Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Если немного расширить эту аналогию, электроны могут существовать только при таком расположении внутри атома, при котором между ними и ядром оказывается целое число длин их волн (см. рамку 4.1, в которой делается расчет для атома Водорода). В итоге электроны могут находиться на орбитах на определенных расстояниях от атомного ядра. Вследствие этого основные оболочки обозначаются как n = 1 для оболочки, ближайшей к ядру, n = 2 для следующей по направлению от ядра, n = 3 для еще более далекой и так далее. Как мы увидим впоследствии, эти оболочки соотносятся со строками Периодической таблицы.

И все же, пусть даже принцип «одна волна – одна оболочка» совершенно справедлив и истинен, с точными конфигурациями этих охватывающих волн все оказывается чуть более затруднительным, поскольку существует второе число, которое мы в силу необходимости должны присвоить каждому электрону. Оно соотносится с формой

его орбиты (его орбитальным моментом, если говорить на языке физики). Мы обозначаем это число как l, и оно принимает значения 0 (для сферической формы), 1 (три орбиты, по форме напоминающие гантели, идущие в направлениях x, y и z), а потом – 2, 3, 4 и так далее, причем по мере возрастания значений числа орбиты становятся все более сложными. Эти незначительные различия в формах орбит у той или иной оболочки называются подоболочками, или подуровнями. И, наконец, как мы отмечали в третьей главе, каждый электрон подобен маленькой юле, которая вращается либо по часовой стрелке, либо против. Этот параметр мы определили как спин: s = + 1/2 или s = – 1/2 .

В квантовом мире действует абсолютное правило: хотя все электроны обладают в точности одной и той же массой и в точности одним и тем же зарядом, никакие две частицы в атоме не могут быть во всех отношениях идентичными; иными словами, ни у каких двух электронов не могут полностью совпасть значения чисел n, l и s. Более того, каждой оболочке позволено иметь лишь определенное число подоболочек: на энергетическом уровне с номером n = 1 число l = 0; при n = 2 возможны значения l = 0 и l = 1; при n = 3 число l может равняться 0, 1 и 2 и так далее. Наконец, каждая форма орбиты (определяемая значением l) может содержать 2 x (2l + 1) электронов, где первая «2» призвана указать на один электрон со спином + 1/2 и один со спином — 1/2 , а выражение в скобках отражает число возможных орбитальных форм, доступных на каждом l– уровне. Это распределение гарантирует, что двух одинаковых электронов не существует. Все подробности прояснит схема на рис. 4.3.

Теперь, разобравшись с номенклатурой, мы можем описать конфигурацию электронов в любом атоме, указав число мест, занятых в каждой оболочке и подоболочке. Например, для Хлора, представленного на рис. 4.3, мы бы записали конфигурацию как 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ – в данном случае обычные числа указывают на энергетические уровни n, буквы – на обозначения числа l, а степенные показатели – на число электронов, занимающих каждую оболочку. Обратите внимание, что все подоболочки заполнены до отказа, как у любого нормального атома в спокойном состоянии, за исключением самой внешней 3p-подоболочки, на которой у нас как раз заканчиваются электроны: у Хлора 17 протонов, а значит, должно быть 17 электронов, отчего на 3p-подуровне остается пустое место. В случае, когда все электроны в атоме располагаются настолько близко к ядру, насколько это возможно, мы говорим об «основном состоянии» атома.

Рис. 4.3. Строение электронных оболочек у элементов Периодической таблицы. Значения n показывают энергетические уровни и соответствуют номеру строки в левой части таблицы. Заметим, что начиная с n = 3 подоболочки последующих энергетических уровней частично совпадают друг с другом. Подуровни s, p, d и f соотносятся с различными значениями числа l, призванного выразить орбитальный момент атома; этот показатель определяет форму электронных орбит (l = 0, 1, 2 и 3)

Рис. 4.3 (продолжение). Каждый подобный уровень может содержать 2 x (2l + 1) электронов. Стрелки (указывающие вверх или вниз) соответствуют допустимым спиновым квантовым числам (s = + 1/2 или s = — 1/2 ). Ни у каких двух электронов не могут совпасть все три квантовых числа n, l и s; круги показывают возможные расположения, которые согласуются с данным правилом. У Водорода, изображенного слева, всего лишь один электрон, занимающий положение 1s¹. У Хлора, с семнадцатью электронами (правый столбец), заполнены два свободных места на 1s-подуровне; два – на 2s-подуровне, шесть – на 2p-подуровне; два – на 3s-подуровне и пять свободных мест из шести на 3p-подуровне. Шкала полутонов, которая в данном случае выстроена в соответствии со значениями главного квантового числа n, нумерующего энергетические уровни, совпадает со шкалой полутонов в Периодической таблице (рис. 4.1)

