Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

☢ Устройство атома: 1-й электронный уровень

Main page / Живомордность / ☢ Устройство атома: 1-й электронный уровень

Содержание

    Сейчас я буду описывать современные представления о том, как электроны располагаются в атоме, или, иначе говоря, как устроены атомные электронные оболочки. Если сто лет назад эта область физики находилась в самом начале своего развития, то сейчас эти знания превратились в своего рода классику. Они не просто проверены тысячами и тысячами экспериментов, но более того — на основании этих знаний построены приборы, ставшие неотъемлемой частью нашей жизни, и эти приборы работают.

    И все же тут есть одно важное «но». Мир атома слишком сильно отличается от мира наших обыденных впечатлений. Фраза «слишком сильно» далеко не в полной мере отражает степень этих отличий. Эти отличия невероятно огромны, они даже драматичны, если иметь в виду, что любые попытки вообразить себе происходящее внутри атома обречены на непреодолимые затруднения. Но тем не менее, наука неуклонно движется вперед вопреки тому, что до сих пор человечество перенасыщено людьми, головы которых забиты религиозным бредом, и которые предпринимают все возможные усилия, чтобы вновь, как и раньше, возвысить свое мракобесие до статуса «духовности», подавляя и даже уничтожая здравый смысл и научную мысль. И на данный момент люди научились понимать даже то, что они уже не в силах себе вообразить. И для этого им очень пригодились «модели».

    Модельmodel [‘mɔdəl] ) — это схематическое изображение какого-то объекта или процесса. Например, атом мы представили себе как ядро, состоящее из твердых массивных частичек, вокруг которого по орбитам носятся электроны. Это планетарная модель атомаplanetary atom model [‘plænɪtərɪ ‘ætəm ‘mɔdəl] ): вместо звезды тут ядро, а вместо планет — электроны. Эта схема понятна, проста, легко вообразима, и во многих случаях ее достаточно для адекватного понимания тех или иных физических процессов. Но при этом, пользуясь моделями, мы обязательно должны помнить о том, что это именно модель, а не фотография, и что на самом деле атом устроен так сложно, что вообразить это мы не в состоянии. Поэтому всякая модель обычно делает для нас зримым, легко представимым лишь какой-то один аспект реальности, намеренно упуская из виду все остальные. Грамотность ученого заключается в том числе и в том, что он должен уметь пользоваться теми или иными моделями лишь там и тогда, где и когда это уместно, и при необходимости он должен или дополнять свою модель новыми элементами, или вовсе переходить от одной модели к другой. Так и мы, в предыдущей главе нарисовав модель атома, достаточную для понимания изложенного там материала, теперь должны её заменить на другую, которая будет зримо нам представлять устройство электронных оболочек атомов.

    Как нам уже известно, протоны заряжены положительно, а электроны — отрицательно. И они, таким образом, притягиваются друг к другу настолько сильно, что в итоге формируются весьма устойчивые атомы, из которых состоят многие весьма устойчивые молекулы, из которых состоят многие весьма устойчивые вещества, из которых мы можем строить весьма прочные вещи и пользоваться ими. Но если протоны и электроны с такой силой тянутся друг к другу, то что же им мешает в конце концов притянуться окончательно и слиться в экстазе? Этим вопросом сто лет назад задавались многие физики, исследующие атом, и ответа так и не нашли. И не удивительно, ведь они пользовались слишком упрощенной, планетарной моделью атома. Поняв это, они решили модель изменить таким образом, чтобы она соответствовала экспериментальным данным. Опираясь на эксперимент, физики дополняли и усложняли модель атома, и сейчас мы узнаем — что у них получилось, взяв для примера лишь атомы самых простых элементов с небольшим количеством протонов и электронов.

    1. Новая модель представляет собою атомное ядро, окруженное несколькими орбитами, и электроны могут находиться только на них. Находиться между орбитами они не могут, у них нет такой физической возможности. Поэтому такие орбиты еще называют «стационарными орбитами». Еще их называют «уровнями» — позже будет ясно, почему. В дальнейшем будем придерживаться последнего варианта их обозначения: «уровни».

    2. На первом, самом ближайшем к ядру уровне, может находиться максимум 2 электрона. На нем может не быть электронов вообще, или там может быть один электрон, как в атоме водорода, или два, как в атоме гелия, но например 3 или 4 электрона там быть не могут точно.

    3. Первый уровень мы можем графически изображать как сферу вокруг ядра атома. Электроны могут находиться в любой точке этой сферы. В упрощенных, двумерных моделях, первый уровень изображается как окружность, в центре которой находится ядро.

    4. На втором уровне любого атома может находиться максимум 8 электронов. Позже станет ясно — почему именно 8, а пока я предлагаю просто это принять к сведению.

