Про эту вашу физику - Дмитрий Владимирович Ганин
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
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.
Второе важное правило соседствующих электронов состоит в том, что когда электроны поселяются в атоме, то они сначала занимают нижние энергетические уровни, но так чтобы не нарушать принцип запрета Паули. Так сказать, садятся в автобусе поближе к водителю.
Снова посмотрим на гелий: электроны спокойно усаживаются на s-орбиталь, так как имеют разные спины.
А вот в атоме лития три электрона на s-орбитали не уживутся. Кому-то придется жить на кухне. Гантелеобразная 2p-орбиталь является более высоким энергетическим уровнем, чем 2s, это связано с взаимным отталкиванием электронов из-за одинакового заряда. Поэтому третий электрон сначала поселится на 2s-орбитали.
И, наконец, третье правило касается расположения электронов на орбиталях с одинаковой энергией. Выше мы упомянули, что, например, 2p-орбитали из-за разного магнитного квантового числа реализуются в трех пространственных вариантах. Для краткости их записывают как 2px, 2py и 2pz — орбитали. Их энергия абсолютно одинакова, различается только ориентация лепестков «гантели» в пространстве. Так вот если два электрона въезжают на этот уровень, то они стараются сесть не на одну орбиталь, а на разные. Чтобы не сидеть на одной орбитали, хоть и с разными спинами. Наверное, не только мы заметили, что электроны весьма капризные существа: они предпочитают одиночество и минимум расходов на проживание.
Это правило называют правило Хунда и запоминают его в виде мудрого наставления: не подсаживайся в трамвае к людям, если еще есть пустые места.
Итак, благодаря этим правилам становится ясно, как электроны приходят и уходят из атома, а самое главное, как формируются и как устроены химические элементы. Благодаря пониманию законов мы можем предсказать устройство любого элемента, включая редкие или еще не открытые.
Удивительно, но один мужик, живший в 19 веке, его звали Дмитрием Менделеевым, каким-то внутренним чувством сумел расположить химические элементы по возрастанию, совершенно ничего не зная про квантовую физику и строение атомов. Полагаясь на еле уловимую логику, он создал периодическую таблицу элементов имени себя, и только спустя сто лет человечество смогло объяснить, почему элементы расположены именно так, а не иначе. А всё потому, что Менделеев доверял экспериментальным данным и полагался на них, а не на байки из интернета про материальность мыслей, ну или где там их рассказывали в благословенные времена.
К сожалению, наш труд не предполагает дальнейшее углубление в химию, где самое интересное только начинается. Атомы в молекуле делят между собой общие электроны, которые переходят на молекулярные орбитали, возникают химические связи, перекрытия электронных облаков, валентности и ковалентности, атомы ионизируются, теряя или приобретая лишние электроны. Всё это обеспечивает химические свойства веществ: соль солёная, а кислота — разъедающая. Мыло намыливает, а спирт, например, тоже интересная штука. У инертных газов, типа неона или аргона, атомные оболочки заполнены электронами до отказа, и пролетающему мимо электрону некуда приткнуться, поэтому инертные газы почти не вступают ни с чем в реакции. Металлы, наоборот, имеют одинокие скучающие электроны на дальних уровнях и могут легко расставаться с ними, поэтому металлы являются отличными проводниками тока.
У элемента углерода имеется четыре вакансии на его доступных орбиталях, и тот стремится всеми силами их заполнить — основа основ всех органических соединений.
И так вот далее по списку. А самое крутое в том, что мы, то есть человеки 21-го века, понимаем, почему так происходит и извлекаем пользу от полученных знаний.
Надеемся, прочитанное вдохновит вас снова взять в руки учебник химии и погрузиться в волшебный мир веществ со всей ответственностью и пониманием.
Глава 15
Квантовые компьютеры
Программист:
«Какое сейчас значение переменной?»
Квантовый компьютер:
«А фиг знает»
Все танцуют.
Раз уже мы нынче превосходные спецы в квантовой физике, способные своим знанием матчасти заткнуть любого шарлатана, рассуждающего о божественной воле в двухщелевом эксперименте, то уж разобраться с наскоку в том, как работают квантовые компьютеры, нам вообще не проблема. Наверное. Но как бы то ни было, квантовые компьютеры — тема животрепещущая, вызывающая разные слухи, мифы и необоснованные инвестиции. Так что давайте пробежимся по предмету, чтобы представлять, где истинная правда, а где враньё, особенно в поделках недобросовестных СМИ или блогеров.
Умным людям давно не давали покоя квантовые эффекты, но не только потому, что их философская интерпретация не подчиняется здравому смыслу, но и в сугубо практическом
