Чудесная молекула

2.8. Воздух, которым мы дышим

Молекулы, из которых состоит воздух

 

Как правило, наиболее простыми молекулами являются те, между которыми существуют самые слабые связи, т.е. никаких химических связей, никаких водородных мостиков и даже никакого притяжения между электрическими зарядами противоположного знака, которые могли бы нести две молекулы. Такие молекулы — среди них молекула азота (два атома азота, связанные тройной связью) и молекула кислорода (два атома кислорода, связанные двойной связью) — вообще нельзя упаковать. Они остаются на большом удалении друг от друга и образуют пар или газ.

Схематическое изображение расположения молекул в воздухе, которым мы дышим

 

Воздух, которым дышат обитатели Земли, — это смесь, в которой на три молекулы азота приходится одна молекула кислорода. Изредка попадаются более редкие атомы, например атомы аргона. В противоположность твердым телам и жидкостям, газы и воздух в основном пусты: расстояние между двумя соседними молекулами почти в пятьдесят раз превышает размеры самих молекул. И к тому же молекулы постоянно меняют свое положение, перемещаясь с большой скоростью.

3. Застывшие волны (электроны внутри атома)

3.1. Застывшая волна электрона — ключ к индивидуальности атома

Обратимся теперь к природе атома. Его можно представить себе в виде мясистого плода: если разрезать мякоть, то в центре мы увидим ядро. Хотя ядро очень мало (одна стотысячная диаметра атома), оно гораздо тяжелее, чем мякоть. И все же именно эта удивительная мякоть определяет почти все свойства атома.

"Мякоть" состоит из электронов. В окружающем нас мире нет ничего, что мы могли бы сравнить с электроном, потому что он двулик. Иногда электрон ведет себя как маленькая частица, которая быстро движется через весь атом-плод, проходя через определенные места чаще, чем через другие. А иногда, как показал французский физик де Бройль, электрон ведет себя — и именно так мы будем его здесь представлять — как волна, но волна очень своеобразная, в некоторой степени застывшая. Возьмем веревку и будем встряхивать ее за один конец. Если в какой-то момент сделать фотографию веревки, то на ней можно будет увидеть волну, распространяющуюся в одном направлении — вдоль веревки. Волна состоит из гребня (на рисунке синий) и впадины (голубая). Морские волны образуются и распространяются по поверхности в двух горизонтальных направлениях. Амплитуда волны в данный момент-гребень, впадина или зона покоя — измеряется по вертикали. А вот "застывшая электронная волна" имеет три измерения, и ее описывают, изображая объем, в котором находится волна. Мы увидим, что эти объемы могут принимать самые разнообразные формы. А для того чтобы различать гребни и впадины, потребовалось бы четвертое измерение. Гораздо проще окрасить волну: гребень синим, а впадину — голубым.

Плоская одномерная волна (например, веревка), колебание распространяется по горизонтали. По вертикали измеряется амплитуда волны

 

И еще одна особенность: в противоположность морским волнам, волна электрона никуда не бежит. Это — застывшая волна, окаменевшее колебание. Форма волны, которая является результатом тонкого равновесия естественных сил внутри атома, остается неизменной, стационарной.

Двумерная волна (морская волна), колебания распространяются в двух направлениях по горизонтали. И в этом случае амплитуда волны измеряется по вертикали

 

Эти застывшие электронные волны хранят ключ к индивидуальности атомов: форма волн определяет возможные связи с другими атомами, и своими гребнями и впадинами они дают как бы инструкции атомам во время реакции.

3.2. Волны в форме шара

Самые простые волны имеют форму шара. На определенном расстоянии от центрального ядра амплитуда такой волны одинакова в любом направлении. Шарообразная волна может состоять только из гребня или из серии гребней и впадин, сменяющих друг друга по ходу образования волны от центра к периферии.

Шарообразные волны в разрезе. Эти застывшие волны различаются числом застывших гребней и впадин (А — для единственного электрона атома водорода; Б — для третьего электрона атома лития; В — для одиннадцатого электрона атома натрия)

 

У атома водорода один электрон, и этот единственный электрон занимает одну шарообразную волну, состоящую только из гребня. Третий электрон в атоме лития — внешний — представляет собой как бы кожуру атома — плода и тоже находится в шарообразной волне. Но у этой волны кроме гребня есть и впадина. У атома натрия внешний одиннадцатый электрон также образует волну — шар, только уже двойную, в которой гребни и впадины чередуются с зонами покоя.