Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote in otrageniya,
Морозов Александр Гавриилович
moralg
otrageniya

Category:

О протонах, электронах и атомах на пальцах. По понятиям Творца...

      Жил в начале прошлого века человек по фамилии Паули. Прославился тем, что озвучил суровую епитимью на электроны, запретив им садиться более чем по двое на один энергетический уровень в атомах. Да и вдвоем разрешил садиться так, чтобы второй из них обязательно сидел вверх тормашками по отношению к первому.

      Будем, однако, благодарны этому Паули. Ибо без его епитимьи, названной позднее принципом запрета Паули, не было бы никакой химии, никаких молекул кроме молекулы водорода и не было бы никакой Жизни. За что ему, несомненно, следует присвоить чин архангела. И заодно посмотреть на тот порядок в атомах, который он установил вместе с другими архангелами квантового мира. По тем понятиям, которые внушил им Творец.


      1. Создание кирпичиков для постройки атомов. Творец понимал лозунги Свободы, Равенства и Братства весьма своеобразно. Он признал Равенство электрона и протона по росту и ширине спины величине электрического заряда и магнитного момента (спина). Но по толщине кошелька массе сделал их очень разными. Подарив протону массу почти в 2000 раз большую, чем электрону.

      Свободу Всевышний понимал как осознанную необходимость. Даруя ее только тем электронам, которым внешние силы смогли навязать эту идею. Остальные же электроны отдал в рабство протонам. Внушив им, что это рабство и есть проявление Братства.

      И тут в игру вступил архангел Гайзенберг. Заметив, что по замыслу Творца мир не должен быть заполнен точечными, то есть имеющими нулевой размер, частицами. И потому наложил свой запрет, названный позднее принципом неопределенности:

                                               Δv * Δx > h / m,         (1)

где h - постоянная уже старого к тому моменту архангела Планка, а m - масса частицы (протона или электрона). О чем говорит этот запрет? Он говорит, что если, не дай бог, электрон или протон станут имеющими нулевой размер частицами (неопределенность их положения Δx = 0), то неопределенность их скорости Δv станет бесконечной и неизвестно где они окажутся в следующий момент времени. Что недопустимо. Ибо Творец запретил кому либо двигаться со скоростью большей скорости света. Поэтому то же самое неравенство можно записать так:

                                                    Δx > h / ,          (2)

где с - скорость света.

      Из неравенства (2) следует, что минимальный размер имеющей массу частицы Δxmin ~ h / mс. Отсюда следует, что размер протона никак не может быть меньше примерно одной десятитриллионной части сантиметра {~ 10 ↑ (-13) см}. Протон так и поступил - сделал свой размер чуть больше этого минимума.

      А размер электрона по тому же неравенству не может быть меньше нескольких миллиардных долей сантиметра. Электрон неукоснительно соблюдает это правило. Приближаясь к указанному минимуму лишь в самых внутренних электронных оболочках атомов с самыми большими атомными номерами. И далеко и вольготно удалясь от этого минимума в атомах с малыми атомными номерами.

      2. Атом водорода. Атом водорода устроен проще пареной репы. В нем один протон и один электрон. В школе нас всех учили, что электрон вращается вокруг протона. Ничего подобного. Электрон в основном состоянии атома водорода вокруг протона не вращается. Он выбрал для себя роль шубы, надежно экранирующей своим зарядом равный по величине заряд протона. Вот так:

Рис.1. Атом водорода.

      На этой картинке внизу - график вероятности обнаружения электрона на конкретном расстоянии от протона. Ибо позиция "0" на графике определяет местонахождение протона. А электрон образует собой сферически симметричную шубу вокруг протона. И вверху картинки - изображение этой электронной шубы в атоме водорода. Диаметр этой шубы - примерно одна стомиллионная доля сантиметра. Что в десятки раз больше разрешенного электрону архангелом Гайзенбергом минимального размера.

       Шуба эта сидит на протоне достаточно прочно. Чтобы ее снять, то есть ионизовать атом водорода, надо затратить немало энергии. Конкретно - 13,6 электронвольт (эВ - единица измерения энергии в атомной физике). Если делать это квантами света, то нужны фотоны с длиной волны вчетверо меньшей длины волны фиолетового света. И, следовательно, вчетверо энергичнее фиолетового фотона. Такие фотоны мы своими глазами не воспринимаем.

      Почему водород одновалентен? У него только один электрон и только его он может командировать на наведение связи с другим атомом. Но у него есть и еще одно место на его основном энергетическом уровне (1s - уровень), которое принцип запрета Паули оставил свободным. Поэтому водород может и пригласить в свою шубу один электрон из другого атома. Оба варианта делают водород одновалентным.

      У атома водорода есть и возбужденные состояния, в которых электронная шуба протона может раздуваться или даже деформироваться. Но дабы не замыливать никому мозги изображать такие шубы не буду.

