Планетарная модель атома.

Большинство из нас представляет, как выглядит атом по картинкам из школьного учебника физики: протоны и нейтроны, связанные вместе в ядре, а электроны вращаются вокруг него. Похоже, что если бы нужно было сфотографировать атом, мы бы это увидели именно это? Или это ошибка?

Наше понимание атомов резко поменялось за последние 100 лет. Начиная с экспериментов Резерфорда с ядром до открытия нейтронов ученые все глубже раскрывали природу строительных блоков Вселенной. Но почти всех нас в школе учили, что атомы в основном это пустота вокруг плотного ядра, в которой парят крошечные электроны, вращающиеся на разных уровнях энергии.

Но эта картина неверна, в первую очередь потому, что электроны не являются точечными частицами. Дело в том, что электроны скорее «размытые» в пространстве, чем точечные. На них вообще сложно показать пальцем «вот электрон!».

Это связано с их «квантовой волновой функцией», которая представляет собой навороченный способ объяснить, что они существуют как поле вероятности, а не как отдельные частицы. Это звучит очень-очень странно, но попробуем разобраться.

Допустим, у нас есть электронсам по себе, поблизости нет атомов или электромагнитных сил, действующих на него. Электрон «расположен» там, где он наиболее вероятен, и чем дальше от этой точки, тем экспоненциально менее вероятно, что Электрон там находится. Скорость, с которой эта вероятность уменьшается по мере удаления, известна как квантовая волновая функция частицы.

Это означает, что существует очень-очень маленькая вероятность того, что электрон может исчезнуть здесь и внезапно появиться на другом конце Вселенной. Однако шансы настолько малы, что этого практически никогда не произойдет.

Можно было бы сказать, что электрон продолжает исчезать и появляться снова, что означало бы, что он создает это поле вероятности (что является обычной интерпретацией электронного облака). Но это не совсем так, как показал эксперимент с двумя щелями.

В эксперименте с двойной щелью можно использовать фотоны света или электроны, поскольку сам этот принцип одинаков для обеих частиц. Фотоны также существуют не как точечные частицы, а как поля вероятности.

Эксперимент пропускает один фотон/электрон через две очень близкие щели на первом экране, а затем позволяет лучу света/электронов подсветить второй экран (показанный на изображении ниже). По одной частице за раз.

(Иллюстрация: WIKICC)
(Иллюстрация: WIKICC)

Если запустить их в быстрой последовательности, то получится поток одиночных фотонов/электронов, проходящих через двойные щели. После этого попробуем зафиксировать все их положения на экране, так что бы можно было увидеть их распределение на втором экране.

Если бы они действовали как точечные частицы, мы бы должны были получить две непрерывные яркие полосы на экране позади. Это потому, что частицы должны проходить с равной вероятностью через одну из двух щелей.

Но вместо этого мы видим совсем другое — получается картина интерференции.

Двойной щелевой интерференционный паттерн. (Изображение: WIKICC)
Двойной щелевой интерференционный паттерн. (Изображение: WIKICC)

Это связано с тем, что квантовая волновая функция частиц фактически проходит через обе щели, заставляя ее конструктивно и деструктивно вмешиваться в саму себя, как показано на анимации ниже.

Моделирование эксперимента с двойной щелью. (Анимация: Thomas Bronzwaer)
Моделирование эксперимента с двойной щелью. (Анимация: Thomas Bronzwaer)

Это звучит очень странно, как и все, что касается квантовой физики!

Итак, попробуем разобраться, начиная с самых основ.

Когда электрон или фотон проходит мимо нас, мы не рассматриваем его как точечную частицу из-за его квантовой волновой функции. Вместо этого он проходит скорее как волна, поскольку вероятность его обнаружения сначала постепенно увеличивается, а затем уменьшается. Это означает, что эти частицы на самом деле действуют как волны (длина волны определяется квантовой волновой функцией, отсюда и название).

И так же, как волны, эти частицы могут воздействовать друг на друга. То есть, если у нас есть два потока частиц, где встречаются пики и впадины, мы увидим конструктивную интерференцию с сигналом удвоенной силы. А если пики совпадают с другими впадинами, мы получаем деструктивные помехи, и сигнал полностью гаснет. Это показано на гифке ниже.

Интерференция волн. (Иллюстрация: WIKICC)
Интерференция волн. (Иллюстрация: WIKICC)

Это именно то, что вызывает ту интерференционную картину, наблюдаемую в эксперименте с двойной щелью, даже несмотря на то, что есть только один фотон/электрон. Квантовая волновая функция проходит через обе щели, действуя как волна, а не как частица, эффективно создавая две волны от одной и той же частицы! Затем они смешиваются друг с другом, и мы получаем красивые полосы на втором экране.

