Атоми: їх особливості та властивості

Яким чином грецькі мудреці додумалися до вчення про атоми? Це одна із загадок історії культури. Одні кажуть: вчення прийшло до них з Індії через Вавилон. Інші не вірять ні в індійську, ні взагалі в земну мудрість, їм хочеться думати, що атомізм занесено на Землю прибульцями з космосу. Треті — їх поки більшість — продовжують вважати, що греки додумалися до атомів самі. Бути може, вважають вони, греки, були вражені тим, як зберігаються сутності вічно текучих форм. Коли перековували меч на орало, а потім орало знову на меч, залізо залишалося залізом. Його сталість як речовини потребувала пояснення. Пояснення напрошувалося саме собою: залізо складається з незмінних атомів. В атомі, неподільному, вгадувався первинний носій сутності речей.

Тепер загальновідомо, що атоми подільні. Менш відомо, що їх можна змінити без всякого поділу: під високим тиском атоми багатьох елементів набувають нові властивості. Після такої процедури таблицю Менделєєва прямо не впізнати. В клітинках, де належить бути металам, з’являються ізолятори, а де мають бути ізолятори — метали: змінюється здатність елементів до утворення кислот і основ; виходять речовини і з незвичайними властивостями; деякі зберігають ці властивості і після того, як знято тиск.

Для таких перетворень потрібні тиски від десятків тисяч до мільйона атмосфер. Більш високі тиски руйнують зв’язки атомних ядер з електронами, і навіть самі ядра. Під такими тисками речовина знаходиться в деяких зірках. Але за одним винятком ми не будемо говорити про такі крайнощі і займемося тільки тими тисками, які роз’єднати електрони і ядра ще не в змозі.

Високого тиску можна досягти двома способами — статичним, або повільним стисненням, і ударом — від вибухової хвилі. Першим способом одержують тиски до кількох сотень тисяч атмосфер, другим — до декількох десятків мільйонів атмосфер. При ударному стисненні неминуче сильне нагрівання, а при повільному температура і тиск регулюються незалежно один від одного. Крім того, ударне стиснення триває дуже недовго, і багато перетворень просто не встигають відбутися. Як це зазвичай буває, кожен спосіб хороший на своєму місці.

Зупинимося докладніше на повільному стисненні. При стисненні необхідно дотримуватися одної важливої умови: речовина має лише стискатися, а не розтікатися. Якщо сильно тиснути на зразок з двох сторін, притискаючи його, наприклад, на сталевій плиті, він буде витріщатися в боки, форма його зміниться більше, ніж обсяг або щільність. Стан речовини залежить не від форми, а від щільності, тобто від маси, що міститься в одиниці об’єму. Так що тиснути треба, очевидно, не з двох, а з чотирьох сторін. Як це зробити? Чотирьом круглим циліндрам з твердого карбіду вольфраму надають форму тригранних пірамід. Біля пірамід відсікають гострі кінці. Виходять ковадла з вершинами у вигляді правильних трикутників.

Бічні сточені межі підганяють один до одного. Тоді правильні трикутники у вершинах утворюють чотири грані тетраедра. Якщо речовину помістити всередину тетраедра, ковадла будуть тиснути на нього з чотирьох боків рівномірно. Щоб речовина не просочувалася між гранями, її оточують пластичним середовищем, пірофіллітом, частина якого при зближенні наковалень видавлюється назовні. Частина щільно замикає зсередини камеру стиснення. Зовні циліндри стискають кільцями.

Всередину камери можна вводити електронагрівальний пристрій і датчики приладів, що вимірюють температуру і тиск.

Сліди на піску

Хоча протягом багатьох століть атоми були надбанням швидше натурфілософії, ніж фізики, стихійна віра в них завжди жила і серед фізиків. Однак реальні фізичні атоми виявилися набагато складніше філософських. Після того як Резерфорд відкрив ядро, атоми стали уявляти собі на зразок планетної системи з ядра і електронів. У такому вигляді атом зображують на плакатах, емблемах і значках. Але атом зовсім не схожий на своє зображення. Перш за все, «орбіти», які ми бачимо на емблемах, не можуть бути стійкими. Інакше при будь-якому зіткненні атомів вони зруйнуються; а атоми втратять своє обличчя. Навіть якщо уявити собі атом, повністю ізольований від всіх інших атомів і наданий самому собі, його електрони все одно не залишаться на своїх орбітах. Вони повинні безупинно випромінювати електромагнітні хвилі, все тісніше наближаючись до ядра.

