проблемные места? Ответ квантовой механики, как всегда, однозначен: и да, и нет. Движение квантового объекта — не то же самое, что полет пули или брошеного камня. Электрон, напомним еще раз, находится во всех точках коробки, в том числе и там, где мы его никогда не найдем. Мы говорим лишь о вероятностях обнаружения частицы в определенных местах в определенное время, а не о ее фактическом местонахождении. И в случае движения электрона в подобной коробке классическое понятие траектории не имеет смысла, хотя электрон обладает импульсом, который в свою очередь является следствием движения частицы. В общем, электрон двигается, однако выглядит это немного странно и не по-человечески.
Но вернемся к гребням волн. Нарисовывается хороший вопрос: а когда у электрона возникает необходимость разделить свои максимумы волны вероятности на два и более? Отвечаем: это происходит в случае, если электрон где-то отхватывает энергии — мы же, кажется, знаем, что частота волны частицы прямо пропорциональна энергии. Добавляя на ограниченном участке волне еще один гребень, мы увеличиваем частоту волны. На этом примере просто замечательно демонстрируется сама суть квантования. Энергия электрона набирается не плавно, как скорость на акселераторе автомобиля, а скачками, прыжками, порциями, квантами! На примере наноящика при росте энергии электрона его волновая функция меняет свою форму. Электрон не сможет взять себе какую угодно энергию, а примет только такую, которая позволит ему приобрести еще один гребень в наноящике. В противном случае он сделает вид, что ничего не происходит.
Давайте сделаем умное лицо и назовем число гребней волновой функции в наноящике главным квантовым числом. На самом деле это очень важное число, и понимание его сути — отличный повод для гордости. Когда меняется квантовое число, это значит, что электрон приобрел новое значение энергии. Как говорят физики: перешел на новый энергетический уровень.
Нарисуем классическое изображение энергетических уровней электрона из учебников, которое теперь стал чуть-чуть понятнее и больше не будет сниться в кошмарах спустя годы. Забавный факт: у электрона не может быть нулевого квантового числа, а значит и нулевой энергии. Это серьезнейшее отличие частицы от объекта из макромира.
Замечательно! Но мы опять проводим мысленные эксперименты. Где фантазии, а где реальность? Причем тут химия, и когда мы выведем формулу спирта, чтобы стало интересно?
Хе-хе, приготовьтесь к неожиданному и наглому заявлению. Примерно вот так в свое время Нильс Бор ошарашил честной народ, предложив новое видение проблемы микромира.
В некотором смысле электрон в атоме ведет себя точно так же, как в наноящике. Точно так же он может разместиться вокруг ядра только с целым количеством своих «гребней» вероятности, а значит, мы можем применять к электронам в атоме вышеупомянутое квантовое число. Точно так же электрон может переходить с одного энергетического уровня на другой. Если в атом влетает фотон, то электрон может его поглотить только в том случае, если энергия фотона поможет электрону перейти на следующий уровень. Иначе фотон будет проигнорирован (помните наглядный пример у Гамова из главы про кванты: пиво можно пить только из определенных емкостей, никакого розлива). И наоборот, электрон может испустить фотон строго определенной энергии, чтобы спуститься на уровень ниже, где ему как-то надежнее и спокойнее.
Да, именно поэтому мы видим цвета. Атомы и молекулы имеют разные размеры (представьте их как наноящики различной длины), поэтому если направить на них свет, то электроны в атомах будут поглощать только те длины волн, которые помогут им красиво разместиться в своих «наноящиках». Остальные волны (фотоны) хитрым образом отразятся и, о чудо, мы видим цвет предмета: длины волн, которые не стали поглощать электроны освещенного предмета. Не забудем про фотоэффект, когда электрон вбирает в себя столько энергии, что покидает атом и отправляется гулять в одиночку на радость Эйнштейну.
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!
