Про эту вашу физику (СИ)

Объяснение с наноящиками, которое мы переносим на атом, надо признаться, довольно удачное. Тем не менее Мироздание делает всё, чтобы испортить хорошие и простые модели. Ящичек в нашем мысленном эксперименте был одномерным, где у электрона для материализации было всего два направления: налево и направо от произвольно выбранной точки. В атоме на орбите ядра электрон чувствует себя несколько свободнее: теперь он в трехмерном наноящике, и тут начинается дичь, одновременно расстраивающая и восхищающая физиков.

Распределение вероятностей обнаружения электрона (волновая функция) уже не простенькая синусоида на рисуночке, а сложная пространственная фигура, которую называют орбиталью.

Теперь-то читатели, осилившие все предыдущие главы, ответственно понимают, что электроны не кружатся вокруг атома, как планеты вокруг солнца, а находятся в суперпозиции всех своих состояний, вероятности обнаружения которых складываются в странные и загадочные объекты — электронные оболочки атома.

Чтобы оценить эпичность проблемы, для начала возьмем атом водорода, самый простой атом из всех известных. Вот у нас ядро, а вот один электрон копошится вокруг. Давайте посмотрим, что он тут выписывает.

Если квантовое число электрона равно единице, то есть это один условный гребень волны в наноящике, то электрон находится на самом низком энергетическом уровне. В трехмерном пространстве его вероятности размазываются вокруг ядра в виде сферы, отстоящей от ядра на некотором расстоянии. Вздумай мы ловить электрон в таком атоме, то наибольшая вероятность его обнаружения придётся как раз на окрестности данной сферы.

Но вот электрон съел подходящий по энергии фотон, и его волновая функция изменила форму. Соответственно изменился и вид орбитали: электрон может выбрать одну из двух форм атомной оболочки.

Первый вид это вся та же сфера, называемая 2s-орбиталью, у которой теперь две поверхности для нашей электронной рыбалки.

А второй вид называют гантелеобразной или 2p-орбиталью. Она получается, когда атом попадает в определённые условия, и имеет целых три варианта размещения в пространстве, которые связаны с тем, что движущийся электрон создает магнитное поле, и от этого его гантелеобразная орбиталь во внешнем магнитном поле принимает одну из трех возможных пространственных ориентаций (для таких случаев придумано квантовое магнитное число). При этом энергия 2p-орбитали больше чем у 2s-орбитали.

Давайте посмотрим рисунок для атома водорода, в котором электрон демонстрирует орбитали. Буква n — это главное квантовое число. Точечками мы пытаемся изобразить пространство наиболее вероятного обнаружения электрона. Плюсы и минусы — это знаки волновой функции (для сведения).

Когда электрон переходит к квантовому числу n=3, его расположение в наноящике атома становится еще интереснее. Теперь у него в коллекции новый набор форм, названных d-орбиталью. Рисуем, как умеем — не смеяться!

С увеличением энергии электрона формы атомных оболочек усложняются. Мы не будем рисовать орбитали для дальнейших квантовых чисел, потому что, признаемся честно, f-орбитали и g-орбитали нам не изобразить, но читателям с интернетом или с бережно сохраненным учебником по химии не составит труда посмотреть их схематические формы.

Главное, что мы уяснили, электрон, скучающий возле ядра атома, не так прост, и даже в единичном экземпляре выписывает своими вероятностями удивительные фигуры, подчиняющиеся самым изощренным математическим описаниям.

А теперь представьте, какой сумасшедший дом начинается, если вокруг атома живёт два и более электронов!

К великому счастью Природа ограничила свои творения и создала для электронов ряд нерушимых законов, наведя относительный порядок внутри атома и позволив ученым разобраться, что к чему и кто кого.

Электроны в атоме скачут по своим энергетическим уровням, переходя с орбитали на орбиталь. Но тот факт, что теперь у них есть соседи по атому, а в молекулах — еще и соседи по молекуле, заставляет электроны организовываться и вести себя прилично.

Один из таких законов для соседства электронов называется принципом запрета Паули. Запретил, конечно, не ученый с фамилией Паули. Вольфганг Паули вывел этот закон, и все облегченно вздохнули.

Электроны в атоме имеют четыре квантовых числа. Главное квантовое число мы уже знаем. Орбитальное число L нам тоже известно — оно отвечает за форму орбитали. Про магнитное квантовое число m мы тоже рассказывали. Есть еще спиновое квантовое число s — оно для электрона принимает всего два значения: +1/2 и -1/2. Если помните, то в предыдущей главе мы кое-что рассказывали про спин электрона.

Принцип запрета Паули гласит, что в атоме (и молекуле) не должно быть двух электронов с одинаковыми квантовыми числами.

У атома гелия спины двух его электронов на s-орбиталях не могут быть одновременно направлены «вверх» или «вниз». Только в противоположные стороны. Не забываем, что до измерения спины электронов находятся в суперпозиции, но никогда не получится поймать два электрона на орбитали с одинаковым спиновым числом.