Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

О протонах, электронах и атомах на пальцах. По понятиям Творца.

      Жил в начале прошлого века человек по фамилии Паули. Прославился тем, что озвучил суровую епитимью на электроны, запретив им садиться более чем по двое на один энергетический уровень в атомах. Да и вдвоем разрешил садиться так, чтобы второй из них обязательно сидел вверх тормашками по отношению к первому.

      Будем, однако, благодарны этому Паули. Ибо без его епитимьи, названной позднее принципом запрета Паули, не было бы никакой химии, никаких молекул кроме молекулы водорода и не было бы никакой Жизни. За что ему, несомненно, следует присвоить чин архангела. И заодно посмотреть на тот порядок в атомах, который он установил вместе с другими архангелами квантового мира. По тем понятиям, которые внушил им Творец.


      1. Создание кирпичиков для постройки атомов. Творец понимал лозунги Свободы, Равенства и Братства весьма своеобразно. Он признал Равенство электрона и протона по росту и ширине спины величине электрического заряда и магнитного момента (спина). Но по толщине кошелька массе сделал их очень разными. Подарив протону массу почти в 2000 раз большую, чем электрону.

      Свободу Всевышний понимал как осознанную необходимость. Даруя ее только тем электронам, которым внешние силы смогли навязать эту идею. Остальные же электроны отдал в рабство протонам. Внушив им, что это рабство и есть проявление Братства.

      И тут в игру вступил архангел Гайзенберг. Заметив, что по замыслу Творца мир не должен быть заполнен точечными, то есть имеющими нулевой размер, частицами. И потому наложил свой запрет, названный позднее принципом неопределенности:

                                                 Δv * Δx > h / m,         (1)

где h - постоянная уже старого к тому моменту архангела Планка, а m - масса частицы (протона или электрона). О чем говорит этот запрет? Он говорит, что если, не дай бог, электрон или протон станут имеющими нулевой размер частицами (неопределенность их положения Δx = 0), то неопределенность их скорости Δv станет бесконечной и неизвестно где они окажутся в следующий момент времени. Что недопустимо. Ибо Творец запретил кому либо двигаться со скоростью большей скорости света. Поэтому то же самое неравенство можно записать так:

                                                      Δx > h / ,          (2)

где с - скорость света.

      Из неравенства (2) следует, что минимальный размер имеющей массу частицы Δxmin ~ h / mс. Отсюда следует, что размер протона никак не может быть меньше примерно одной десятитриллионной части сантиметра {~ 10 ↑ (-13) см}. Протон так и поступил - сделал свой размер чуть больше этого минимума.

      А размер электрона по тому же неравенству не может быть меньше нескольких миллиардных долей сантиметра. Электрон неукоснительно соблюдает это правило. Приближаясь к указанному минимуму лишь в самых внутренних электронных оболочках атомов с самыми большими атомными номерами. И далеко и вольготно удалясь от этого минимума в атомах с малыми атомными номерами.

      2. Атом водорода. Атом водорода устроен проще пареной репы. В нем один протон и один электрон. В школе нас всех учили, что электрон вращается вокруг протона. Ничего подобного. Электрон в основном состоянии атома водорода вокруг протона не вращается. Он выбрал для себя роль шубы, надежно экранирующей своим зарядом равный по величине заряд протона. Вот так:

Рис.1. Атом водорода.

      На этой картинке внизу - график вероятности обнаружения электрона на конкретном расстоянии от протона. Ибо позиция "0" на графике определяет местонахождение протона. А электрон образует собой сферически симметричную шубу вокруг протона. И вверху картинки - изображение этой электронной шубы в атоме водорода. Диаметр этой шубы - примерно одна стомиллионная доля сантиметра. Что в десятки раз больше разрешенного электрону архангелом Гайзенбергом минимального размера.

       Шуба эта сидит на протоне достаточно прочно. Чтобы ее снять, то есть ионизовать атом водорода, надо затратить немало энергии. Конкретно - 13,6 электронвольт (эВ - единица измерения энергии в атомной физике). Если делать это квантами света, то нужны фотоны с длиной волны вчетверо меньшей длины волны фиолетового света. И, следовательно, вчетверо энергичнее фиолетового фотона. Такие фотоны мы своими глазами не воспринимаем.

      Почему водород одновалентен? У него только один электрон и только его он может командировать на наведение связи с другим атомом. Но у него есть и еще одно место на его основном энергетическом уровне (1s - уровень), которое принцип запрета Паули оставил свободным. Поэтому водород может и пригласить в свою шубу один электрон из другого атома. Оба варианта делают водород одновалентным.

      У атома водорода есть и возбужденные состояния, в которых электронная шуба протона может раздуваться или даже деформироваться. Но дабы не замыливать никому мозги изображать такие шубы не буду.

      3. Атом гелия. В ядре атома гелия - два протона и два нейтрона (нейтрон - это практически протон без электрического заряда). Ясно, что такое ядро своим электрическим зарядом вдвое сильнее притягивает электроны, чем один протон. И потому оба электрона атома гелия находятся заметно ближе к ядру, чем электрон в атоме водорода. Из приведенного ниже графика следует, что атом гелия, как размер шубы ядра гелия, почти вдвое меньше атома водорода.



