Атомы: их особенности и свойства

Каким образом греческие мудрецы додумались до учения об атомах? Это одна из загадок истории культуры. Одни говорят: учение пришло к ним из Индии через Вавилон. Другие не верят ни в индийскую, ни вообще в земную мудрость, им хочется думать, что атомизм занесен на Землю пришельцами из космоса. Третьи — их пока большинство — продолжают считать, что греки додумались до атомов сами. Быть может, считают они, греки были поражены тем, как сохраняются сущности в вечно текучей форме. Когда перековывали меч на орало, а потом орало опять на меч, железо оставалось железом. Его постоянство как вещества нуждалось в объяснении. Объяснение напрашивалось само собой: железо состоит из неизменяемых атомов. В атоме, неделимом, угадывался первичный носитель сущности вещей.

Теперь общеизвестно, что атомы делимы. Менее известно, что их можно изменить без всякого деления: под высоким давлением атомы многих элементов приобретают новые свойства. После такой процедуры таблицу Менделеева прямо не узнать. В клеточках, где полагается быть металлам, появляются изоляторы, а где полагается изоляторам — металлы: меняется способность элементов к образованию кислот и оснований; получаются вещества и с необыкновенными свойствами; некоторые сохраняют эти свойства и после того, как снято давление.

Для таких превращений нужны давления от десятков тысяч до миллиона атмосфер. Более высокие давления разрушают связи атомных ядер с электронами, и даже сами ядра. Под такими давлениями вещество находится в некоторых звездах. Но за одним исключением мы не будем говорить о таких крайностях и займемся только теми давлениями, которые разобщить электроны и ядра еще не в состоянии.

Высокого давления можно достигнуть двумя способами — статическим, или медленным сжатием, и ударом — от взрывной волны. Первым способом получают давления до нескольких сот тысяч атмосфер, вторым — до нескольких десятков миллионов атмосфер. При ударном сжатии неизбежен сильный нагрев, а при медленном температура и давление регулируются независимо друг от друга. Кроме того, ударное сжатие длится очень недолго, и многие превращения просто не успевают произойти. Как это обычно бывает, каждый способ хорош на своем месте.

Остановимся подробнее на медленном сжатии. При сжатии необходимо соблюдать одно важное условие: вещество должно только сжиматься, а не растекаться. Если сильно давить на образец с двух сторон, прижимая его, например, к стальной плите, он будет выпучиваться в бока, форма его изменится больше, чем объем или плотность. Состояние же вещества зависит не от формы, а от плотности, то есть от массы, заключенной в единице объема. Так что давить надо, очевидно, не с двух, а с четырех сторон. Как это сделать? Четырем круглым цилиндрам из твердого карбида вольфрама придают форму трехгранных пирамид. У пирамид отсекают острые концы. Получаются наковальни с вершинами в виде правильных треугольников.

Боковые сточенные грани подгоняют друг к другу. Тогда правильные треугольники в вершинах образуют четыре грани тетраэдра. Если поместить вещество внутрь тетраэдра, наковальни будут давить на него с четырех сторон равномерно. Чтобы вещество не просачивалось между гранями, его окружают пластичной средой, пирофиллитом, часть которого при сближении наковален выдавливается наружу. Оставшаяся часть плотно запирает изнутри камеру сжатия. Снаружи цилиндры сжимают кольцами.

Внутрь камеры можно вводить электронагревательное устройство и датчики приборов, измеряющих температуру и давление.

Следы на песке

Хотя в течение многих веков атомы были достоянием скорее натурфилософии, чем физики, стихийная вера в них всегда жила и среди физиков. Однако реальные физические атомы оказались намного сложнее философских. После того как Резерфорд открыл ядро, атомы стали представлять себе наподобие планетной системы из ядра и электронов. В таком виде атом изображают на плакатах, эмблемах и значках. Но атом совсем не похож на свое изображение. Прежде всего, «орбиты», которые мы видим на эмблемах, не могут быть устойчивыми. Иначе при любом столкновении атомов они разрушатся; а атомы потеряют свое лицо. Даже если представить себе атом, полностью изолированный от всех других атомов и предоставленный самому себе, его электроны все равно не останутся на своих орбитах. Они должны непрерывно излучать электромагнитные волны, все теснее приближаясь к ядру.