      3. Атом гелия. В ядре атома гелия - два протона и два нейтрона (нейтрон - это практически протон без электрического заряда). Ясно, что такое ядро своим электрическим зарядом вдвое сильнее притягивает электроны, чем один протон. И потому оба электрона атома гелия находятся заметно ближе к ядру, чем электрон в атоме водорода. Из приведенного ниже графика следует, что атом гелия, как размер шубы ядра гелия, почти вдвое меньше атома водорода.



      Рис.2. Размеры атомов (по горизонтали - атомный номер, равный числу протонов в ядре атома, по вертикали - радиус атома в нанометрах, равных десятимиллионным долям сантиметра).

      В атоме гелия оба электрона сидят на одном энергетическом уровне 1s. И образуют единую сферически симметричную электронную шубу для атомного ядра. Но эта шуба по сравнению с шубой в атоме водорода обладает двумя особенностями. Во-первых, эта шуба двусторонняя - пошита и мехом вверх и мехом вниз. В том смысле, что принцип запрета Паули позволяет обоим электронам сидеть на одном энергетическом уровне только в таких позициях, в коих их спины (магнитные моменты) противонаправлены - у одного вверх, у другого вниз. Неважно, что понимать под верхом, лишь бы низ был в противоположном направлении.

      Во-вторых, из-за более сильного притяжения к ядру гелия его электронную шубу труднее с него снять. Из графика на рис. 3. видно, что энергия, необходимая для отрыва только одного электрона от атома гелия почти вдвое больше, чем энергия отрыва электрона от атома водорода. Конкретно - 24,6 электронвольт. Поэтому для ионизации атома гелия нужен почти вдвое более жесткий, чем для ионизации водорода, ультрафиолетовый фотон. И по этой же причине гелий практически ни с какими атомами не вступает в химические реакции - слишком энергетически затратно направить хотя бы один электрон атома гелия на организацию химической связи с любым другим атомом. Из-за чего мы вынуждены считать гелий химически нейтральным.


      Рис. 3. Энергия, необходимая для отрыва одного электрона от атома (по горизонтали - число протонов в ядре атома, по вертикали - энергия однократной ионизации в электронвольтах).

      4. Атомы лития и бериллия. У атомов лития и бериллия по 3 и 4 протона в ядре соответственно. Внутренняя шуба из двух электронов еще более компактна, чем у гелия. И ее электроны ни в каких химических реакциях никогда не участвуют. Но появляется внешняя электронная шуба из одного (у лития) и двух (у бериллия) электронов, сидящих на гораздо более высоком энергетическом уровне. Который будем называть вторым (2s - уровень). Внешняя шуба, как и внутренняя, сферически симметрична. Из-за более слабой связи электронов внешней шубы с ядром размеры этих атомов больше, чем у атома водорода (рис.2), а энергия связи - существенно меньше (рис.3). Поэтому литий и бериллий имеют валентности 1 и 2 соответственно.

      5. Атомы от бора до неона. У всех этих атомов энергетические уровни 1s и 2s полностью заняты - архангел Паули запретил на них садиться другим электронам. Но есть довольно близкий к уровню 2s по энергетике уровень 2р. И на него можно сажать электроны, которые будут вращаться вокруг ядра атома, создавая третью шубейку. Совсем не сферически симметричную. На этот уровень можно посадить до 6 электронов (больше Паули не позволит). На уровне 2р бор имеет один электрон, который обычно отдает другому атому, вступая с ним в связь. И потому бор одновалентен.

      У углерода на энергетическом уровне 2р два электрона, но он взял в привычку не отдавать их другим атомам, а приглашать электроны других атомов на 4 еще свободных места на энергетическом уровне 2р. Становясь, тем самым, 4-валентным. И такое гостеприимство было вознаграждено Творцом -  углерод стал базовым элементом любых проялений мыслимой нами Жизни.

      Другие элементы этой же строки таблицы Менделеева, как и других ее строк, обсуждать здесь не буду. Большинству из вас будет достаточно уже написанного, а кому недостаточно - сам разберется.

      Но в заключение хочу отметить два важных момента. Самые большие по размеру атомы - не более чем в 5 раз больше атома водорода, самые маленькие - не более чем в два раза меньше атома водорода. И у всех энергетика взаимодействия между собой лежит в полностью в ультрафиолетовом диапазоне. Оберегая наши глаза, не восприимчивые к фотонам этого диапазона, от ослепительных свершений Творца.

      Какую изобретательность проявил Творец, создав столь многообразный набор кирпичиков мироздания, не слишком сильно различающихся по размерам и энергетике взаимодействия между собой!



Tags: moralg, Университет сообщества, Физика на пальцах
Subscribe
promo otrageniya april 14, 06:25 67
Buy for 40 tokens
Привет всем участникам Отражений и нашим гостям! С настоящего момента вступают в силу изменения в правила, поэтому прошу авторов ознакомиться с нижеследующим. 1. Каждый участник может опубликовать один пост в день. Чтобы иметь возможность публиковать до трех тем в день, участник должен соблюсти…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 39 comments