Текст книги "Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом"

Автор книги: Дэвид Хелфанд

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 21 страниц) [доступный отрывок для чтения: 8 страниц]

Элементы в столбцах слева в высшей степени активны химически. Водород легко взрывается (прекрасный пример – катастрофа «Гинденбурга»²), а Литий (Li), Натрий (Na) и Калий (K) полыхнут пламенем, если уронить их в пробирку с водой. Они любят соединяться с элементами из предпоследнего столбца справа, которые тоже охотно вступают в химические реакции, и предпочитают формировать очень стойкие сложные соединения, например соль (NaCl). Но элементы, занявшие самый правый столбец, никакими «уговорами» не объединить ни с их соседями, ни с любым другим элементом таблицы³. Чтобы понять, почему поведение различных групп атомов столь радикально отличается, нам потребуется представить модель Нильса Бора в количественном отношении и рассмотреть квантовую природу атомного мира.

Рис. 4.1. Периодическая таблица химических элементов. Показаны атомные номера и символы для каждого из 118 типов атомов. Шкала полутонов и толщина контуров призваны проиллюстрировать природу электронных оболочек, речь о которых пойдет ниже. В самом левом столбце каждая строка обозначает начало нового энергетического уровня, но n = 3 и n = 4 частично совпадают (иными словами, за элементом под номером 18, Аргоном [Ar], имеющим три электронные оболочки [n = 3], следуют Калий [K] и Магний [Mg], у которых по четыре электронных оболочки [n = 4], после чего у элементов 21–30 вновь n = 3). Совмещения усложняются по мере того, как мы движемся все дальше, вследствие чего строки 57–71 и 89–103 располагаются в самом низу таблицы. Подробнее см. рис. 4.3 и 4.4

Как мы отмечали в третьей главе, электроны не похожи на планеты (равно как и на уменьшенные песчинки). Они действуют в квантовом мире, и это означает, что их поведение представляет собой сочетание тех свойств, которые мы приписываем частицам, а также тех свойств, которые мы приписываем волнам. И частицы, и волны могут передавать энергию (эту концепцию мы более подробно изучим в дальнейшем) из одного места в другое. Если я брошу вам бейсбольный мяч, а вы его поймаете, то вы почувствуете боль из-за кинетической энергии (энергии движения), которую я сообщил мячу, совершив бросок. По мере того как частица перемещается с места на место, она переносит с собой энергию. Точно так же ее переносит и волна, хотя в этом случае в движении какого-либо вещества от меня к вам нет необходимости. Если мы оба возьмемся за концы веревки, я могу резко дернуть свой конец вверх и вниз, и волна, прошедшая через веревку, передаст это движение вашей руке, в то время как частицы веревки, которые я держу в своей ладони, останутся на месте.

Рис. 4.2. На рис. а полная длина волны умещается между двумя закрепленными концами струны. На рис. б между ними умещаются две полных длины волны (обертон на октаву выше). Но на рис. в и г мы видим, что иные длины волн – слегка увеличенная и слегка укороченная – невозможны, поскольку нарушается условие, согласно которому концы струны должны оставаться неподвижными

Рамка 4.1. Уровни энергии Водорода

Длина волны частицы в квантовой механике определяется как h/mv, где m – это масса частицы, v – ее скорость, а h – постоянная Планка = 6,63 × 10^–34 Дж·c.

Радиус орбиты электрона в атоме Водорода: r = 5,29 × 10^–11 м

Масса электрона: m = 9,11 × 10^–31 кг

Скорость электрона на орбите: v = 2,18 × 10⁶ м/с (примерно 0,7 % скорости света)

Таким образом, длина волны электрона составляет:

6,63 × 10^–34 Дж·c / (9,11 × 10^–31 кг × 2,18 × 10⁶ м/с) = = 3,3 × 10^–10 м

Длина окружности орбиты электрона составляет 2π × 5,29 × 10^–11 м, что в точности равняется длине волны электрона в квантовой механике – орбита определяется одной целочисленной волной, охватывающей ее пределы.

Кинетическая энергия электрона = ¹/₂ mv² = ¹/₂ × 9,11 × × 10^–31 кг × (2,18 × 10⁶ м/с)² = 2,16 × 10^–18 Дж.

2,16 × 10^–18 Дж × 1 эВ / 1,6 × 10^–19 Дж = 13,6 эВ, это и есть энергия связи на энергетическом уровне с номером n = 1 для H.