На самом деле ничего такого не происходит: в своей устойчивости атомы гораздо ближе к неизменяемым частицам древних, чем к планетарной модели начала XX века. Эта парадоксальная ситуация привела к полному пересмотру основных понятий механики Ньютона и к созданию квантовой механики, которая объясняет свойства атомов так же непринужденно как ньютонова — свойства Солнечной системы.

Движение электронов в атоме физики представляют себе не как движение по орбитам, а совершенно иначе, причем, что самое интересное, область движения электрона видна гораздо лучше, чем сам электрон.

Чтобы хоть как-то представить себе, о чем идет речь, сделаем простой опыт. Для него требуются лишь три вещи — упругая пластинка, приспособление для ее зажима и песок. Песок насыпают на колеблющуюся пластинку, и он мало-помалу сползает с мест, колеблющихся с большими амплитудами, к так называемым узловым линиям, где пластинка как будто и вовсе не колеблется. Из песка получается наглядная картина распределения узловых линий. На круглой пластине, например, это концентрические окружности и диаметры. Меняя точки закрепления и места возбуждения колебаний, вы сможете получить разнообразные фигуры, носящие имя их открывателя — немецкого физика XVIII века Хладного, или как его еще называют, Хладни.

Фигуры Хладни.

Согласно квантовой механике, область движения каждого электрона в атоме напоминает такую фигуру, но не в двух, а в трех измерениях. В атоме имеются не узловые линии, а узловые поверхности, на которые электрон не попадает. Каждому электрону соответствует система таких поверхностей, характеризующих его состояние. Отсюда видно, насколько квантовое понятие движения далеко от классического понятия движения по траекториям. Траектории могут непрерывно переходить одна в другую путем деформации. Фигура же Хладного с двумя, например, узловыми линиями никак не может, не разорвавшись, перейти в фигуру с тремя или одной линией.

То же можно сказать и об узловых поверхностях трехмерного движения. Чтобы изменить число поверхностей в картине движения электрона, над атомом надо совершить работу. Переход произойдет скачком. Если работа будет меньше определенной величины, переход не состоится. При комнатной, например, температуре тепловой энергии движения атомов не хватит, чтобы изменить картину движения хотя бы одного электрона. Поэтому-то, сталкиваясь, атомы ведут себя как неизменяемые частицы древних.

Полиморфные превращения

Взаимодействие атомов подчиняется очень сложному закону. В общих чертах его можно представить себе так: на больших расстояниях все атомы слабо притягиваются между собой, а на малых — сильно отталкиваются. При этом их электронные оболочки уже находятся в соприкосновении. В этом смысле атомы напоминают твердые шары. Во всяком случае, исходя из представления об атомах как о твердых шарах, удается понять очень многое в строении кристаллов и химических соединений.

Если шары выложить по прямой линии, то плотное расположение осуществится единственным способом: соседи будут соприкасаться между собой. В двух измерениях, естественно, больше возможностей. Возьмем две цепочки из шаров. Их можно привести в соприкосновение двояко: либо так, чтобы каждый шар из одной цепочки коснулся только одного шара из другой цепочки: либо так, чтобы тот же шар коснулся двух шаров соседней цепочки. Во втором случае центры шаров в обеих цепочках будут сдвинуты на длину радиуса, а укладка окажется плотнее, чем при попарном касании. Если заполнять плоскость, кладя так цепочку за цепочкой, то в первом случае центры расположатся по углам квадратиков, а во втором — наподобие неделимых сот.

В трех измерениях еще больше комбинаций, то есть больше способов плотной укладки. Как, например, расположены атомы углерода в кристаллических решетках графита и алмаза? У графита в горизонтальных плоскостях атомы выложены плотнейшим шестиугольным способом, но у самих плоскостей центры лежат на одних и тех же вертикалях. Поэтому в этих плоскостях легко происходит скольжение. Недаром графит так мягок и непрочен. Кристаллическая же решетка алмаза, символа твердости, выглядит иначе: плотнейшая упаковка осуществлена во всех трех измерениях, плоскостей легкого скольжения нет и в помине.

А теперь рассмотрим вещество, состоящее из атомов двух сортов, а именно всем известный лед. Атомы кислорода во льду расположены в виде правильной кристаллической решетки. От каждого атома можно провести линии к четырем другим, и каждый атом окажется тогда в центре тетраэдра, а остальные четыре — на его вершинах. По этим соединительным линиям располагаются атомы водорода. Но ведь в воде на каждый атом кислорода приходится по два атома водорода, а не по четыре. Значит, две линии, отходящие от атома кислорода, заняты водородными атомами, а две ничем не заняты. В результате получается, что в кристаллической решетке льда много пустого места: лед, как все мы знаем, довольно мягок и под давлением легко превращается в более плотно упакованные модификации. Превращения кристаллов, при которых они переходят из одной формы в другую, называются полиморфными.