Насправді нічого такого не відбувається: в своїй стійкості атоми набагато ближче до сталої частки древніх, ніж до планетарної моделі початку XX століття. Ця парадоксальна ситуація призвела до повного перегляду основних понять механіки Ньютона і до створення квантової механіки, яка пояснює властивості атомів, так само невимушено, як ньютонова — властивості Сонячної системи.

Рух електронів в атомі фізики уявляють собі не як рух по орбітах, а зовсім інакше, причому, що найцікавіше, область руху електрона видно набагато краще, ніж сам електрон.

Щоб хоч якось уявити собі, про що йде мова, зробимо простий дослід. Для нього потрібні лише три речі — пружна пластинка, пристосування для затиску і пісок. Пісок насипають на коливну пластинку, і він мало-помалу сповзає з місць, що вагаються з великими амплітудами, до так званих вузлових ліній, де платівка ніби й зовсім не коливається. З піску виходить наочна картина розподілу вузлових ліній. На круглій пластині, наприклад, це концентричні кола і діаметри. Змінюючи точки закріплення і місця збудження коливань, ви зможете отримати різноманітні фігури, що носять ім’я їх відкривача — німецького фізика XVIII століття Хладного, або як його ще називають, Хладні.

Фігури Хладні.

Згідно квантової механіки, область руху кожного електрона в атомі нагадує таку фігуру, але не в двох, а в трьох вимірах. В атомі є не вузлові лінії, а вузлові поверхні, на які електрон не потрапляє. Кожному електрону відповідає система таких поверхонь, які характеризують його стан. Звідси видно, наскільки квантове поняття руху далеко від класичного поняття руху по траєкторіям. Траєкторії можуть безупинно переходити одна в іншу шляхом деформації. Фігура ж Хладного з двома, наприклад, опорними лініями ніяк не може, не розірвавшись, перейти у фігуру з трьома або однією лінією.

Те ж можна сказати і про вузлові поверхні тривимірного руху. Щоб змінити число поверхонь у картині руху електрона, над атомом треба зробити роботу. Перехід відбудеться стрибком. Якщо робота буде менше певної величини, перехід не відбудеться. При кімнатній, наприклад, температурі теплової енергії руху атомів не вистачить, щоб змінити картину руху хоча б одного електрона. Тому, стикаючись, атоми поводяться як незмінні частинки древніх.

Поліморфні перетворення

Взаємодія атомів підпорядковується дуже складному закону. У загальних рисах її можна уявити собі так: на великих відстанях всі атоми слабо притягуються між собою, а на малих — сильно відштовхуються. При цьому їх електронні оболонки вже знаходяться в контакті. У цьому сенсі атоми нагадують тверді кулі. У всякому разі, виходячи з уявлення про атоми як про тверді кулі, вдається зрозуміти дуже багато чого в будові кристалів і хімічних сполук.

Якщо кулі викласти по прямій лінії, то щільне розташування здійсниться єдиним способом: сусіди будуть стикатися між собою. У двох вимірах, природно, більше можливостей. Візьмемо два ланцюжки з кульок. Їх можна привести в зіткнення двояко: або так, щоб кожна куля з одного ланцюжка торкнулася тільки однієї кулі з іншого ланцюжка: або так, щоб та ж куля торкнулася двох куль сусіднього ланцюжка. У другому випадку центри куль в обох ланцюгах будуть зрушені на довжину радіуса, а укладання виявиться щільніше, ніж при попарному торканні. Якщо заповнювати площину, кладучи так ланцюжок за ланцюжком, то в першому випадку центри розташуються по кутах квадратиків, а в другому — зразок неподільних сот.

У трьох вимірах ще більше комбінацій, тобто більше способів щільної укладки. Як, наприклад, розташовані атоми вуглецю в кристалічних решітках графіту і алмазу? У графіту в горизонтальних площинах атоми викладені шестикутним способом, але у самих площин центри лежать на одних і тих же вертикалях. Тому в цих площинах легко відбувається ковзання. Недарма графіт такий м’який і неміцний. Кристалічна сітка алмазу, символу твердості, виглядає інакше: щільна упаковка здійснена у всіх трьох вимірах, площин легкого ковзання немає і в помині.

А тепер розглянемо речовину, що складається з атомів двох сортів, а саме всім відомий лід. Атоми кисню в льоду розташовані у виді правильної кристалічної решітки. Від кожного атома можна провести лінії чотирьом іншим, і кожен атом виявиться тоді в центрі тетраедра, а інші чотири — на його вершинах. За цими з’єднувальними лініями розташовуються атоми водню. Але ж у воді на кожен атом кисню припадає по два атома водню, а не чотири. Значить, дві лінії, що відходять від атома кисню, зайняті водневими атомами, а дві нічим не зайняті. У результаті виходить, що у кристалічній решітці льоду багато порожнього місця: лід, як всі ми знаємо, досить м’який і під тиском легко перетворюється в більш щільно упаковані модифікації. Перетворення кристалів, при яких вони переходять з однієї форми в іншу, називаються поліморфними.

