Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд

Рис. 4.3 (продолжение). Каждый подобный уровень может содержать 2 × (2l + 1) электронов. Стрелки (указывающие вверх или вниз) соответствуют допустимым спиновым квантовым числам (s = +½ или s = —½). Ни у каких двух электронов не могут совпасть все три квантовых числа n, l и s; круги показывают возможные расположения, которые согласуются с данным правилом. У Водорода, изображенного слева, всего лишь один электрон, занимающий положение 1s1. У Хлора, с семнадцатью электронами (правый столбец), заполнены два свободных места на 1s-подуровне; два – на 2s-подуровне, шесть – на 2p-подуровне; два – на 3s-подуровне и пять свободных мест из шести на 3p-подуровне. Шкала полутонов, которая в данном случае выстроена в соответствии со значениями главного квантового числа n, нумерующего энергетические уровни, совпадает со шкалой полутонов в Периодической таблице (рис. 4.1)

Здесь содержится ключ к сродству того или иного элемента с другими или к отсутствию такого сродства: атомы любят заполнять свои оболочки. Хлор в этом почти преуспел: еще один электрон, и все будет в полном порядке. Даже если ему удастся обзавестись хотя бы одним электроном, переняв его от какого-нибудь иного атома, все будет лучше, чем эта зияющая брешь на 3p-подуровне. Он мог бы заимствовать одинокий электрон у Водорода и преобразиться в сильную соляную кислоту, HCl; мог бы захватить почти столь же одинокий электрон с самой внешней оболочки Натрия, занявшего третью строку Периодической таблицы, и образовать соединение NaCl, известное нам под названием поваренной соли; или мог бы даже вступить в реакцию с Калием из четвертой строки, и создать хлорид калия, KCl – заменитель соли для тех, кто находится на строгой бессолевой диете.

Обратите внимание, что у Аргона (Ar), элемента, идущего в Периодической таблице вслед за Хлором, количество протонов на один больше – и, следовательно, у него настолько же больше электронов, что позволяет ему заполнить 3d-подоболочку. Благодаря этому Аргон становится одним из надменных и самовлюбленных атомов, совершенно равнодушных к любым попыткам установить с ними контакт, поскольку его внешний подуровень заполнен и у него нет необходимости ни делиться своими электронами с другими атомами, ни перенимать электроны у них – он и так чувствует себя совершенно самодостаточным. Все элементы в самом правом столбце Периодической таблицы называются «благородными газами», что указывает на их абсолютное нежелание связываться с остальным простонародьем.

Благодаря этой системе проясняется структура трех первых строк Периодической таблицы. Электронная конфигурация у Водорода – 1s1, у Гелия (He) – 1s2; Водород пребывает в поиске, а Гелий вполне спокоен и доволен жизнью. Следующие восемь элементов во второй строке – это Литий (1s22s1 – можно сказать, что он в отчаянии); Бериллий (1s22s2 – ему уже слегка получше); Бор (1s22s22p1 – здесь у нас гордый одиночка); Углерод (1s22s22p2 – может поделиться двумя электронами и взять напрокат четыре, так что есть где развернуться); Азот (1s22s22p3 – прекрасно сочетается с двойником: у него три электрона на самой внешней оболочке или три свободных места, в зависимости от того, как посмотреть, – вспомните это, когда дойдете до конца главы); Кислород (1s22s22p4 – будет только счастлив присоединиться к двум Водородам); Фтор (1s22s22p5 – тоскует по одинокому спутнику) и Неон (1s22s22p6 – доволен как слон). Потом мы начинаем снова, с третьей строки, где у нас оказывается Натрий (1s22s22p63s1 – все как у Лития и Водорода), и так далее (рис. 4.4). Итак, в столбцах Периодической таблицы обозначены атомы со сходными конфигурациями внешних электронных уровней, каждый из которых примерно одинаково стремится поделиться своими электронами или принять их от другого элемента, в то время как строки указывают на то, что мы перемещаемся на другую орбиту, расположенную дальше от ядра.

Обратите внимание, что в четвертой строке структура таблицы меняется, поскольку в действительности 4s-подуровень находится немного ниже 3d-подуровня, способного вместить 2 × (2 × 2 + 1) = 10 электронов (см. рис. 4.4). Именно поэтому четвертая строка начинается с Калия и Кальция, у которых конфигурация самой внешней оболочки, учитывая количество электронов, записывается, соответственно, как 4s1 и 4s2, а за ними следуют Скандий (…4s23d1), Титан (4s23d2), другие элементы вплоть до Цинка (…4s23d10), и лишь после этого у нас появляется Галлий с электронами на 4p-подоболочке (…4s23d104p1). Пятая строка воспроизводит ту же самую модель: у элементов, с которых она начинается, есть электроны на 5s-подуровне, потом совершается переход к 4d-подуровню, и лишь после ее заполнения мы вновь возвращаемся к 5p-подуровню (см. рис. 4.4).

Рис. 4.4. Строение электронной оболочки, представленной на рис. 4.3, для девяноста четырех элементов, встречающихся в природе. Каждый электрон отмечен символом элемента, у которого он оказывается самым внешним (также указаны атомные номера). Например, у Алюминия (Al) 13 электронов, и самый внешний находится на 3p-подуровне, о чем свидетельствует запись 3p1. Шкала полутонов и толщина линий совпадают с рис. 4.1 и 4.3

В шестой строке все становится еще сложнее, поскольку 4f-подуровень (способный содержать до 14 электронов) вкрадывается между 6s-подуровнем и 5d-подуровнем, вследствие чего за Барием (…6s2) следуют четырнадцать так называемых «лантаноидов» (отмеченных в таблице астериском), а потом располагаются Лютеций (…5d1) и Гафний (…5d2). Эта система повторяется в седьмой строке после 88-го элемента (Радий, 7s2). Сюда украдкой пробирается Актиний со своим электроном (5f1), а вслед за ним мы находим пять самых тяжелых элементов из всех, какие только встречаются в природе, и еще двадцать четыре, которые нам удалось создать (впрочем, лишь на краткое время) в лаборатории. Срок существования первых пяти искусственно произведенных элементов варьируется от нескольких столетий до года, следующие девятнадцать живут от нескольких месяцев до всего лишь кратких миллисекунд, и неудивительно, что ни один из них не продается в сети Walmart. В теории остров стабильности предполагается у 126-го элемента, но если учесть, что нынешний рекордсмен, Оганесон, располагается в таблице под номером 118, а срок его существования составляет меньше двух десятых долей секунды, то добраться до этого острова, вероятно, будет невозможно.

Правила, изложенные выше, могут на первый взгляд показаться произвольными, но у них есть реальные основания в нашей математической модели квантового мира, и они позволяют нам предсказывать закономерности поведения, отраженные в Периодической таблице химических элементов. Однако для наших целей нам, по большей части, не нужны подробности, о которых нам известно благодаря постижению квантовой механики. Нам необходима модель, которая бы позволила рассчитывать срок жизни атомов, использовать его в наших интересах и интерпретировать. Принципы, о которых мы говорили в этой главе, дают для этого основу, и чтобы применить их в воссоздании истории, нам нужно лишь понять, как они связаны с понятием энергии.

Энергия

Энергия