Но каким образом атомы выбирают тот или иной тип решетки? Что заставляет атомы углерода выстроиться в решетку графита и что — в решетку алмаза? На это есть один общий ответ: при данных внешних условиях именно это строение кристалла отвечает равновесию.

Что же следует понимать под равновесием применительно к кристаллам? Начнем с самого простого понятия механического равновесия. Находясь в нижнем положении, маятник висит неподвижно. Он уравновешен. Если отклонить его и отпустить, он начнет двигаться вниз, приобретая при этом кинетическую энергию. Тело, обладающее кинетической энергией, способно совершать работу. Неподвижный маятник в нижнем положении не способен, а отклоненный способен. Мы можем дать определение всякому равновесию. Это такое состояние, в котором система не способна совершать работы при заданных внешних условиях — температуре и давлении окружающей среды.

Метастабильный карандаш

Несмотря на то, что превращение графита в алмаз требует большой затраты энергии, стало уже вполне рентабельно производить алмазы для технических целей. Теоретические основы этой технологии разработал еще в 1939 году О. И. Лейпунский. Промышленное же изготовление алмазов по его схеме началось в пятидесятых годах прошлого века.

Но отчего же неравновесные алмазы все-таки встречаются в природе? Строго говоря, алмазы тоже находятся в равновесном состоянии, просто оно менее равновесно, чем у графита. Это легко разъяснить с помощью простой механической аналогии. Очищенный карандаш, лежащий на столе, находится в устойчивом равновесии. Поставленный острым концом на стол, он попадает в равновесие неустойчивое: ничтожнейшая сила выводит его из этого положения. Но на тупой, неочищенный конец его поставить можно без труда. Чтобы уронить его, требуется не сколь угодно малая, а конечная сила. Нужно слегка наклонить карандаш так, чтобы центр его тяжести приподнялся и оказался над точкой опоры, то есть совершить определенную работу. Она будет с лихвой возмещена при дальнейшем падении карандаша, но предварительно все-таки надо ее откуда-то занять.

Когда тело или система выводятся из положения настоящего устойчивого равновесия, этот заем не возмещается. Карандаш, стоящий на тупом конце, находится в промежуточном равновесии, или в равновесии метастабильном. Алмаз в природных условиях тоже находится в метастабильном равновесии. С метастабильными состояниями мы встречаемся очень часто. Обычно жидкости, затвердевая, переходят в кристаллическое состояние и их атомы располагаются в строгом порядке. Но бывает и иначе. Жидкое стекло, например, сперва становится настолько вязким, что перестройка из беспорядочного состояния молекул в упорядоченное не успевает произойти. И стекло — это не что иное, как жидкость, застывшая в неупорядоченном, метастабильном, состоянии.

В очень старых стеклах можно найти следы кристаллизации, идущей веками. Каждому атому, чтобы перейти в упорядоченное положение относительно других атомов, надо совершить некоторую работу, как бы растолкать окружающие атомы, еще не ставшие на свое место. Работа эта идет медленно: атомы или молекулы в среднем не обладают достаточно кинетической энергией теплового движения, из которой можно сделать заем для начального толчка. Очень редко отдельному атому благодаря взаимодействию с остальными атомами удается накопить большую кинетическую энергию, и малая часть решетки вблизи него перестраивается. Кинетическая энергия движения атомов и молекул растет пропорционально абсолютной температуре, и с этим ростом все больше и больше атомов приобретают способность вызвать перестройку решетки.

Теперь понятно, что нужно для перехода графита в алмаз. Так как алмаз плотнее графита, нужно в первую голову приложить к графиту высокое давление, около 100 000 атм. Под большим давлением более тесное расположение атомов устойчивее, чем менее тесное. Но этого мало. Нужно еще повысить температуру и создать особые условия, при которых кристаллизация произойдет быстрее. Поэтому О. И. Лейпинский предложил выделять кристаллики алмаза из раствора углерода в жидком железе под высоким давлением. Так получают очень мелкие, технические алмазы. Их используют как абразивы. Изготовлять алмазы для ювелирных целей смысла нет: они обесценятся и перестанут волновать воображение публики. Но и у технических алмазов появляются сверхтвердые конкуренты. Таков, например, боразон (соединение бора с азотом), который в природе не встречается.