Але яким чином атоми вибирають той чи інший тип решітки? Що змушує атоми вуглецю вишикуватися чи то у граткий графіт, чи то у ґрати алмаза? На це є одна загальна відповідь: при даних зовнішніх умовах саме ця будова кристала відповідає рівновазі.

Що ж слід розуміти під рівновагою стосовно кристалів? Почнемо з самого простого поняття механічної рівноваги. Перебуваючи в нижньому положенні, маятник висить нерухомо. Він урівноважений. Якщо відхилити його і відпустити, він почне рухатися вниз, набуваючи при цьому кінетичну енергію. Тіло, що володіє кінетичною енергією, здатне здійснювати роботу. Нерухомий маятник в нижньому положенні не здатний, а відхилений здатний. Ми можемо дати визначення кожній рівновазі. Це такий стан, у якому система не здатна здійснювати роботи при заданих зовнішніх умовах — температури і тиску навколишнього середовища.

Метастабільний олівець

Незважаючи на те, що перетворення графіту в алмаз вимагає великої витрати енергії, стало вже цілком рентабельно виробляти алмази для технічних цілей. Теоретичні основи цієї технології розробив ще в 1939 році О. В. Лейпунський. Промислове ж виготовлення алмазів за його схемою почалося в п’ятдесятих роках минулого століття.

Але чому ж нерівноважні алмази все-таки зустрічаються в природі? Строго кажучи, алмази теж знаходяться у рівноважному стані, просто він менше рівноважного, ніж графіт. Це легко пояснити з допомогою простої механічної аналогії. Очищений олівець, що лежить на столі, знаходиться в стійкій рівновазі. Поставлений гострим кінцем на стіл, він потрапляє у рівновагу нестійку: маленька сила виводить його з цього положення. Але на тупий, неочищений кінець його поставити можна без зусиль. Щоб впустити його, потрібно не як завгодно мала, а кінцева сила. Потрібно злегка нахилити олівець так, щоб центр його тяжіння підвівся і опинився над точкою опори, тобто здійснити певну роботу. Вона буде повністю відшкодована при подальшому падінні олівця, але попередньо все-таки треба її звідкись зайняти.

Коли тіло або система виводяться з цього положення стійкої рівноваги, ця позика не відшкодовується. Олівець, що стоїть на тупому кінці, знаходиться в проміжній рівновазі, або в рівновазі метастабільній. Алмаз в природних умовах теж знаходиться в метастабільній рівновазі. З метастабільними станами ми зустрічаємося дуже часто. Зазвичай рідини, тверднучи, переходять у кристалічний стан і їх атоми розташовуються в певному порядку. Але буває й інакше. Рідке скло, наприклад, спершу стає настільки вузьким, що перебудова з безладного стану молекул в упорядкований не встигає відбутися. І скло — це не що інше, як рідина, що застигла в невпорядкованому, метастабільному, стані.

У дуже старому склі можна знайти сліди кристалізації, що йде віками. Кожному атому, щоб перейти в упорядковане становище щодо інших атомів, треба зробити деяку роботу, як би розштовхати навколишні атоми, які ще не стали на своє місце. Робота йде повільно: атоми або молекули в середньому не володіють достатньою кінетичною енергією теплового руху, з якої можна зробити позику для початкового поштовху. Дуже рідко окремому атому завдяки взаємодії з іншими атомами вдається накопичити велику кінетичну енергію, і мала частина решітки поблизу нього перебудовується. Кінетична енергія руху атомів і молекул зростає пропорційно абсолютній температурі, і з цим зростанням все більше і більше атомів набувають здатність викликати перебудову решітки.

Тепер зрозуміло, що потрібно для переходу графіту в алмаз. Так як алмаз щільніше графіту, потрібно в першу голову прикласти до графіту високий тиск, близько 100 000 атм. Під великим тиском більш тісне розташування атомів стійкіше, ніж менш тісне. Але цього мало. Потрібно ще підвищити температуру і створити особливі умови, при яких кристалізація відбудеться швидше. Тому В. О. Лейпинський запропонував виділяти кристалики алмазу з розчину вуглецю в рідкому залізі під високим тиском. Так отримують дуже дрібні, технічні алмази. Їх використовують як абразиви. Виготовляти алмази для ювелірних цілей сенсу немає: вони знеціняться і перестануть хвилювати уяву публіки. Але й у технічних алмазів з’являються надтверді конкуренти. Такий, наприклад, боразон (з’єднання бору з азотом), який в природі не зустрічається.