Длина волны электрона на энергетическом уровне с номером n = 2 точно в два раза больше, и вследствие этого то же самое справедливо для длины окружности его орбиты, благодаря чему радиус можно выразить как 2r. Напряженность электрического поля ослабевает как 1/квадрат расстояния, так что 1/(2r)² = ¼ от энергии связи на энергетическом уровне с номером n = 1; то есть 1/(2r)² = = 13,6 эВ/4 = 3,4 эВ.

Это означает, что при переходе с n = 2 на n = 1 выделяется энергия, равная разнице в 10,2 эВ, что мы и наблюдаем.

Таким образом, при n = 3 => 13,6 эВ/9 = 1,51 эВ; при n = 4 => 13,6 эВ/16 = 0,85 эВ и так далее (см. рис. 4.5).

Любую волну описывают две количественные характеристики – расстояние между двумя смежными гребнями (длина) и стремительность, с которой волна движется вперед (скорость). Если закрепить концы струны, скажем, между нижним порожком гитары и вашим пальцем, прижимающим ее на определенном ладу гитарного грифа, в этот интервал смогут встроиться лишь определенные длины волн, соответствующие «ноте», которую вы решите сыграть (см. рис. 4.2). Если удвоить длину струны, вы получите ноту на октаву⁴ ниже, поскольку теперь в промежутке идеально умещается волна вдвое большей длины.

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 = + ½ или s = – ½.

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 × (2l + 1) электронов, где первая «2» призвана указать на один электрон со спином +½ и один со спином —½, 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 × (2l + 1) электронов. Стрелки (указывающие вверх или вниз) соответствуют допустимым спиновым квантовым числам (s = +½ или s = —½). 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 × (2 × 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).

Рис. 4.4. Строение электронной оболочки, представленной на рис. 4.3, для девяноста четырех элементов, встречающихся в природе. Каждый электрон отмечен символом элемента, у которого он оказывается самым внешним (также указаны атомные номера). Например, у Алюминия (Al) 13 электронов, и самый внешний находится на 3p-подуровне, о чем свидетельствует запись 3p¹. Шкала полутонов и толщина линий совпадают с рис. 4.1 и 4.3

В шестой строке все становится еще сложнее, поскольку 4f-подуровень (способный содержать до 14 электронов) вкрадывается между 6s-подуровнем и 5d-подуровнем, вследствие чего за Барием (…6s²) следуют четырнадцать так называемых «лантаноидов» (отмеченных в таблице астериском), а потом располагаются Лютеций (…5d¹) и Гафний (…5d²). Эта система повторяется в седьмой строке после 88-го элемента (Радий, 7s²). Сюда украдкой пробирается Актиний со своим электроном (5f¹), а вслед за ним мы находим пять самых тяжелых элементов из всех, какие только встречаются в природе, и еще двадцать четыре, которые нам удалось создать (впрочем, лишь на краткое время) в лаборатории. Срок существования первых пяти искусственно произведенных элементов варьируется от нескольких столетий до года, следующие девятнадцать живут от нескольких месяцев до всего лишь кратких миллисекунд, и неудивительно, что ни один из них не продается в сети Walmart. В теории остров стабильности предполагается у 126-го элемента, но если учесть, что нынешний рекордсмен, Оганесон, располагается в таблице под номером 118, а срок его существования составляет меньше двух десятых долей секунды, то добраться до этого острова, вероятно, будет невозможно.

Правила, изложенные выше, могут на первый взгляд показаться произвольными, но у них есть реальные основания в нашей математической модели квантового мира, и они позволяют нам предсказывать закономерности поведения, отраженные в Периодической таблице химических элементов. Однако для наших целей нам, по большей части, не нужны подробности, о которых нам известно благодаря постижению квантовой механики. Нам необходима модель, которая бы позволила рассчитывать срок жизни атомов, использовать его в наших интересах и интерпретировать. Принципы, о которых мы говорили в этой главе, дают для этого основу, и чтобы применить их в воссоздании истории, нам нужно лишь понять, как они связаны с понятием энергии.

Энергия

Энергия – это фундаментальная концепция в построенных нами моделях материального мира, и она неразрывно связана с атомами в том виде, в каком мы пытаемся осмыслить их суть. В отличие от некоторых других терминов, принятых в физике, формальное определение энергии очень близко к тому значению, в каком мы используем это слово в повседневной речи: энергия представляет собой способность совершать работу – толкать или тянуть; производить движение, сопротивляться ему или менять его скорость или направление; преображать вещество из одной формы в другую. Огромная практическая польза нашего представления об энергии заключается в том, что, хотя энергия и предстает во множестве обликов и охотно меняет формы, ее нельзя ни создать, ни уничтожить. В физике мы говорим о том, что энергия сохраняется.

