Страница 23 из 52
Ответ пришел из парижской лаборатории на улице Байрона, где работал Луи де Бройль. Откровение ученого оказалось ошеломляющим. Частица-волна! Математическое выражение этого беспрецедентного в истории науки двуличия выглядело довольно непритязательно: λ = h/mv («ламбда» равна «аш», деленному на «эм» «вэ»). Но какую бурю оно вызвало в среде ученых!
Движению любого тела, обладающего массой и скоростью, де Бройль приписывал волновой характер. Например, теннисный мяч, отброшенный ракеткой со скоростью 25 метров в секунду, — тоже волны. Можно даже подсчитать их длину (λ); она составит 10–32 сантиметра. Это в миллиарды миллиардов раз меньше размеров атомного ядра. Понятно, почему в макромире, в царстве массивных тел, двойственность «волны-частицы» совершенно незаметна и не играет практически никакой роли. Зато в микромире…
Для электрона, вращающегося по околоядерной орбите со скоростью тысяча километров в секунду, подсчет дает длину волны, равную одной стомиллионной доле сантиметра. Это означает, что пучок электронов, несущихся с такой скоростью, должен вести себя подобно рентгеновым лучам. И действительно, эксперименты подтвердили двуличие электрона.
С одной стороны, у него давно уже были вскрыты все признаки крохотной крупицы материи. Скажем, вполне определенный вес. C другой — обнаружилось такое поведение при прохождении электронного пучка через кристалл, которое свойственно невесомому электромагнитному излучению!
Традиционные мерки, оказавшиеся не впору странному кусочку вещества-излучения, отбросила квантовая механика.
Весной 1926 года в Париж на имя де Бройля пришел пакет из Цюриха. В нем содержалось изложение волновой механики Эрвина Шредингера.
В этом пакете было будущее химии.
А незадолго до этого молодой геттингенский ученый Вернер Гейзенберг разработал свою матричную механику. Глубокое раздумье над дуализмом волны-частицы привело ученых к созданию особого математического аппарата для описания микрособытий, к которым неприложимы формулы ньютоновской физики.
Авторы в своих построениях опирались на разные, если не сказать несовместимые, посылки. Один хотел утвердить в физике волны и непрерывность, другой — частицы и прерывность. Оба оперировали несхожими математическими средствами. Но противоположные по духу и по методам волновое уравнение Шредингера и матричное исчисление Гейзенберга давали одинаковое приближение к реальности. Трудно было отдать предпочтение какой-нибудь из идей, хотя каждый автор отстаивал правомерность лишь своей механики. Но очень скоро новые эксперименты, подтвердившие волнообразность электронов, доказали безуспешность одностороннего подхода к одной из самых удивительных загадок микромира — дуализму (двойственности) корпускул-волн. Так две механики слились в одну, которую позже стали именовать просто квантовой.
Уже нельзя было мыслить себе электрон, как крошечную Луну вполне определенных размеров и формы, обращающуюся по геометрически четкой трассе вокруг маленькой Земли — атомного ядра. Орбита стала напоминать расплывчатое шаровидное облако, по которому «размазан» электрон-волна.
В 1927 году немецкие физики Вальтер Гейтлер и Фриц Лондон, исходя из новых представлений, оценили энергию связи и межъядерное расстояние для молекулы водорода. Теоретический расчет полностью совпал с экспериментальными данными!
Это означало больше, чем триумф квантовой механики. Это было рождение квантовой химии. Ведь молекула водорода — простейшее химическое соединение. Не просто сумма двух атомов, а сложная система, где ядра и электроны спаяны валентной связью в целостный коллектив со всеми присущими ему особенностями.
Древнее пробирное искусство получило невиданный доселе инструмент для исследования тончайших механизмов межатомного взаимодействия. Валентный штрих заговорил языком математики, волнуя химиков неожиданными откровениями, а подчас и сюрпризами.
Квантово-механический расчет вскрыл важный признак ковалентной связи — антипараллельность электронных спинов.
«Спин» в переводе с английского означает «кручение». Речь идет о вращении, но уже не вокруг ядра, а вокруг собственной оси при движении по орбите. Спин придает электрону свойства крошечного магнитика. Именно это обстоятельство не было известно Шредингеру, когда он рассчитывал атом водорода. Потому-то и появилось расхождение между расчетными данными и результатами опытов. Так математика привела к открытию в физике — подобно тому как в свое время Леверье, исходя из чисто математических расчетов, предсказал существование планеты Нептун.
Если спины параллельны, электроны «отпихиваются» друг от друга. Оказалось, что внутри дублета оба «веретена» направлены и противоположные стороны. Стало быть, электроны-магниты притягиваются. Такую пару электронов, у которых магнитные силы взаимно скомпенсированы, обычно изображают в вице двух параллельных стрелок с остриями, направленными в противоположные стороны.
Правда, электроны могут группироваться попарно и не вступая в химическую связь. Конечно, электрону, который сиротливо витает вокруг водородного ядра, можно объединиться лишь с электроном другого атома. Зато у следующего по порядку члена менделеевского семейства электронов ровно два. Они спарены. Их спины антипараллельны. Этим и объясняется химическая «леность» солнечного элемента, ибо атом способен образовать ровно столько валентных связей, сколько у него неспаренных электронов. У лития, прописанного в клетке № 3, на один электрон больше. Два спарены, третий лишний. И он «ходит бобылем». Потому-то литий и одновалентен. А вот у бериллия (№ 4) уже две электронные пары. У бора — две пары плюс один холостяк. У углерода? 3 пары? Нет, тоже две! И два «бобыля». Выходит, углерод двухвалентен? Но разве еще со времен Бутлерова и Кекуле не установлено твердо, что валентность углерода равна четырем?
Установлено. И она именно такова. Весь фокус в том, что атом может переходить из основного, пассивного состояния в возбужденное, активное. Активация атома бесцеремонно разделяет пары. Спины бывших напарников становятся параллельными. Разлученным электронам ничего не остается делать, как искать себе партнеров в другом атоме.
Однако если все напарники расстанутся, то углерод должен быть шестивалентным! Ведь у него шесть электронов. Почему же он присоединяет лишь четыре атома водорода? Почему в природе нет соединения CH6?
Дело тут вот в чем. Непосредственное участие в образовании химических связей принимают не все, а лишь наружные электроны. А на внешней электронной оболочке у углерода именно четыре электрона, у бора три, у бериллия два. Запрятанная внутри пара остается безучастной. Вот почему углерод четырехвалентен.
Но даже в окиси углерода валентность не равна двум, как это принято считать! Однако об этом позднее.
Когда разговор шел о наружных и внутренних электронах, имелись в виду различные оболочки атома. Эти электронные «одежки» чем-то напоминают деревянных матрешек, вставленных одна в другую. У углерода и прочих элементов второго периода менделеевской таблицы их две. В центре самой маленькой — ядро. Номер «матрешки» — считая от маленькой к самой большой — это главное квантовое число. Удвоенный квадрат его 2n2 определяет максимальное количество электронов, которым дозволено разместиться на одной оболочке. На первой у всех без исключения атомов не может находиться больше двух электронов (2·12). На второй — не больше восьми (2·22). На третьей — восемнадцати (2·32). И так далее. А между «матрешками» — запретная зона. Там вообще не место электронам. Так распорядилась природа. Так записано и в кодексе квантовой механики.