Картины из волн

Волновая картина, которую мы видели на фигурах Хладного, еще не содержит в себе всех сведений о движении электрона, как не содержит орбита Земли — всей информации о Земле. Земля ведь вращается и вокруг своей оси. Всякое вращательное движение связано с определенной механической величиной — моментом вращения. Так же как и Земля, электрон обладает этим моментом, и момент этот не обязан перемещению электрона в пространстве. На языке квантовой теории можно сказать, что собственный момент вращения электрона не связан с волновой картиной его движения. Правда, кое в чем он отличается от момента Земли. Но сходства все-таки больше, как с моментом Земли, так и с моментами ее аналогов — волчка и веретена. Посему момент электрона и был назван спином, что по-английски означает и вертеть веретено, и запускать волчок.

Эти сведения о спине нужны нам для того, чтобы сформулировать основной принцип, регулирующий поведение электрона в многоэлектронном атоме. Одну и ту же волновую картину и одно и то же значение проекции спина может иметь один и только один электрон в атоме. Так гласит принцип Паули. Этот фундаментальный закон позволяет объяснить, как строится периодическая система элементов.

Равновесное состояние атома отвечает его наименьшей энергии. Это нам уже ясно. Если в атоме имеется один-единственный электрон, как у водорода, то волновая картина, отвечающая его наименьшей энергии, совсем не имеет узловых поверхностей. Точно так же колебания струны или мембраны с наименьшей возможной частотой не имеют узлов, и на мембране получается простейшая фигура Хладного: песок собирается у краев, где мембрана зажата, а все свободные точки колеблются.

В атоме гелия, где два электрона, наименьшая энергия получается тогда, когда волновые картины движения обоих электронов лишены узловых поверхностей. Согласно принципу Паули, проекции спина этих электронов противоположны по знаку. Понятно, что третий электрон уже не может иметь той же волновой картины: при любом значении проекции спина ему будет мешать электрон, уже занявший такое состояние. Получается замкнутая электронная оболочка гелия, содержащая два электрона. На гелии заканчивается нулевой период системы Менделеева.

Следующие электроны в атомах лития, бериллия, бора и т. д. должны иметь волновую картину с одной-единственной узловой поверхностью. Это может быть либо сфера, окружающая ядро, либо плоскость, проходящая через ядро. Но плоскость проводится тремя независимыми способами, подобно координатным плоскостям. Вместе со сферой получаются четыре различные волновые картины и по два значения проекции спина для каждой из них, то есть всего восемь возможных состояний. В каждом из них может находиться не более одного электрона. Когда будут заполнены все восемь состояний, снова получится замкнутая электронная оболочка, которую имеет неон, сходный с гелием своей инертностью. Неоном завершается первый период системы Менделеева, содержащий как раз восемь элементов.

Руководствуясь принципом Паули и проводя узловые поверхности в пространстве, мы объяснили строение нулевого и первого периода системы. Дальше идут волновые картины с двумя узловыми поверхностями. Они проводятся трояко: в виде сфер, окружающих ядро, плоскостей, проходящих через начало координат, и двойных конусов с вершиной в начале координат, то есть в ядре. Поверхности последних двух видов пересекают сферы по меридианам и параллелям. Сначала обе узловые поверхности — сферические. С учетом спина это дает два состояния. Затем одна поверхность — сферическая, а другая — плоская. Так как плоскость проводится трояко, это дает нам еще шесть состояний. Состояния с такими волновыми поверхностями, двумя сферическими или одной плоской, а другой сферической, опять заполняются восемью электронами, чем и завершается второй период системы Менделеева.

Теперь как будто должны заполняться состояния, у которых узловые поверхности — двойные конусы. Но на самом деле периодическая система строится более сложным способом. Появляются состояния с тремя сферическими узловыми поверхностями. Их может быть всего два. И лишь потом появляются двойные конусы, которые как бы соревнуются с тремя сферами в том, чья комбинация приведет к наименьшей энергии атома. Энергии тех и других близки по величине, поэтому заполнение идет нерегулярно: то одни преобладают, то другие, и получающиеся элементы следуют один за другим не так, как в первых двух периодах.