В каждом из четырех фундаментальных взаимодействий проявляются разные формы энергии. Гравитация заставляет объекты, обладающие массой, приближаться друг к другу. Каждая частица, присутствующая на Земле, притягивает все остальные земные частицы, поэтому мы говорим, что наша планета обладает гравитационной энергией – и эта энергия эквивалентна той, которая необходима, чтобы разобрать ее, частица за частицей, и направить все эти частицы в бесконечность. Именно такое количество энергии высвободилось в то время, когда все планетезимали ранней Солнечной системы срослись и сформировали Землю. Остаток этой энергии сегодня проявляется во внутренней температуре нашей все еще остывающей планеты, равной 6000 К. Если вы, удерживая какой-нибудь предмет над поверхностью Земли, отпустите его, он упадет «вниз»; таким образом, он обладает потенциальной гравитационной энергией, поскольку притягивается к центру Земли (именно так определяется направление «вниз»). Плотины ГЭС и водяные мельницы работают, захватывая эту потенциальную энергию по мере того, как вода, устремляясь вниз, рождает электричество или вращает водяное колесо.

Электромагнитное взаимодействие проявляет энергию самыми разными способами. Благодаря ему вращается стрелка компаса, а высокоэнергичные частицы, излученные Солнцем, наводятся на Северный полюс, рождая северное сияние. Колебания электронов в проводах заряжают наши фонарики и телефоны и вращают колеса электропоезда. Свет – это высшая форма электромагнитной энергии, волна колеблющегося электрического и магнитного поля, которая мчится сквозь пространство со скоростью в 300 000 км/с (см. рамку 4.2, где кратко описаны длина волны света, энергии и соответствующие температуры). Две частицы, одна из которых характеризуется положительным зарядом, а другая отрицательным, притягивают друг друга и, по аналогии с гравитацией, обладают потенциальной электрической энергией, когда находятся во взаимном отдалении, и электрической энергией связи, когда соединены. Энергия, которая высвобождается (или поглощается), когда атомы меняют свое взаимное расположение, чтобы сформировать (или расщепить) молекулы, – тоже электромагнитная по своей природе, – называется химической энергией.

Ядерные взаимодействия, уже из названия которых следует, что они ограничены масштабами атомного ядра, безраздельно господствуют в своем «царстве» и производят энергии связи, сила которых невероятна и которые, при высвобождении, могут порождать высокоскоростные частицы или фотоны и преображать атомы того или иного рода в другой. Даже масса как таковая представляет собой форму запасенной энергии, и если она высвобождается при встрече частиц вещества и антивещества или при образовании нового атомного ядра, при этом может выделиться огромное количество энергии, что отражено в знаменитом уравнении Эйнштейна E = mc², где m – масса, а c – скорость света. И Солнце, и атомные электростанции – это примеры преобразования массы в энергию.

Как мы отмечали в третьей главе, тепло – это тоже форма энергии, представленная движением частиц, из которых состоит вещество. Такая энергия движения как на микроскопическом (колеблющиеся атомы), так и на макроскопическом (мчащийся пассажирский поезд) уровне называется кинетической энергией и равна произведению половины массы движущегося объекта на квадрат его скорости (Ek = ½ mv²).

Рамка 4.2. Электромагнитный спектр

У электромагнитной волны энергия обратно пропорциональна длине волны (чем короче длина волны, тем быстрее колебания, и это, в свою очередь, свидетельствует о большей энергии). В частности:

E = hc/λ, где обозначено следующее:

E = энергия волнового пакета, так называемого фотона (в джоулях)

h = постоянная Планка, основная константа природы = 6,63 × 10^–34 Дж·c

c = скорость света, еще одна константа, в вакууме равная 3 × 10⁸ м/с

λ = длина волны света (расстояние между двумя соседними гребнями)

Для процессов, происходящих на атомном уровне, несколько практичнее выражать энергии не в джоулях, а в электронвольтах, эВ:

1 эВ = 1.6 × 10^–19 Дж; 1 кэВ = 10³ эВ; 1 МэВ = 10⁶ эВ

Любой объект, температура которого выше абсолютного нуля, испускает электромагнитное излучение с длиной волны, обратно пропорциональной температуре. Чем выше значение T, тем быстрее движутся частицы и тем меньше, в свою очередь, длина волны λ:

λ_max = 0,0029 м/T [K], где:

λ_max = пик спектра, где излучается максимальное количество энергии

0,0029 м = константа, используемая для того, чтобы получить результат в метрах

T [K] = температура, измеренная в кельвинах.

