Про эту вашу физику
Шрифт:
Давайте сделаем умное лицо и назовем число гребней волновой функции в наноящике главным квантовым числом. На самом деле это очень важное число, и понимание его сути — отличный повод для гордости. Когда меняется квантовое число, это значит, что электрон приобрел новое значение энергии. Как говорят физики: перешел на новый энергетический уровень.
Нарисуем классическое изображение энергетических уровней электрона из учебников, которое теперь стал чуть-чуть понятнее и больше не будет сниться в кошмарах спустя годы. Забавный факт: у электрона не может быть нулевого квантового числа, а значит и нулевой энергии. Это серьезнейшее отличие частицы от объекта
Замечательно! Но мы опять проводим мысленные эксперименты. Где фантазии, а где реальность? Причем тут химия, и когда мы выведем формулу спирта, чтобы стало интересно?
Хе-хе, приготовьтесь к неожиданному и наглому заявлению. Примерно вот так в свое время Нильс Бор ошарашил честной народ, предложив новое видение проблемы микромира.
В некотором смысле электрон в атоме ведет себя точно так же, как в наноящике. Точно так же он может разместиться вокруг ядра только с целым количеством своих «гребней» вероятности, а значит, мы можем применять к электронам в атоме вышеупомянутое квантовое число. Точно так же электрон может переходить с одного энергетического уровня на другой. Если в атом влетает фотон, то электрон может его поглотить только в том случае, если энергия фотона поможет электрону перейти на следующий уровень. Иначе фотон будет проигнорирован (помните наглядный пример у Гамова из главы про кванты: пиво можно пить только из определенных емкостей, никакого розлива). И наоборот, электрон может испустить фотон строго определенной энергии, чтобы спуститься на уровень ниже, где ему как-то надежнее и спокойнее.
Да, именно поэтому мы видим цвета. Атомы и молекулы имеют разные размеры (представьте их как наноящики различной длины), поэтому если направить на них свет, то электроны в атомах будут поглощать только те длины волн, которые помогут им красиво разместиться в своих «наноящиках». Остальные волны (фотоны) хитрым образом отразятся и, о чудо, мы видим цвет предмета: длины волн, которые не стали поглощать электроны освещенного предмета. Не забудем про фотоэффект, когда электрон вбирает в себя столько энергии, что покидает атом и отправляется гулять в одиночку на радость Эйнштейну.
Объяснение с наноящиками, которое мы переносим на атом, надо признаться, довольно удачное. Тем не менее Мироздание делает всё, чтобы испортить хорошие и простые модели. Ящичек в нашем мысленном эксперименте был одномерным, где у электрона для материализации было всего два направления: налево и направо от произвольно выбранной точки. В атоме на орбите ядра электрон чувствует себя несколько свободнее: теперь он в трехмерном наноящике, и тут начинается дичь, одновременно расстраивающая и восхищающая физиков.
Распределение вероятностей обнаружения электрона (волновая функция) уже не простенькая синусоида на рисуночке, а сложная пространственная фигура, которую называют орбиталью.
Теперь-то читатели, осилившие все предыдущие главы, ответственно понимают, что электроны не кружатся вокруг атома, как планеты вокруг солнца, а находятся в суперпозиции всех своих состояний, вероятности обнаружения которых складываются в странные и загадочные объекты — электронные
Чтобы оценить эпичность проблемы, для начала возьмем атом водорода, самый простой атом из всех известных. Вот у нас ядро, а вот один электрон копошится вокруг. Давайте посмотрим, что он тут выписывает.
Если квантовое число электрона равно единице, то есть это один условный гребень волны в наноящике, то электрон находится на самом низком энергетическом уровне. В трехмерном пространстве его вероятности размазываются вокруг ядра в виде сферы, отстоящей от ядра на некотором расстоянии. Вздумай мы ловить электрон в таком атоме, то наибольшая вероятность его обнаружения придётся как раз на окрестности данной сферы.
Но вот электрон съел подходящий по энергии фотон, и его волновая функция изменила форму. Соответственно изменился и вид орбитали: электрон может выбрать одну из двух форм атомной оболочки.
Первый вид это вся та же сфера, называемая 2s-орбиталью, у которой теперь две поверхности для нашей электронной рыбалки.
А второй вид называют гантелеобразной или 2p-орбиталью. Она получается, когда атом попадает в определённые условия, и имеет целых три варианта размещения в пространстве, которые связаны с тем, что движущийся электрон создает магнитное поле, и от этого его гантелеобразная орбиталь во внешнем магнитном поле принимает одну из трех возможных пространственных ориентаций (для таких случаев придумано квантовое магнитное число). При этом энергия 2p-орбитали больше чем у 2s-орбитали.
Давайте посмотрим рисунок для атома водорода, в котором электрон демонстрирует орбитали. Буква n — это главное квантовое число. Точечками мы пытаемся изобразить пространство наиболее вероятного обнаружения электрона. Плюсы и минусы — это знаки волновой функции (для сведения).
Когда электрон переходит к квантовому числу n=3, его расположение в наноящике атома становится еще интереснее. Теперь у него в коллекции новый набор форм, названных d-орбиталью. Рисуем, как умеем — не смеяться!
С увеличением энергии электрона формы атомных оболочек усложняются. Мы не будем рисовать орбитали для дальнейших квантовых чисел, потому что, признаемся честно, f-орбитали и g-орбитали нам не изобразить, но читателям с интернетом или с бережно сохраненным учебником по химии не составит труда посмотреть их схематические формы.
Главное, что мы уяснили, электрон, скучающий возле ядра атома, не так прост, и даже в единичном экземпляре выписывает своими вероятностями удивительные фигуры, подчиняющиеся самым изощренным математическим описаниям.
А теперь представьте, какой сумасшедший дом начинается, если вокруг атома живёт два и более электронов!
К великому счастью Природа ограничила свои творения и создала для электронов ряд нерушимых законов, наведя относительный порядок внутри атома и позволив ученым разобраться, что к чему и кто кого.
Электроны в атоме скачут по своим энергетическим уровням, переходя с орбитали на орбиталь. Но тот факт, что теперь у них есть соседи по атому, а в молекулах — еще и соседи по молекуле, заставляет электроны организовываться и вести себя прилично.