    Пользуясь этой моделью, мы можем теперь указать несколько закономерностей в поведении атомов, которые очень важны. Первая из них — это стремление электронов занимать более близкие к ядру уровни. Это можно легко представить, пользуясь аналогичным примером из нашего макромира. Если положить мяч на склон холма, то он будет притягиваться к центру масс Земли, и это притяжение заставит его скатиться вниз настолько, насколько это для него возможно — на площадку перед холмом. Электроны ведут себя аналогично: протоны их притягивают, и они спрыгивают на самые нижние уровни, если это только возможно. Такое поведение материальных систем называют стремлением к минимуму энергии. В принципе, такое явление нам отлично знакомо. Например, когда я поднимаю с Земли мяч, кладу его на склон холма и отпускаю, он в результате притяжения Земли катится вниз: система «Земля-мяч» тоже стремится к минимуму энергии. В последующих четырех абзацах я объясняю это более подробно.

     

    Когда я поднимаю мячик и кладу его на склон холма, он, благодаря наличию силового гравитационного поля Земли, притягивающего его, получает в этом поле потенциальную энергию, а скатываясь вниз — отдает ее тем или иным образом, например эта энергия может выделиться в виде тепловой энергии, когда он скатится вниз, ударившись о землю. То есть система «Земля-мяч» стремится к возможному минимуму энергииenergy [‘enəʤɪ] ), и мячик скатится так низко, как сможет. Аналогично дела обстоят и в атоме.

    Если я захочу поднять ведро с водой на вершину холма, то мне надо будет потратить для этого энергию — взять ведро и, преодолевая влияние гравитационного поля Земли, поднять наверх. Мы говорим, что поднимая воду, я совершил работу против направления силового поля гравитации, которое тащит ведро вниз. Совершая работу против направления силового поля, я трачу энергию, но энергия никуда в природе не пропадает — она переходит из одного состояния в другое, поэтому если мы рассматриваем систему «Земля-ведро» в состоянии, когда ведро стоит под холмом, и в состоянии, когда я уже поднял его на вершину, то мы говорим, что во втором случае система «Земля-ведро» приобрела дополнительную энергию — ту самую энергию, которую я потратил, чтобы поднять его наверх. Эта энергия при случае может высвободиться снова — например, если вода, стекая вниз, будет крутить лопасти турбины.

    raketa

    В том примере, который я рассматриваю, энергия, изначально запасенная в моих мышцах в виде химической энергии белков, жиров и углеводов, была мною потрачена на подъем ведра. При этом она перешла в так называемую «потенциальную энергию в гравитационном поле Земли» стоящего на вершине холма ведра с водой. Когда ведро опрокинется и вода выльется на турбину, потенциальная энергия воды превратится в электрическую энергию в результате работы турбины.

    На фотке справа мы видим, как ведро покидает земную атмосферу (для этого его поместили на ракету): запасенная в ракетном топливе химическая энергия в результате процессов горения превращается в кинетическую энергию вырывающихся из сопла ракеты расширяющихся газов, и эта кинетическая энергия частично превращается в потенциальную энергию ракеты, которая поднимается все выше и выше против направления действия силы тяготения Земли.

     

    helium-atom

    Рассмотрим атом гелия ( helium [‘hiːlɪəm] ). В периодической таблице элементов он стоит под номером 2, что соответствует тому, что в его ядре ровно два протона. Обычно в ядре гелия есть ещё и два нейтрона, но это сейчас неважно, так как количество нейтронов никак не влияет ни на что из того, что мы будем рассматривать. Раз у гелия два протона, значит в обычном, неионизированном и спокойном состоянии, у него есть и ровно два электрона, которые, в соответствии с принципом стремления системы к минимуму энергии, находятся именно на первом, ближайшему к ядру уровне. Это не значит, что второго, третьего и четвертого уровня в атоме гелия нет. Они там есть, как и у любого другого атома. Есть и десятый и двадцатый уровни, но чтобы электрон перепрыгнул на более высокий уровень, его надо, как ракету или ведро с водой, чем-то туда подтолкнуть. Это происходит, к примеру, когда в электрон попадает квант света — фотонphoton [‘fəutɔn] ), обладающий ровно тем количеством энергии, которое нужно, чтобы электрон попал на один из более высоких уровней.

    Здесь надо еще знать, что если энергии у фотона будет чуть больше или чуть меньше, чем надо для перехода электрона на какой-то конкретный из вышележащих уровней, то электрон попросту не сможет эту энергию поглотить и куда-то прыгнуть. Хочется продемонстрировать это какой-то понятной моделью… ну вот представим себе вертикальную стену, в которой на разных высотах проделаны отверстия. Если мы придадим шарику ровно столько энергии, чтобы он долетел в точности до одного из этих отверстий, то он туда и закатится и останется там лежать, а вот если энергии будет чуть меньше или чуть больше, то шарик попросту ударится о стену и вернется обратно, на землю. В отличие от такого шарика электрон поступает немного иначе — он вообще не способен принять такую порцию энергии (иначе говоря — «квант энергии» или просто «квант» ( quantum [‘kwɔntəm] )), которая не равна в точности тому количеству, которое ему нужно, чтобы оказаться на одном из более высоких уровней, потому что он просто не способен оказаться «между уровнями» — это специфика атомной физики.