Спектр (в каком-то смысле произвольно) разделен на неравные доли, которым присвоены различные имена, хотя, в сущности, это непрерывный диапазон, не ограниченный ни с какой стороны.

В то время как для измерения всех остальных физических свойств американцы (и жители Бермудских островов) используют устаревшие английские единицы (дюймы, футы, мили, фунты, кварты и так далее), для энергии даже в Америке приняли метрическую систему. Самая известная единица ее измерения – это калория, которую можно найти на этикетках, маркирующих пищевые продукты от мороженого до сырных палочек. Одна килокалория (именно в них измеряется калорийность, и исторически они назывались «большими» калориями, а в английском обозначаются с заглавной C, Calorie⁵) – это мера энергии, необходимой для того, чтобы повысить температуру 1 литра воды на 1 °C (как видите, везде метрическая система). Таким образом, количество килокалорий, указанное на этикетках, – это мера химической энергии, запасенной в упаковке, и как только вы переварите всю еду, заключенную в эту упаковку, энергия высвободится в форме тепла, пойдет на формирование жировых клеток и так далее.

Скорость, с которой используется энергия, называется мощностью, и привычная нам единица измерения мощности также метрическая – это ватт. 1 ватт призван обозначить энергию в 1 джоуль, использованную за 1 секунду, где джоуль (выводимый из формулы кинетической энергии, равной произведению массы на квадрат скорости) равен 1 кг м²/с²; примерно столько энергии тратит килограммовая курица на спокойное перемещение. В одной килокалории 4184 Дж (этот странный коэффициент появился в результате того, что калориям давали самые разные определения – сложно усмотреть очевидную равноценность, сравнивая нагрев воды и куриную прогулку).

Большая часть килокалорий, потребляемых вами, идет на то, чтобы повысить вашу температуру, подняв ее с той, которая характерна для окружающего пространства (примерно 20 °C), до той, при которой ваше тело работает наилучшим образом (37 °C). Поскольку ваше тело по большей части состоит из воды, то легко рассчитать, что при массе, скажем, в 65 кг для достижения этой цели – иными словами, для увеличения температуры на 37° – 20° = 17 °C – потребуется 1100 ккал. И вдруг оказывается, что в пинте мороженого «Бен и Джерри» как раз 1100 ккал (это указано прямо на этикетке). Так что же, выходит, вам нужно просто съесть пинту «Бен и Джерри», и все будет хорошо?

Это было бы правдой, если бы вы не теряли энергию на обмен с окружающей средой, а также если бы она не требовалась вашему сердцу, чтобы прокачивать кровь по телу, и если бы ваши нейроны не пребывали в крайнем возбуждении по мере того, как вы читаете эти строки. На самом деле для того, чтобы сохранять температуру вашего тела в ее оптимальном рабочем диапазоне при условии постоянного излучения энергии, и для того, чтобы поддерживать все остальные функции вашего тела, вы используете энергию примерно с той же скоростью, с какой ее использует 100-ваттная электрическая лампочка: 100 джоулей в секунду. Это означает, что ваша общая потребность в энергии за день составляет 100 Дж/с × 60 сек/мин × × 60 мин/ч × 24 часа/день = 8 640 000 Дж. Если мы переведем это в килокалории, то получим 8 640 000 Дж × 1 ккал/4184 Дж = = 2065 ккал в день, – примерно столько вы и получаете при стандартной диете.

Энергия, которая поддерживает в вас жизнь, прошла долгий и богатый событиями путь. Изначально, сотни тысяч лет назад, она была испущена в ходе ядерной реакции, происходившей в недрах Солнца, тысячи лет блуждала в его глубинах, потом вырвалась на свободу с его поверхности, в виде света помчалась к Земле, достигла ее меньше чем за восемь минут, потом ее впитал лист растения, чтобы запустить фотосинтез и сформировать химические связи, потом этот лист склевала курица и энергия, заключенная в нем, преобразилась в мясистое крылышко, а это крылышко, в свою очередь, съели вы, и у вас в животе химические связи вновь перестроились, породив согревшее вас тепло – иными словами, формы энергии, от ядерной и электромагнитной до химической и кинетической, выглядят совершенно по-разному, но ее величина остается неизменной.

Энергия связи электрона

Теперь, когда мы уплели пинту «Бена и Джерри» и поняли, что такое энергия, мы можем вернуться к электронам, движущимся в атомах по четко заданным образцам, и посмотреть, как они взаимодействуют со светом, с соударяющимися частицами и с соседними атомами, с которыми они, с той или иной степенью вероятности, могли бы объединиться и образовать молекулы.

