Занимательная химия для детей и взрослых

До сих пор речь шла о невозбужденных атомах, поскольку при поглощении энергии излучения внешний электрон может удаляться от ядра все дальше и дальше, занимая орбиталь со все бо́льшим номером. Поэтому, например, атом водорода теоретически может иметь любые размеры. А практически? В 1991 г. в самом известном в мире журнале, посвященном химическому образованию – Journal of Chemical Education (он издается в США), была опубликована статья Д. Б. Кларка. В ней говорилось, что в межзвездных облаках были обнаружены по их спектрам атомы водорода диаметром 0,4 мм (они зафиксированы по спектральному переходу с 253-й на 252-ю орбиталь). Объекты таких размеров вполне можно увидеть невооруженным глазом! Однако Кларк ошибся – он завысил все размеры ровно в 100 раз (об этом сообщил тот же журнал год спустя; возможно, ошибка была связана с неправильным переводом нано– или пикометров в миллиметры). Значит, обнаруженные атомы водорода имеют диаметр «всего лишь» 0,004 мм, и такие атомы, даже если бы они были «твердыми», невооруженным глазом увидеть нельзя – только в микроскоп. Конечно, по атомным меркам и 0,004 мм – величина огромная, она в миллион раз больше диаметра невозбужденного атома водорода. Обсуждаемый же Кларком гипотетический атом водорода «размером с одноцентовую монетку» (ее диаметр 9 мм) с учетом исправлений должен соответствовать переходу с 13044-й на 13043-ю орбиталь, что отвечает частоте излучения 2,96 килогерц или длине волны 100 км. Такие спектральные переходы, даже если бы они происходили, невозможно было бы обнаружить никаким прибором (даже радиотелескопы фиксируют в тысячи раз меньшие длины волн).

Надпись IBM атомами ксенона

Если же говорить о «вооруженном» глазе, то отдельные атомы можно не только «увидеть» – ими можно даже что-нибудь написать. Например, всемирно известное название компьютерной фирмы IBM, как это сделали ученые, используя сканирующий туннельный микроскоп и 35 самых настоящих атомов ксенона, выстроенных в нужные микроскопические буквы на поверхности никелевого кристалла.

Другой «атомный» рекорд связан с временем жизни радиоактивных нуклидов (напомним, что нуклидом называется совокупность атомов с определенным числом протонов и нейтронов в Надпись IBM ядре; нуклиды одного и того же атомами ксенона элемента называются изотопами; сейчас известно примерно 2400 нуклидов 114 химических элементов, большинство из которых радиоактивны). Судя по справочнику «Физические величины», самый долгоживущий – теллур-128, который и радиоактивным-то назвать трудно: период полураспада этого нуклида (его в природном теллуре 31,7 %) превышает 8 септиллионов (8 · 10²⁴) лет! Для сравнения – нашей Вселенной по оценкам «всего» 10 млрд (10¹⁰) лет.

А какие атомы живут меньше всех? В справочнике «Физические величины» для самого короткоживущего изотопа – франция (²¹⁵Fr) приводится значение 9 · 10^–8 с (меньше одной десятимиллионной доли секунды). Следует воздать должное исследователям, сумевшим измерить эту величину. А вот в «Справочнике нуклидов» для самого легкого из известных изотопов кислорода, ¹²О, приводится удивительное значение: 1,0 · 10^–21 с (одна секстиллионная секунды)! Удивительно оно потому, что даже свет, скорость которого составляет 3 · 10⁸ м/с за это время прошел бы всего 3 · 10^–13 м = 0,3 пм, что намного меньше размеров атомов и сопоставимо с размером атомного ядра. Значит, за это время частица, которая должна вылететь из ядра при его распаде и скорость которой намного меньше световой, не успеет его даже покинуть. Было бы интересно узнать, как такое ядро может образоваться и как получили такое значение для его времени жизни.

Атомы соединяются между собой химическими связями. Эти связи могут быть сильными и слабыми, короткими и длинными. В результате образуются молекулы, а также ионные, атомные и металлические кристаллы. Между молекулами тоже действуют химические связи. Какая же связь самая прочная? Если рассматривать только одинарные связи, то самой прочной будет связь Т–Т в молекуле тяжелого водорода – трития Т₂ (447,2 кДж/моль); далее следуют связи с атомами дейтерия: D–T (445,5 кДж/моль), D–D (443,6 кДж/моль) и H–D (439,6 кДж/моль). Самая слабая (хотя и не намного) в «водородных молекулах» – связь Н–Н (436,2 кДж/моль).