Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.
Шрифт:
Теперь я проведу вас от атома водорода сквозь строй атомов других элементов. Нам известен порядок, в котором следует обсуждать эти элементы, поскольку мы знаем их атомные номера и, следовательно, число электронов, которые должны присутствовать в каждом случае. Например, если атомный номер элемента равен 15 (это номер фосфора), то его ядро имеет пятнадцать единиц положительного заряда, и, для достижения электрической нейтральности, каждый атом должен иметь пятнадцать электронов. Основная идея заключается в том, что, с небольшими видоизменениями, которые мы скоро узнаем, электроны этих атомов будут описываться орбиталями и энергиями, подобными тем, которые Шредингер нашел для водорода. Но по ходу этого конструирования атомов мы обнаружим некоторые замечательные вещи.
Элементом с атомным номером 2 является гелий; он имеет двойной заряд ядра и два электрона.
Следующим по порядку элементом, с атомным номером 3, является литий. Ядро лития имеет тройной заряд и окружено тремя электронами. Теперь возникает удивительная вещь. Эти три электрона не могут — просто не могут — занимать самую нижнюю энергетическую s– орбиталь. Есть свойство, которое мы до сих пор совершенно пропускали в нашем обсуждении, а теперь должны ввести: электрон имеет три постоянные внутренние характеристики: массу, заряд и спин. Как мы видели ранее, многие ядра вращаются, и точно так же каждый электрон во Вселенной обладает этим свойством. Для наших целей достаточно, чтобы мы представляли спин просто как классическое вращательное движение, подобное вращению планеты вокруг оси. Однако следует иметь в виду, что в данном контексте спин является чисто квантово-механическим свойством, и на самом деле его нельзя считать классическим. Например, электрон надо дважды перевернуть, чтобы он вернулся в исходное состояние! Второе квантовое свойство спина — более соответствующее стилю предыдущего обсуждения — заключается в том, что электрон (снова используя классический язык) имеет фиксированную скорость вращения, но может вращаться с этой скоростью либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Никаких промежуточных скоростей или ориентации вращения не допускается.
Третье квантовое свойство спина — и у него нету никакой классической интерпретации — это принцип запрета, предложенный в 1924 г. австрийским физиком Вольфгангом Паули (1900-58) и утверждающий следующее:
На одной орбитали может присутствовать не более, чем два электрона, и если два электрона имеют одну и ту же орбиталь, их спины должны быть парными.
Термин «парные» означает, что если один электрон вращается по часовой стрелке, то другой вращается против часовой стрелки. Этот принцип является ключевым для понимания химии. Он также является ключевым для понимания того, что объекты являются твердыми, несмотря на то, что состоят в основном из пустоты, потому что электроны одного атома не могут находиться в области, занятой электронами другого атома. Таким образом, несмотря на то, что электроны занимают ничтожную часть области, которую мы называем «атом», другие атомы не могут проникнуть в эту область. Так, объем нашего тела и наша способность отличаться от любого другого из окружающих нас предметов обусловлена в конечном счете электронным спином. Выключите спины электронов, и все вещество — все обитатели мира, все горы, океаны и леса, все существующее — коллапсирует в однородную каплю бесформенной слизи. Спин является источниками нашей индивидуальности.
Теперь мы можем завершить историю с литием. Представим себе последовательное добавление трех электронов и распределение их по орбиталям так, чтобы получить наименьший общий уровень энергии, принимая во внимание принцип запрета. Первые два электрона занимают первую s– орбиталь. Эта орбиталь теперь содержит два электрона, поэтому она полна. Поэтому третий электрон вынужден занять одну из s– или p-орбиталей следующей оболочки. Но какую орбиталь он займет, если все четыре орбитали имеют одну и ту же энергию?