Каждая из электронных оболочек и подоболочек, о которых мы говорили выше, соотносится с определенным количеством «энергии связи». Поскольку сила электрического притяжения ослабевает с увеличением расстояния, электроны, расположенные ближе всего к ядру, связаны наиболее прочно. Мы исчисляем эти взаимодействия, определяя энергию связи как равную той энергии, которая потребовалась бы, чтобы полностью освободить электрон из атома; такой процесс называется «ионизацией», а атом, который в результате получает заряд, – «ионом». Поскольку есть все логические основания назвать электрон с нулевой энергией связи свободным (он ведь не давал клятву верности своему бывшему спутнику-ядру), мы характеризуем энергии связи как отрицательные; иными словами, нам, чтобы получить ноль, нужно прибавить энергию к отрицательной величине.

Схема энергетических уровней Водорода показана на рисунке 4.5. Электрон в 1s-состоянии обладает энергией связи –13,6 эВ (см. рамку 4.1), где эВ обозначает «электронвольт»; 1 эВ – это крошечное количество энергии, подходящее для разговора об отдельных атомах и их составляющих, и он равен 1,6 × 10^–19 Дж. Если бы я сообщил этому электрону Водорода +13,6 эВ, он стал бы свободным (ионизированным). Если бы я сообщил ему +14 эВ, то он бы сперва использовал первые +13,6 эВ, чтобы освободиться, а потом ускользнул бы с кинетической энергией 0,4 эВ. Если бы я сообщил ему 25 эВ, он бы умчался прочь со скоростью 2000 км/с и через секунду прибыл бы из Нью-Йорка в Миннеаполис.

Энергию к беспокойному электрону можно передать двумя способами. Если достаточно близко промчится фотон с энергией, равной 14 эВ, электрон может захватить его, уничтожить и преобразовать его электромагнитную энергию в кинетическую, необходимую для высвобождения. Есть и альтернатива: с атомом может столкнуться другой атом, молекула или субатомная частица, скажем, еще один электрон; опять же, если его кинетическая энергия больше чем 13,6 эВ, электрон может высвободиться.

Любой фотон или соударяющаяся частица, энергия которой не доходит до 13,6 эВ, вероятнее всего, просто пройдет мимо атома или отскочит, ничего не изменив. Впрочем, пусть даже у атома Водорода всего один электрон на 1s-подуровне, более высокоуровневые оболочки все же существуют, и если освещающий фотон или соударяющаяся частица будут обладать как раз подходящим количеством энергии, электрон может перейти в «возбуждение» и перескочить из основного состояния на один из более высоких уровней. Например, если рядом промчится фотон, имеющий точно 10,2 эВ, он, скорее всего, будет захвачен и уничтожен, поскольку именно такое количество энергии требуется электрону, чтобы перескочить на 2s-подуровень, оставив 1s-подуровень временно пустым. В случае, если с электроном соударяется частица, ее кинетическая энергия просто должна быть больше чем 10,2 эВ, поскольку электрон может вобрать необходимое ему количество, а вторгшаяся частица – отскочить и унести остаток энергии с собой. Отлетающая частица уже будет двигаться медленнее, поскольку отдала часть своей энергии электрону, поэтому такое столкновение мы называем неупругим (поступившая энергия не равна выделенной, потому что ее отчасти поглотил электрон, см. рис. 3.4).

Рис. 4.5. Схема энергетических уровней для атома Водорода, показывающая энергии связи на различных n-уровнях (подуровни не указаны в целях простоты). Электрон может поглотить энергию соударяющейся частицы или пакета световых волн, если кто-либо из них обладает достаточным количеством энергии, чтобы помочь электрону подняться на один из допустимых верхних уровней. Когда электрон вновь опускается вниз, он либо рождает свет, либо сообщает соударяющейся частице дополнительную энергию в количестве, соответствующем разнице в энергии между уровнями. Уровень, помеченный как 0 эВ, соответствует электрону, утратившему все связи с ядром; этот процесс мы называем ионизацией

Теперь электрон на 2s-подуровне Водорода находится в «возбужденном» состоянии. Электрон – частица в какой-то мере простая, и это состояние у него длится недолго. Если оставить его в покое, то в среднем через 0,125 секунды он снова перескакивает обратно в основное состояние, на 1s-подуровень. Этот соскок производит энергию, и появляется возможность унести ее в форме фотона с энергией 10,2 эВ – возбужденный атом может создать свет. Кроме того, это свет с очень специфической энергией, уникальной для разделения энергетических уровней в атоме каждого вида, и это позволяет нам распознавать атомы Водорода, Гелия и Углерода по всей Вселенной.