    Если же в электрон попадёт квант подходящей энергии, то электрон эту энергию с удовольствием примет и перескочит на более высокий уровень. Но (вспоминаем скатывающийся с холма шарик) долго он там находиться не сможет, поскольку система стремится к минимуму энергии, и поэтому практически моментально электрон снова возвращается так близко к ядру, как только может — на самый нижний, самый ближний к ядру уровень, где еще есть для него свободное место. При этом он отдаёт излишек энергии в виде точно такого же кванта света, который он поглотил, и этот фотон снова куда-то дальше полетит.

    vodorod_model

    Все то же самое касается и самого простого атома — водорода. Один протон и один электрон. В обычном состоянии электрон находится на первом уровне, а поглощая энергию фотонов, может перескакивать выше и возвращаться обратно. И тем не менее, с точки зрения биохимии между атомами водорода и гелия есть очень принципиальная разница. По причинам, о которых будет написано позже, гелий является таким элементом, которому нет никакого дела до химии. Нет ему дела и до биологии, и до генетики, и даже до меня нет ему дела. Он попросту никаким образом не участвует в жизни клеток и микроорганизмовmicroorganism [maɪkrə’ɔːgənɪzm] ) — не входит в состав сложных молекул, не участвует в метаболизме. Он, как бы сказать, существо возвышенное, причем в прямом смысле слова. Занимая предельно нейтральную позицию в том, что касается органической жизни, он, наряду с водородом, является главным веществом звезд. Можно с устраивающей нас сейчас точностью сказать, что подавляющее большинство звезд и состоит в основном из водорода и гелия.

    А вот водород принимает огромное участие в нашей жизни, степень которого трудно переоценить. Он входит в главную четверку атомов жизни: кислородoxygen [‘ɔksɪʤən] ), углерод, водород, азотnitrogen [‘naɪtrəʤən] ). И поэтому, если физические параметры атома гелия нас интересуют сейчас очень мало, то относительно атома водорода целесообразно узнать как можно больше в силу его огромной роли в жизнедеятельности организмов. Пока что я предлагаю запомнить хотя бы один его параметр — его физический размер, а заодно мы скажем нечто важное о размерах вообще.

    Точно так же, как бессмысленно «вешать» протон в килограммах, бессмысленно и измерять его диаметр метрами. Миллиметр тоже не подойдет. Нам нужны специальные меры длины. В книгах по генетике и микробиологии часто используются две меры. Это ангстрем и нанометрnanometer [‘nanəˌmitər] ). Я предлагаю использовать только одну из них, чтобы не было путаницы, поэтому про ангстрем забудем, указав лишь, что обозначается он значком Å, и что 10 ангстрем равняются одному нанометру.

    Приставка «нано-» одначает «одна миллиардная часть», поэтому один нанометр равен одной миллиардной части метра или, если так приятней, одной миллионной части миллиметра. Представить себе миллиметр очень легко, и вот от него надо взять одну миллионную часть… одну десятую миллиметра еще можно представить, а одну миллионную — уже никак. Кратко нанометр обозначается как «нм».

    Диаметр спокойного, невозбужденного атома водорода (то есть такого, где электрон спокойно сидит на первом уровне) с устраивающей нас точностью равен 0.1 нм. То есть если десять атомов водорода разместить в линию, то как раз получится 1 нм. В физике для обозначения радиуса невозбужденного атома водорода есть специальный термин: «боровский радиус» ( Bohr radius [bɔr ‘reɪdɪəs] ). Понятно, что радиус равен половине диаметра: 0.05 нм.

    Сравним размеры атома водорода с чем-нибудь таким небольшим в клетке. Например, ядро клетки окружено специальной оболочкой — ядерной мембраной, а в ней есть специальные поры — ядерные поры. Предназначены они для того, чтобы транспортировать туда-сюда разные молекулы. Внутренний диаметр такой поры — около 40 нм., так что атом водорода в 400 раз меньше. В общем, пора оказалась довольно широкой. А вот диаметр двойной спирали ДНК равен всего лишь 2 нм. — это лишь двадцать атомов водорода, выстроенных в цепочку! Отсюда можно понять, насколько исключительно микроскопически тонкой является спираль ДНК.

    В следующей главе, посвященной атомной физике, мы рассмотрим второй, третий и четвертый уровни вокруг ядра. Они устроены сложнее и необычнее первого, и потребуется дополнительное время, чтобы с удовольствием в этом разобраться. Напоминаю, что эти знания совершенно необходимы для того, чтобы понимать природу химических связей между атомами и молекулами.

    (Автор статьи: Бодх)