Это показывает, что мы не можем воспринимать электроны как точки; они занимают в пространстве нечеткую область вероятности.

Так что это значит для атомов?

Что тогда происходит с этими аккуратно прорисованными четкими орбитами отдельных электронов? А как насчет орбит разного уровня энергии, которым нас учили в химии? Все это тоже было неправильно?

Давайте разберемся и упростим. Начнем с того, как электроны выглядят внутри атомов, затем перейдем к различным энергетическим орбитам и, наконец, к тому, как на самом деле выглядят атомы.

Итак, как же эта нечеткая характеристика вероятности вращается вокруг атома? Вспомним, что если электрон это волна, то надо учесть длину этой волны, которая и вызвала интерференционную картину? Здесь тоже самое; просто эта волна обернута вокруг атома.

Электрон по-прежнему связан с ядром за счет своего заряда; эта часть осталась прежней. За исключением того, что вместо того, чтобы вращаться вокруг ядра, атом искажает форму поля вероятности электронов. Это фактически означает, что электрон оборачивает свою квантовую волновую функцию вокруг ядра.

Вместо того, чтобы иметь красивую аккуратную орбиту, на которой электрон всегда находится на одном и том же расстоянии от ядра, он может быть действительно ближе или дальше, или где-то посередине этих крайних расстояний. Мы получаем туманное облако вероятности электрона вокруг атома, известное как электронное облако.

А как насчет всех уровней энергии? Они похожи на те, какими нам их представляли на уроках в старшей школе?

Атом. (Анимация: GfyCat)
Атом. (Анимация: GfyCat)

Другое утверждение об устройстве атомов в школьной программе гласит, что атомы имеют разные энергетические «оболочки», на которых электроны могут вращаться, и это повторяющиеся сферические «оболочки» вокруг ядра. Если бы у атомов появилась дополнительная энергия, то электроны бы вращались во внешних «оболочках» с более высокой энергией.

Не трудно догадаться, что это тоже не может соответствовать реальности. Если у электронов нет заданного орбитального расстояния, то не может возникнуть разных энергетических оболочек. Правда об энергетических оболочках намного прекраснее того, о чем мы могли бы фантазировать.

Эти оболочки представляют собой не расширяющиеся концентрические оболочки, а сложные пузыри электронных облаков. Различные пузыри электронных облаков взаимодействуют друг с другом, и это придает им множество красивых и причудливых форм, например, представленных ниже:

Водородные орбиты 3D. (Иллюстрация: WikiCC)
Водородные орбиты 3D. (Иллюстрация: WikiCC)

Хотя это симуляции, а не фактические образы, они демонстрируют странную, похожую на пузырь, нечеткую природу атомов. Они окружены сложными электронными облаками, которые взаимодействуют друг с другом, образуя красивые симметричные и странные формы.

Но формы этих орбит могут изменяться на разных энергетических уровнях, как показано на изображении выше. Квантовые волновые функции разных электронов могут согласовываться друг с другом, поскольку разные электроны получают больше энергии и изменяют свою квантовую волновую функцию (эффективно изменяя свою «длину волны»). Это означает, что простой атом, такой как водород, может иметь все эти различные формы электронного облака, создавая разные уровни энергии и меняя внешний вид атома.

Эти электронные облака странной формы — это то, что придает химическим связям уже их форму. Каждый из них является точкой соединения элементов для образования химических связей. С электронным облаком в форме клевера у нас есть четыре возможные связи. Вы можете создать прямое соединение или искривленное.

Итак, если бы мы могли «сфотографировать» атом, что бы мы увидели?

Моделирование электронного облака 2D. (Иллюстрация: WikiCC)
Моделирование электронного облака 2D. (Иллюстрация: WikiCC)

Мы бы увидели эти нечеткие мутноватые формы, некоторые более сферические, другие более сложные, как бы атом в калейдоскопе. Некоторые из атомов будут разделять между собой эти электронные облака, поскольку они образуют связи, как атомы, взявшиеся за руки. Но главное, что мы бы увидели, — это нечеткая природа, это красивые, симметричные, но в конечном итоге не очень точные по форме объекты.

Так что в следующий раз, когда кто-то скажет, что атомы в основном пустое пространство, можно смело поправить знатока и сказать, что они на самом деле до своих границ заполнены электронными облаками.

Это наиболее близкое описание того, как выглядят одни из самых маленьких частиц Вселенной, которое сильно отличается от их обычного представления. Но это нечеткое изображение шара дает нам невероятно красивый мир в масштабе атома со сложными симметричными формами, выглядящими почти как причудливые цветы. Это просто еще раз доказывает, насколько глубоко укоренилась красота в природе и во Вселенной.

Источник-https://zen.yandex.ru/futurycon

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *