчеты почти точно согласуются с наблюдениями.

Но даже это — планетарная модель и, как казалось, подтверждающий ее талантливый расчет Бора — было неверно. Отсюда можно извлечь два урока для науки и жизни. Во-первых, мы не можем полагаться на перенесение, без основательной оглядки, знакомых закономерностей макромира в доселе неизвестный нам микромир. Под поверхностью реальности живут драконы. Во-вторых, даже количественное согласие может, при некоторых обстоятельствах, быть недостоверным свидетельством истины. Этими некоторыми обстоятельствами, сделавшими свидетельство недостоверным, в данном примере была «красота» — термин, со смыслом которого мы встретимся в следующей главе, а пока это лишь забавная и загадочная — характеристика электрического притяжения электрона к ядру.

Вы должны выбросить из вашего сознания, а еще лучше из вашего бессознательного, образ планет, вращающихся вокруг центрального ядра: он просто неверен. Это ложная модель атома, это научная фикция, мертвая, отброшенная модель. Чтобы увидеть ее ошибочность, надо понять, что электроны не являются частицами в привычном смысле, но имеют внутренние свойства, подобные волновым. Этот двойственный характер, лежащий в сердце квантовой теории и появляющийся на сцене в главе 7, устраняет понятие траектории, в данном случае орбитального пути планетарного электрона вокруг центрального звездоподобного ядра, и делает абсолютно неприемлемым образ электрона в виде частицы на орбите.

В главе 7 мы увидим, как Эрвин Шредингер (1887-1961) создал уравнение, решения которого рассказывают нам о поведении электронов. Все, что нам необходимо знать на этом этапе, это несколько следствий из него, касающихся атомов. То, что на сегодняшний день считается достаточно точной структурой атома водорода — к другим атомам мы придем позднее, — было одним из первых результатов использования уравнения Шредингера. В серии из четырех знаменитых работ (первая в трех частях), опубликованной в 1926 г., написанной во время каникул с любовницей и названной им «поздним эротическим взрывом», Шредингер решил свое уравнение для электрона в атоме водорода и получил из совершенно других предпосылок то же выражение для его энергии, которое до этого обнаружил Бор.

Чтобы понять результат вычислений Шредингера, мы должны знать, что решения его уравнения предсказывают вероятность того, что электрон будет обнаружен в некоторой точке пространства, а не точное положение электрона в любой момент, как в классической физике. Эти решения называются атомными орбиталями. В таком названии выражен намек на планетарный электрон на орбите, но без строгого смысла этой классической концепции, здесь неприменимой.

Рисунок 5.5 показывает форму обладающей самой низкой энергией атомной орбитали в атоме водорода, орбитали электрона в нормальном (основном) состоянии атома. Иллюстрация изображает вероятность обнаружения электрона в разных участках области с помощью плотности тени в них. Как можно видеть, благодаря тому, что облако является более плотным вблизи ядра, следует считать, что электрон «роится» вокруг и вблизи ядра, как осы вокруг вазы с вареньем, и с наибольшей вероятностью находится у самого ядра. Если бы вы мысленно помещали маленький полый шар в разных местах атома, вы обнаруживали бы электрон внутри шара чаще, когда шар располагается у ядра. Облако вероятности сферически симметрично (предпочтительные направления отсутствуют), поэтому мы можем также представить орбиталь сферической поверхностью, которая охватывает большую часть облака. Однако не следует думать, что орбиталь имеет резкий край: как показывает изображение на рисунке, вероятность обнаружить электрон в определенной точке постепенно стремится к нулю и — по крайней мере в принципе — достигает нуля лишь на бесконечном удалении от атома.

Рис. 5.5. Здесь изображены некоторые представления s-орбитали самого низкого энергетического уровня для атома водорода. Диаграмма слева показывает вероятность обнаружения электрона в каждой точке в виде плотности тени. Сопровождающий ее график показывает, как вероятность экспоненциально убывает с увеличением расстояние до ядра. Диаграмма справа показывает «граничную поверхность», представляющую собой поверхность, охватывающую 90 процентов вероятности обнаружения электрона.

С этой точки зрения все атомы бесконечно велики, что находится в резком противоречии со взглядом на атомы, как на очень маленькие. Практически, конечно, вероятность нахождения электрона далеко от ядра (больше, чем на расстоянии в несколько сот триллионных метра) пренебрежимо мала. Лучше представлять себе атом водорода с электроном, находящимся в ограниченной области пространства очень близкой к ядру (в области с радиусом около 100 триллионных метров, 100 пикометров, 100 пм). Эта сферическая орбиталь с низшим уровнем энергии называется s-орбиталью. Было бы приятно думать, и в любом случае это полезное мнемоническое правило, что s означает сферичность; но на самом деле это название создано по техническим причинам, связанным с шириной линий в спектре атома водорода.