Картини з хвиль

Хвильова картина, яку ми бачили на фігурах Хладного, ще не містить в собі всі дані про рух електрона, як не містить орбіта Землі — всієї інформації про Землю. Адже Земля обертається навколо своєї осі. Всякий обертальний рух пов’язаний з певною механічною величиною — моментом обертання. Так само як і Земля, електрон володіє цим моментом, і цей момент не зобов’язаний переміщенню електрона в просторі. Мовою квантової теорії можна сказати, що власний момент обертання електрона не пов’язаний з хвильовою картиною його руху. Правда, дещо в чому він відрізняється від моменту Землі. Але подібності все-таки більше, як з моментом Землі, так і з моментами її аналогів — вовчка та веретена. Тому момент електрона і був названий спіном, що по-англійськи означає і вертіти веретено, і запускати вовчок.

Ці відомості про спін потрібні нам для того, щоб сформулювати основний принцип, що регулює поведінку електрона в багатоелектроному атомі. Одну і ту ж хвильову картину і одне і те ж значення проекції спіна може мати один і тільки один електрон в атомі. Так проголошує принцип Паулі. Цей фундаментальний закон дозволяє пояснити, як будується періодична система елементів.

Рівноважний стан атома відповідає його найменшій енергії. Це нам вже ясно. Якщо в атомі є один-єдиний електрон, як у водню, то хвильова картина, яка відповідає його найменшій енергії, зовсім не має вузлових поверхонь. Точно так само коливання струни або мембрани з найменшою можливою частотою не мають вузлів, і на мембрані виходить найпростіша фігура Хладного: пісок збирається біля країв, де мембрана затиснута, а всі вільні точки коливаються.

В атомі гелію, де два електрона, найменша енергія виходить тоді, коли хвильові картини руху обох електронів позбавлені вузлових поверхонь. Згідно з принципом Паулі, проекції спіна цих електронів протилежні за знаком. Зрозуміло, що третій електрон вже не може мати тієї ж хвильової картини: при будь-якому значенні проекції спіна йому буде заважати електрон, що вже зайняв такий стан. Виходить замкнута електронна оболонка гелію, що містить два електрони. На гелії закінчується нульовий період системи Менделєєва.

Такі електрони в атомах літію, берилію, бору і т. д. повинні мати хвильову картину з однією-єдиною вузловою поверхнею. Це може бути або сфера, що оточує ядро, або площина, що проходить через ядро. Але площина проводиться трьома незалежними способами, подібно координатним площинам. Разом зі сферою виходять чотири різні хвильові картини і по два значення проекції спіна для кожної з них, тобто всього вісім можливих станів. У кожному з них може перебувати не більше одного електрона. Коли будуть заповнені всі вісім станів, знову вийде замкнута електронна оболонка, яку має неон, схожий з гелієм своєю інертністю. Неоном завершується перший період системи Менделєєва, що містить як раз вісім елементів.

Керуючись принципом Паулі і проводячи вузлові поверхні в просторі, ми пояснили будова нульового і першого періоду системи. Далі йдуть хвильові картини з двома опорними поверхнями. Вони проводяться трояко: у вигляді сфер, що оточують ядро, площин, що проходять через початок координат, і подвійних конусів з вершиною в початку координат, тобто в ядрі. Поверхні останніх двох видів перетинають сфери по меридіанах і паралелях. Спочатку обидві вузлові поверхні — сферичні. З урахуванням спіна це дає два стани. Потім одна поверхня — сферична, а інша — плоска. Так як площина проводиться трояко, це дає нам ще шість станів. Стани з такими хвильовими поверхнями, двома сферичними або однією плоскою, а інший сферичний, знову заповнюється вісьмома електронами, чим і завершується другий період системи Менделєєва.

Тепер ніби повинні заповнюватися стани, у яких опорні поверхні — подвійні конуси. Але насправді періодична система будується більш складним способом. З’являються стани з трьома сферичними опорними поверхнями. Їх може бути два. І лише потім з’являються подвійні конуси, які змагаються з трьома сферами в тому, чия комбінація призведе до найменшої енергії атома. Енергії тих і інших близькі за величиною, тому заповнення йде нерегулярно: то переважають одні, то інші, і отримувані елементи слідують один за іншим не так, як у двох перших періодах.