То, что они имеют одну и ту же энергию, не верно. Мы утверждали это для водорода, как следствие до некоего загадочного «красивого» свойства электрического взаимодействия между ядром и электроном. Когда в атоме присутствует более чем один электрон, эта «красота» (под которой мы имеем в виду весьма специальный вид симметрии) теряется, и s– и p– орбитали больше не обладают одинаковой энергией. Причины этих различий можно усмотреть в том факте, что электрон на s– орбитали может находиться непосредственно у ядра, а электрон на p– орбитали там обнаружить нельзя.
Коротко говоря, электрон на второй s– орбитали может проникать в область, занятую двумя электронами первой s– орбитали, и испытывать полную силу притяжения тройного заряда ядра лития. Из-за центробежного влияния момента импульса, электрон на p– орбитали не может проникнуть так же близко к ядру и поэтому не испытывает его полной силы притяжения. В результате он будет иметь более высокую энергию (как показано на рис. 5.7 ).
Имея в виду эту разницу энергий, теперь можно сделать вывод, что атом лития содержит два электрона на s– орбитали в первой оболочке, окруженной электроном, занимающим s– орбиталь следующего энергетического уровня. Мы можем представлять себе, что эти электроны образуют две физических концентрических оболочки, причем одна прилегает к ядру в форме сферической сердцевины, а другая, окружающая ее, подобна мякоти плода вокруг косточки (рис. 5.8).
Рис. 5.8.Представление структуры атома лития. Два электрона в компактной сердцевине и один электрон во внешней оболочке.
Следующим элементом (с атомным номером 4) является бериллий с четырьмя электронами вокруг ядра. Здесь на один электрон больше, чем в литии, и этот электрон можно присоединить к последнему внешнему электрону на второй s-орбитали. Далее идет пятый элемент, бор, с атомным номером 5 и пятью электронами. Вторая s– орбиталь заполнена, поэтому пятый электрон должен попасть на одну из трех p– орбиталей. Та же ситуация сохраняется для следующих пяти элементов, поскольку имеются три p– орбитали, и на этих орбиталях можно расположить шесть электронов. Так, углерод (шесть электронов) имеет внутреннюю сердцевину из двух электронов, как у гелия, еще два электрона на окружающей ее s– орбитали и еще два электрона на p– орбиталях. Оказывается, что последним двум электронам энергетически выгоднее занимать разные p– орбитали оболочки, так как тогда они дальше располагаются и меньше отталкиваются друг от друга. Азот (семь электронов) имеет еще один электрон на p– орбитали, кислород (восемь электронов), фтор (девять электронов) и неон (десять электронов) строятся тем же способом.
На этом этапе все десять p– орбиталей оболочки заполнены, и следующий электрон (в натрии, атомный номер 11) должен занять следующую, более высокую атомную орбиталь, которая является следующей s– орбиталью. Структура атома натрия подобна структуре атома лития с заполненной внутренней сердцевиной и одиночным s– электроном, образующим концентрическую внешнюю оболочку.
Это чрезвычайный момент в нашем обсуждении, хотя я и оставил проблеск, осветивший местность, почти незамеченным. Мы видели, что структура атома гелия состоит из заполненной оболочки; нам также следует знать, что гелий является инертным одноатомным газом (то есть газом, состоящим из одиночных атомов в свободном движении). Далее мы пришли к восьмому элементу, неону, еще одному инертному одноатомному газу, каждый атом которого имеет заполненную оболочку электронов. Непосредственно вслед за неоном мы уловили вспышку, идущую от лития, легко вступающего в реакции металла; его атомная структура состоит из одного электрона вне заполненной сердцевины. И теперь на сцене появляется восьмой, считая от лития, элемент, натрий, еще один металл, легко вступающий в реакции. Структура атома натрия совершенно подобна структуре атома лития, с одиночным электроном вне заполненной оболочки. Мы пролили немного света на периодичностьэлементов, на осознание того, что вещество является не случайным набором разрозненных элементов, а семейством, содержащим члены с подобными химическими свойствами и подобными электронными структурами.