Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

Возведя гипотезу о том, что два электрона с одинаковым знаком спина не могут занимать общую орбиту в атоме, в ранг общего правила, удалось объяснить сущность Периодического закона Менделеева. Вот как работают гипотеза спина и правило запрета в этом случае далеко за пределами области, в которой они были выдвинуты. В соответствии с гипотезой Резерфорда атомы состоят из ядра и внешних электронов. Для наглядности, по предложению Бора, можно представить себе, что электроны занимают определенные орбиты. В атоме водорода имеется один электрон, у гелия их два, у лития три и т. д. Последовательное заполнение орбит обусловлено правилом запрета: одна и та же орбита не может быть занята двумя электронами, находящимися в одинаковом состоянии. Значит, в атоме гелия, ядро которого имеет заряд, равный двум, и способно удержать два электрона, эти два электрона, находясь на нижней орбите, не могут находиться в одинаковом состоянии. Поэтому их спины должны иметь противоположные знаки и, благодаря этому, должны быть взаимно скомпенсированы. Это очень устойчивая структура, определяющая химическую инертность атома гелия. Именно стремление к «компенсации» спина заставляет два атома водорода соединиться в молекулу. В этой молекуле, содержащей два ядра водорода, имеются два электрона, спины которых противоположны по знаку и взаимно скомпенсированы. Вследствие этого молекула водорода гораздо более инертна, чем одиночный атом водорода, в котором спин единственного электрона не скомпенсирован и «ищет» партнера, способного его скомпенсировать.

Вслед за гелием в Периодической таблице Менделеева располагается литий. Заряд его ядра равен трем, поэтому оно окружено тремя электронами. Третий электрон начинает заполнение следующей электронной оболочки, окружающей устойчивую электронную оболочку гелия. Спин этого электрона нескомпенсирован — электрон как бы в ожидании партнера. Как следствие, литий обладает большой химической активностью. Вторая электронная оболочка оказывается заполненной, когда на ней находятся 8 электронов. Соответствующее ядро имеет заряд, равный 10. Это атом инертного газа неона.

Здесь нет места для более подробного описания связи структуры электронных оболочек атомов с их положением в таблице Менделеева, но каждый желающий может продлить этот анализ в пределах всей таблицы химических элементов.

Серьезность «Шуточной физики для пешеходов»

Открытие спина электрона и его роли, как характеристики квантового состояния электрона в микросистемах, имело далеко идущие последствия. Выяснилось, что наличие спина вносит существенные особенности в поведение объектов микромира. Целый ряд трудностей и парадоксов, с которыми встречалась классическая статистика при попытках применить ее для описания свойств микромира, связан с тем, что она попросту неприменима к этому кругу явлений. Все эти трудности и парадоксы исчезли как по мановению волшебной палочки после того, как Ферми и Дирак разработали особую статистику. Она учитывала принцип запрета, заставляющий из набора возможных состояний системы принимать во внимание только те, где каждое квантовое состояние занято лишь одной частицей. Вскоре, однако, оказалось, что и новая квантовая статистика не способна объяснить часть закономерностей микромира. Прежде всего это было установлено в процессах с участием фотонов.

Выход из тупика обнаружил индийский физик Бозе. Он послал свою работу «отцу фотонов» — Эйнштейну, который сразу же оценил ее выдающееся значение и немедленно рекомендовал к опубликованию. Идея Бозе опиралась на то, что частицы, обладающие целочисленным значением спина, а фотоны принадлежат к их числу, не подчиняются правилу запрета. Значит, они не должны подчиняться статистике Ферми-Дирака. Поэтому в каждом квантовом состоянии может находиться любое число таких частиц. Физики вздохнули с облегчением. Работы Эйнштейна в области квантовых свойств света послужили ему отличной основой не только для понимания идеи Бозе, но и для ее воплощения в строгую математическую форму. Так возникла новая квантовая статистика-статистика Бозе-Эйнштейна, а частицы микромира оказались сгруппированными в два существенно различных класса. Частицы, принадлежащие к одному из них, получили название бозонов. Они характеризуются целочисленным значением спина (0, ± 1, ±2, ± 3…) и подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Частицы второго класса характеризуются полуцелыми значениями спина (± 1/2, ± 3/2, ± 5/2…) и подчиняются статистике Ферми — Дирака.