В это соревнование можно вмешаться, подвергая атомы давлению в сотни тысяч атмосфер. Давление изменяет объем, приходящийся на атом в веществе, и в тесноте энергии атомов изменяются тоже: состояния, имевшие более низкую энергию в несжатом виде, оказываются обладателями более высокой энергии при сжатии. Состояния с тремя сферическими узловыми поверхностями уже не могут конкурировать с теми, у которых только две конические узловые поверхности, и та область периодической системы, где заполнение состояний шло нерегулярно, полностью перестраивается.

Все свойства атомов зависят от того; какие состояния заполнены электронами. Если заполнено одно состояние со сферическими узловыми поверхностями сверх полностью застроенной конфигурации по типу благородного газа, например гелия или неона, то атом имеет свойства щелочного металла, соответственно лития или натрия. Внешний электрон легко отщепляется, и это придает атому высокую химическую активность. Литий и натрий не теряют своих свойств от высокого давления. Но вот мы доходим до третьего по счету щелочного металла — калия. Со своими тремя сферическими поверхностями он вклинился в ряд атомов с двумя поверхностями. Высокое давление оставляет ему только две поверхности, и он перестает быть щелочным металлом. Давлением можно изменить свойства большинства элементов таблицы Менделеева. Даже железо, которое когда-то было символом неизменности, под давлением не похоже на себя: не намагничивается, дает несвойственные железу соединения и так далее.

Металлический водород

Характерное свойство металлов — их способность проводить электрический ток. Проводят электричество и щелочные металлы — литий, натрий, калий. Все они имеют по одному электрону сверх заполненных оболочек. Такие оболочки можно уподобить ядру атома по отношению к внешнему электрону, так как они занимают в пространстве меньший объем, чем волновая картина внешнего электрона. Но тогда у нас получается, что строение атома щелочного металла напоминает строение атома водорода. Водород же в твердом состоянии не металл — он отличный изолятор.

Дело тут в том, что кристалл водорода построен не из атомов Н, а из молекул Н2. Электронная конфигурация напоминает конфигурацию атома гелия: это тоже замкнутая оболочка, вытянутая вдоль оси, проходящей через оба ядра водорода. Как и в оболочке гелия, в молекуле водорода нет узловых поверхностей волновой картины движения электронов. Поэтому твердый водород такой же изолятор, как и твердый гелий.

Однако под достаточно высоким давлением (по оценке А. А. Абрикосова, около 2,5 миллиона атмосфер) молекулы водорода в кристаллическом состоянии должны распасться на атомы, и его кристалл получит строение, подобное кристаллам щелочных металлов, а значит, будет проводить электрический ток. Предполагают даже, и не без оснований, что атомарный кристалл водорода должен быть не просто проводником, а сверхпроводником при комнатной температуре. Сможет ли он служить для передачи энергии на большие расстояния? Сможет, если останется метастабильным, а не превратится в обычный водород после того, как с него снимут давление. Элемент, состоящий из ядер водорода протонов, может переходить в устойчивое молекулярное состояние не за счет теплового движения атомов, а при абсолютном нуле. Против таких переходов бессильны правила техники безопасности. Превращение металлического водорода в обычный будет сопровождаться выделением энергии, которая в 30 раз больше, чем энергия, выделяющаяся при взрыве тротила. Как утилизировать такое опасное вещество?

Утилизировать его скорее всего не удастся. Но это не значит, что металлический водород — бесполезная игрушка. Изучение и понимание его свойств необходимо нам для решения проблем, связанных со строением больших планет Солнечной системы. Благодаря своей большой массе эти планеты, в особенности Юпитер, собрали в себе много водорода.

Малые планеты, наоборот, состоят в основном из тяжелых элементов, которые легче удерживать. Юпитер излучает больше энергии, чем получает от Солнца, и поэтому светит в значительной мере не отраженным, а своим собственным светом, пусть только в одной инфракрасной части спектра. Полагают, что энергия для этого получается в результате того, что в недрах планеты водород переходит в металлическое состояние. При таком переходе плотность водорода увеличивается, а вся планета сжимается. Каждый ее сферический слой как бы падает к центру в поле сил тяготения. Часть энергии тяготения, освобождаемая при таком движении, и выделяется затем в виде собственного излучения Юпитера. Так что, если считать, что звезда — непременно самосветящееся тело, Юпитер — в известном смысле звезда, а не планета. Выходит, в нашей родной Солнечной системе не одна, а две звезды. Этот факт стоит десятка утилизаций! И мы додумались до него чисто логически и вполне самостоятельно, не хуже древних греков.

Автор: А. Компанеец.