Здесь содержится ключ к сродству того или иного элемента с другими или к отсутствию такого сродства: атомы любят заполнять свои оболочки. Хлор в этом почти преуспел: еще один электрон, и все будет в полном порядке. Даже если ему удастся обзавестись хотя бы одним электроном, переняв его от какого-нибудь иного атома, все будет лучше, чем эта зияющая брешь на 3p-подуровне. Он мог бы заимствовать одинокий электрон у Водорода и преобразиться в сильную соляную кислоту, HCl; мог бы захватить почти столь же одинокий электрон с самой внешней оболочки Натрия, занявшего третью строку Периодической таблицы, и образовать соединение NaCl, известное нам под названием поваренной соли; или мог бы даже вступить в реакцию с Калием из четвертой строки, и создать хлорид калия, KCl – заменитель соли для тех, кто находится на строгой бессолевой диете.

Обратите внимание, что у Аргона (Ar), элемента, идущего в Периодической таблице вслед за Хлором, количество протонов на один больше – и, следовательно, у него настолько же больше электронов, что позволяет ему заполнить 3d-подоболочку. Благодаря этому Аргон становится одним из надменных и самовлюбленных атомов, совершенно равнодушных к любым попыткам установить с ними контакт, поскольку его внешний подуровень заполнен и у него нет необходимости ни делиться своими электронами с другими атомами, ни перенимать электроны у них – он и так чувствует себя совершенно самодостаточным. Все элементы в самом правом столбце Периодической таблицы называются «благородными газами», что указывает на их абсолютное нежелание связываться с остальным простонародьем.

Благодаря этой системе проясняется структура трех первых строк Периодической таблицы. Электронная конфигурация у Водорода – 1s¹, у Гелия (He) – 1s²; Водород пребывает в поиске, а Гелий вполне спокоен и доволен жизнью. Следующие восемь элементов во второй строке – это Литий (1s²2s¹ – можно сказать, что он в отчаянии); Бериллий (1s²2s² – ему уже слегка получше); Бор (1s²2s²2p¹ – здесь у нас гордый одиночка); Углерод (1s²2s²2p² – может поделиться двумя электронами и взять напрокат четыре, так что есть где развернуться); Азот (1s²2s²2p³ – прекрасно сочетается с двойником: у него три электрона на самой внешней оболочке или три свободных места, в зависимости от того, как посмотреть, – вспомните это, когда дойдете до конца главы); Кислород (1s²2s²2p⁴ – будет только счастлив присоединиться к двум Водородам); Фтор (1s²2s²2p⁵ – тоскует по одинокому спутнику) и Неон (1s²2s²2p⁶ – доволен как слон). Потом мы начинаем снова, с третьей строки, где у нас оказывается Натрий (1s²2s²2p⁶3s¹ – все как у Лития и Водорода), и так далее (рис. 4.4). Итак, в столбцах Периодической таблицы обозначены атомы со сходными конфигурациями внешних электронных уровней, каждый из которых примерно одинаково стремится поделиться своими электронами или принять их от другого элемента, в то время как строки указывают на то, что мы перемещаемся на другую орбиту, расположенную дальше от ядра.

Обратите внимание, что в четвертой строке структура таблицы меняется, поскольку в действительности 4s-подуровень находится немного ниже 3d-подуровня, способного вместить 2 x (2 x 2 + 1) = 10 электронов (см. рис. 4.4). Именно поэтому четвертая строка начинается с Калия и Кальция, у которых конфигурация самой внешней оболочки, учитывая количество электронов, записывается, соответственно, как 4s¹ и 4s², а за ними следуют Скандий (…4s²3d¹), Титан (4s²3d²), другие элементы вплоть до Цинка (…4s²3d¹⁰), и лишь после этого у нас появляется Галлий с электронами на 4p-подоболочке (…4s²3d¹⁰4p¹). Пятая строка воспроизводит ту же самую модель: у элементов, с которых она начинается, есть электроны на 5s-подуровне, потом совершается переход к 4d-подуровню, и лишь после ее заполнения мы вновь возвращаемся к 5p-подуровню (см. рис. 4.4).