У це змагання можна втрутитися, піддаючи атоми тиску в сотні тисяч атмосфер. Тиск змінює об’єм, що припадає на атом у речовині, і в тісноті енергії атомів змінюються теж: стани, які мали більш низьку енергію в стислому вигляді, виявляються власниками більш високої енергії при стисненні. Стани з трьома сферичними опорними поверхнями вже не можуть конкурувати з тими, у яких тільки дві конічні вузлові поверхні, і та область періодичної системи, де заповнення станів йшло нерегулярно, повністю перебудовується.

Всі властивості атомів залежать від того, які стани заповнені електронами. Якщо заповнений один стан зі сферичними опорними поверхнями понад повністю забудованою конфігурацією за типом благородного газу, наприклад гелію або неону, то атом має властивості лужного металу, відповідно літію або натрію. Зовнішній електрон легко відщеплюється, і це надає атому високу хімічну активність. Літій і натрій не втрачають своїх властивостей від високого тиску. Але ось ми доходимо до третього за рахунком лужного металу — калію. Зі своїми трьома сферичними поверхнями він вклинився в ряд атомів з двома поверхнями. Високий тиск залишає йому лише дві поверхні, і він перестає бути лужним металом. Тиском можна змінити властивості більшості елементів таблиці Менделєєва. Навіть залізо, яке колись було символом незмінності, під тиском не схоже на себе: не намагнічується, дає невластиві залізу з’єднання і так далі.

Металевий водень

Характерна властивість металів — їх здатність проводити електричний струм. Проводять електрику і лужні метали — літій, натрій, калій. Всі вони мають по одному електрону понад заповнених оболонок. Такі оболонки можна уподібнити ядру атома по відношенню до зовнішнього електрона, так як вони займають у просторі менший обсяг, ніж хвилева картина зовнішнього електрона. Але тоді у нас виходить, що будова атома лужного металу нагадує будову атома водню. Водень ж у твердому стані не метал — він чудовий ізолятор.

Справа тут в тому, що кристал водню побудований не з атомів Н, а з молекул Н2. Електронна конфігурація нагадує конфігурацію атома гелію: це теж замкнена оболонка, витягнута вздовж осі, що проходить через обидва ядра водню. Як і в оболонці гелію, у молекулі водню немає вузлових поверхонь хвильової картини руху електронів. Тому твердий водень такий ізолятор, як і твердий гелій.

Однак під достатньо високим тиском (за оцінкою А. А. Абрикосова, близько 2,5 мільйони атмосфер) молекули водню в кристалічному стані повинні розпастися на атоми, і його кристал отримає будова, подібну кристалам лужних металів, а значить, буде проводити електричний струм. Припускають навіть, і не без підстав, що атомарний кристал водню повинен бути не просто провідником, а надпровідником при кімнатній температурі. Чи зможе він служити для передачі енергії на великі відстані? Зможе, якщо залишиться метастабільним, а не перетвориться на звичайний водень після того, як з нього знімуть тиск. Елемент, що складається з ядер водню-протонів, може переходити в стійкий молекулярний стан не за рахунок теплового руху атомів, а при абсолютному нулі. Проти таких переходів безсилі правила техніки безпеки. Перетворення металевого водню в звичайний буде супроводжуватися виділенням енергії, яка в 30 разів більше, ніж енергія, що виділяється при вибуху тротилу. Як утилізувати таку небезпечну речовину?

Утилізувати її швидше за все не вдасться. Але це не означає, що металевий водень — марна іграшка. Вивчення і розуміння його властивостей необхідно нам для вирішення проблем, пов’язаних з будовою великих планет Сонячної системи. Завдяки своїй великій масі ці планети, особливо Юпітер, зібрали в собі багато водню.

Малі планети, навпаки, складаються в основному з важких елементів, які легше утримувати. Юпітер випромінює більше енергії, ніж отримує від Сонця, і тому світить значною мірою не відбитим, а своїм власним світлом, нехай тільки в одній інфрачервоній частині спектру. Вважають, що енергія для цього виходить в результаті того, що в надрах планети водень переходить в металевий стан. При такому переході щільність водню збільшується, а вся планета стискається. Кожен її сферичний шар ніби падає до центру у полі сил тяжіння. Частина енергії тяжіння, що звільняється при такому русі, і потім виділяється у вигляді власного випромінювання Юпітера. Так що, якщо вважати, що зірка — неодмінно самосвітне тіло, Юпітер — у відомому сенсі зірка, а не планета. Виходить, в нашій рідній Сонячній системі не одна, а дві зірки. Цей факт вартий десятка утилізацій! І ми додумалися до нього чисто логічно і цілком самостійно, не гірше стародавніх греків.

Автор: А. Компанієць.