Глазами Монжа-Бертолле

Каждый электрон способен поглощать и испускать энергию лишь строго отмеренными дозами — квантами. Чем ближе к этому определенному значению энергия фотонов, тем сильнее возбуждается электрон. Если энергия фотона меньше, чем нужно для возбуждения электрона, активации не произойдет. Если же фотоны слишком энергичны, они тоже действуют слабо. Фотон не может расходоваться по частям. Это же квант — неделимая порция энергии! А электрон не способен принять больше энергии, чем требуется для активации. Ведь ему отведены вполне определенные уровни-слои в электронных оболочках. Значит, пальба из пушек по воробьям в микромире столь же неэффективна, как из рогатки по слонам. Наибольшее действие оказывают лишь те фотоны, калибр которых в точности соответствует масштабам мишени.

Другое сравнение, если угодно: электрон заряжается, как пистолет. И подходят для этой цели пули только одного калибра.

Электрон начинает колебаться, перескакивая вверх и вниз с орбиты на орбиту, в такт с ударами фотонов. В беспокойной обстановке такого «артобстрела» спаренным электронам трудно удержаться вместе, сохранив антипараллельность спинов. Но как только спины окажутся одинаковыми, электроны-магнитики тут же начнут отталкиваться друг от друга. И хотя энергия самого отталкивания не так уж велика, в электронном облаке, окружающем атомные ядра в молекуле, происходят глубокие изменения. Молекула разваливается на куски.

Этому помогают и колебания атомных ядер. Они то сжимают, то растягивают пружину химической связи. И тем сильнее, чем интенсивней инфракрасное излучение, чем выше температура. Электронное облако молекулы пульсирует в такт с колебаниями ядер. Наконец в многоатомной молекуле взаимодействуют между собой и «пружины» соседних валентных связей.

Ультрафиолетовое излучение Солнца наиболее опасно для связей O—H в молекуле H2O. До поверхности Земли оно почти не доходит, поглощаясь атмосферой. Здесь вода чувствует себя спокойно (если, конечно, ее молекулы не подвергаются сильному нагреванию). Зато на больших высотах она не выносит обстрела и разрушается.

Итак, началом конца валентной связи оказывается расторжение союза между двумя электронами-магнитиками. Обретая параллельные спины, электроны отчуждаются. Но за этой враждой стоят куда более могущественные силы. Прежде всего — электростатическое отталкивание ядер. И самих электронов (ведь они тоже одноименные заряды!). Наконец, увеличение кинетической энергии электронов при перескоке на более высокую орбиту. Когда все это вместе взятое превысит силы внутримолекулярного сцепления, разрыв валентной связи неминуем.

Что же противостоит в молекуле силам, подрывающим ее изнутри?

Не притяжение электронов-магнитиков — мы это давно уже установили. Быть может, кулоновское взаимодействие между электронами и ядрами разных атомов? Но почему тогда так необходима антипараллельность электронных спинов, чтобы связать атомы валентными узами? Ведь тяготение электронов-магнитиков прямо-таки мизерно! Во всяком случае, ни в какое сравнение не идет с их электростатическим отталкиванием.

Атом — равновесная система. Молекула тоже. Мы выяснили, что разрушение внутримолекулярной связи требует затраты энергии. Стало быть, ее образование должно сопровождаться высвобождением того же количества энергии. И действительно: энергетическое состояние молекулы выгоднее, чем у двух разрозненных атомов. Но чтобы сблизившиеся атомы могли прореагировать, перейти из одного равновесного состояния в другое, их надо слегка подтолкнуть.

Эту миссию и выполняют антипараллельные спины.

Можно ли щелчком проделать дырку в заборе? Разумеется, нет; это хорошо знали наши пращуры, когда долбили стены осажденной крепости массивным тараном. Но если нажать на курок пистолета, легко прострелить не только доски, а и стальную броню.

Еще пример. Можете ли вы, слегка подтолкнув своего товарища, заставить его прыгнуть на добрых три десятка метров? Разумеется, да, если он наденет лыжи и взберется на трамплин. Слабенькое усилие — а какой эффект!