      Рис.2. Размеры атомов (по горизонтали - атомный номер, равный числу протонов в ядре атома, по вертикали - радиус атома в нанометрах, равных десятимиллионным долям сантиметра).

      В атоме гелия оба электрона сидят на одном энергетическом уровне 1s. И образуют единую сферически симметричную электронную шубу для атомного ядра. Но эта шуба по сравнению с шубой в атоме водорода обладает двумя особенностями. Во-первых, эта шуба двусторонняя - пошита и мехом вверх и мехом вниз. В том смысле, что принцип запрета Паули позволяет обоим электронам сидеть на одном энергетическом уровне только в таких позициях, в коих их спины (магнитные моменты) противонаправлены - у одного вверх, у другого вниз. Неважно, что понимать под верхом, лишь бы низ был в противоположном направлении.

      Во-вторых, из-за более сильного притяжения к ядру гелия его электронную шубу труднее с него снять. Из графика на рис. 3. видно, что энергия, необходимая для отрыва только одного электрона от атома гелия почти вдвое больше, чем энергия отрыва электрона от атома водорода. Конкретно - 24,6 электронвольт. Поэтому для ионизации атома гелия нужен почти вдвое более жесткий, чем для ионизации водорода, ультрафиолетовый фотон. И по этой же причине гелий практически ни с какими атомами не вступает в химические реакции - слишком энергетически затратно направить хотя бы один электрон атома гелия на организацию химической связи с любым другим атомом. Из-за чего мы вынуждены считать гелий химически нейтральным.


      Рис. 3. Энергия, необходимая для отрыва одного электрона от атома (по горизонтали - число протонов в ядре атома, по вертикали - энергия однократной ионизации в электронвольтах).

      4. Атомы лития и бериллия. У атомов лития и бериллия по 3 и 4 протона в ядре соответственно. Внутренняя шуба из двух электронов еще более компактна, чем у гелия. И ее электроны ни в каких химических реакциях никогда не участвуют. Но появляется внешняя электронная шуба из одного (у лития) и двух (у бериллия) электронов, сидящих на гораздо более высоком энергетическом уровне. Который будем называть вторым (2s - уровень). Внешняя шуба, как и внутренняя, сферически симметрична. Из-за более слабой связи электронов внешней шубы с ядром размеры этих атомов больше, чем у атома водорода (рис.2), а энергия связи - существенно меньше (рис.3). Поэтому литий и бериллий имеют валентности 1 и 2 соответственно.

      5. Атомы от бора до неона. У всех этих атомов энергетические уровни 1s и 2s полностью заняты - архангел Паули запретил на них садиться другим электронам. Но есть довольно близкий к уровню 2s по энергетике уровень 2р. И на него можно сажать электроны, которые будут вращаться вокруг ядра атома, создавая третью шубейку. Совсем не сферически симметричную. На этот уровень можно посадить до 6 электронов (больше Паули не позволит). На уровне 2р бор имеет один электрон, который обычно отдает другому атому, вступая с ним в связь. И потому бор одновалентен.

      У углерода на энергетическом уровне 2р два электрона, но он взял в привычку не отдавать их другим атомам, а приглашать электроны других атомов на 4 еще свободных места на энергетическом уровне 2р. Становясь, тем самым, 4-валентным. И такое гостеприимство было вознаграждено Творцом -  углерод стал базовым элементом любых проялений мыслимой нами Жизни.

      Другие элементы этой же строки таблицы Менделеева, как и других ее строк, обсуждать здесь не буду. Большинству из вас будет достаточно уже написанного, а кому недостаточно - сам разберется.

      Но в заключение хочу отметить два важных момента. Самые большие по размеру атомы - не более чем в 5 раз больше атома водорода, самые маленькие - не более чем в два раза меньше атома водорода. И у всех энергетика взаимодействия между собой лежит в полностью в ультрафиолетовом диапазоне. Оберегая наши глаза, не восприимчивые к фотонам этого диапазона, от ослепительных свершений Творца.

      Какую изобретательность проявил Творец, создав столь многообразный набор кирпичиков мироздания, не слишком сильно различающихся по размерам и энергетике взаимодействия между собой!




Tags: Физика на пальцах
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Чем могу быть полезен?

    Еще Козьма Прутков говаривал: Специалист подобен флюсу, полнота его одностороння. К середине 1980-х я тоже стал подобен флюсу, что было…

  • Маленькие рассказы о космосе (18).

    За 10 лет в ЖЖ написал немало постов по космической тематике. Расфасовав их метками по разным подтемам. Но будучи сделанными в разное время по…

  • Уроки физики...

    На 77-м году жизни оказался вновь востребованным. В качестве профессора на 0,5 ставки на той кафедре, которую сам же и создавал в 1988-м в ВолГУ.…

promo moralg march 5, 2018 03:01 44
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 66 comments