Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева

До сих пор мы с вами говорили лишь об электронных связях, то есть о движении электронов между атомами. Но электроны постоянно вращаются и вокруг ядра своего родного атома, это движение часто сравнивают с вращением планет вокруг Солнца. Это довольно хорошая аналогия, но если воспринимать ее буквально, то в ней обнаруживается серьезный недостаток. Теоретически Земля могла оказаться на одной из многих орбит, расположенных вокруг Солнца. Электроны же не могут двигаться вокруг ядра по любому пути. Они находятся на электронных оболочках, имеющих различные энергетические уровни. Поскольку не существует промежуточных энергетических уровней – например, между первым и вторым или вторым и третьим, – орбиты электронов строго детерминированы. Они вращаются вокруг своего «Солнца» лишь на определенных расстояниях, их орбиты имеют вытянутые формы и расположены под странными углами. Кроме того, электрон, в отличие от планеты, может переходить с нижней низкоэнергетической орбиты на более верхнюю и высокоэнергетическую, если она свободна и если сам электрон находится в возбужденном состоянии (в которое он переходит под действием тепла или света). Электрон не может оставаться в высокоэнергетическом состоянии достаточно долго, поэтому вскоре он «падает» обратно вниз. Но это не простое движение «вперед-назад», так как электрон, опускающийся на более низкий энергетический уровень, излучает лишнюю энергию в виде света.

Цвет испускаемого света зависит от относительной высоты начального и конечного энергетических уровней, между которыми перемещается электрон. Переход между двумя близко расположенными уровнями (например, вторым и первым) дает низкоэнергетический красноватый свет, а более существенное падение – например, с пятого на второй уровень – сопровождается импульсом высокоэнергетического фиолетового света. Поскольку набор вариантов такого перехода у электрона ограничен целочисленными энергетическими уровнями, излучаемый при этом свет также не слишком разнообразен. Свет, испускаемый электронами в атомах, не похож, например, на свет электрической лампочки. Электроны дают свет очень чистых и четких цветов. Электронные оболочки в атомах химических элементов расположены на разных высотах, поэтому атом каждого элемента испускает свой характерный набор световых полос. Именно эти полосы Роберт Бунзен наблюдал через спектроскоп в пламени своей горелки. Позже, когда было установлено, что электроны могут перемещаться в атоме лишь на целое количество энергетических уровней и никогда не оказываются на «дробных» уровнях, этот факт стал основополагающим озарением в истории квантовой механики. Все странные выводы из области квантовой механики, о которых вам когда-либо доводилось слышать, прямо или косвенно следуют из этих дискретных переходов.

Европий может излучать свет по вышеописанному принципу, но не слишком хорошо: он и его братья-лантаноиды плохо поглощают тепло или свет (еще одна причина, по которой химикам так долго не удавалось идентифицировать эти металлы). Но свет – это универсальная химическая валюта, имеющая хождение в субатомном мире в очень разнообразных формах. Лантаноиды могут излучать свет особым способом, который не связан с обычной абсорбцией. Такое свечение называется флуоресценцией[121]. Многие люди сталкивались с флуоресценцией в прожекторах невидимого света или на психоделических плакатах. В излучении обычного видимого света участвуют лишь электроны, а флуоресцентный свет испускают целые молекулы. И в то время как электроны излучат именно такой свет, который поглотили, например, желтый на входе – значит, желтый и на выходе, флуоресцентные молекулы поглощают высокоэнергетический (ультрафиолетовый) свет, а испускают видимый свет с меньшим уровнем энергии. В зависимости от того, в составе какой молекулы находится атом европия, он может излучать красный, зеленый или синий свет.