Энергия спинового взаимодействия тоже мала. Она не способна скрепить межатомный союз печатью нерасторжимости. Антипараллельные «веретенца» — слишком слабые крючочки, чтобы удерживать атомы в молекуле. Однако сыграть роль спускового крючка они в состоянии.

К сожалению, это очень грубая аналогия, хотя и наглядная.

Капелькам ртути достаточно соприкоснуться, чтобы они слились. Вот именно: соприкоснуться. Пока их разделяет прослойка воздуха, пусть даже наитончайшая, они существуют сами по себе. Подтолкнуть их друг к другу ничего не стоит. Во всяком случае, для этого, когда они рядом, требуется гораздо меньше усилий, чем разделить их и раздвинуть на ту же дистанцию, когда они уже слились. Но как бы мизерна ни была энергия толчка в сравнении с энергией слияния, без нее не обойтись.

Нечто подобное, по-видимому, происходит и когда сближаются два атома. Именно взаимное влечение магнитиков-спинов высвобождает, словно джинна из бутылки, огромную энергию химической связи. Взаимное же отталкивание, наоборот, еще туже завинчивает пробку на «бутылке с джинном».

Когда сближаются два водородных атома, начинается схватка противоборствующих сил. Антипараллельность спинов примагничивает электроны обоих атомов. Но ведь электроны — не что иное, как одноименные электрические заряды! Естественно, между ними возникают силы кулоновского отталкивания. И не только между ними. Ядра обоих атомов (протоны) тоже заряжены одноименно. А раз так, то и они отнюдь не настроены к сближению. Однако у них заряд со знаком «плюс». Стало быть, протон первого атома будет притягивать электрон второго. И наоборот.

Чем-то закончится эта драматическая сцена?

Мирным финалом. Как бы ни бушевали страсти в борьбе микротитанов, чья-то неодолимая сила влечет навстречу друг другу ядра, которые упираются, словно поссорившиеся Иван Иванович и Иван Никифорович. Влечет до тех пор, пока ее не погасит взаимное отталкивание протонов. Достигнув этой дистанции, ядра больше не сближаются. Но и не удаляются одно от другого. Атомы обмениваются электронами. Наступает равновесие сил. Так возникает молекула.

А энергия связи? Что ее порождает?

Взаимодействие электронов сопровождается так называемым расщеплением уровней энергии. У независимых атомов было по одному самому низкому уровню. Но как только электроны вступили во взаимодействие, у сблизившихся атомов в соответствии с законами квантовой механики образуется по два энергетических уровня. Один лежит выше, другой ниже прежнего уровня свободного атома. Первый отведен электронам с параллельными спинами, второй с антипараллельными. На повышенном уровне энергия системы больше, чем у свободных атомов. Соединение в молекулу энергетически невыгодно. Потому оно и не происходит. Если же электроны очутятся на более низком уровне, система получит энергетический выигрыш, станет более устойчивой. Но в том-то и дело, что опуститься туда дано лишь электронам с антипараллельными спинами!

Так благодаря антипараллельности спинов высвобождается энергия химической связи. Она равна разности двух энергий, одна из которых соответствует уровню свободного атома, другая — уровню молекулы.

Математический расчет свидетельствует, что вклад кулоновского тяготения в энергию связи довольно скромен: что-то около десятой доли. Что же придает силы воображаемому «джинну» химической связи, который столь властно утихомирил разбушевавшиеся стихии микромира?

Обменное взаимодействие электронов.

Запомните этот термин. Потом мы с ним встретимся, когда пойдет речь о лечении психических расстройств с помощью интегралов.

Эпитет «воображаемый» применительно к сказочному джинну вполне уместен. Облик порой доброго, порой злого, но всегда могучего «духа» не раз вставал перед нами со страниц восточных сказок. К сожалению, обменное взаимодействие, скрывающееся за этой метафорой, вообразить значительно труднее. И постигнуть секрет его могущества невозможно, не разобравшись в квантово-механических премудростях того, как движутся электроны вокруг ядер в молекуле водорода.