Структура атомов

Развитие квантовой теории позволило понять структуру атома: почему атомы каждого элемента обладают характерными химиче­скими свойствами, как атомы объединяются в химические соедине­ния и многое другое. Вычисления в квантовой механике основаны на уравнении Шрёдингера, выведенном в 1926 году австрийцем Эрвином Шрёдингером, работавшим тогда в Цюрихе Поскольку тогда уже было ясно, что электроны можно рассматри­вать как волны, Шрёдингер представил электроны в атомах как ко­лебательное явление. Он показал, что только определенные виды колебаний могут длиться долго, как у музыкального инструмента с долго звучащей отдельной нотой. «Ноты» в атоме соответствуют электронным орбитам Бора

Модель Бора для атома водорода далее была развита в Оболечечную модель Атома, которая объясняет периодическую систему элементов. Вместо предложенных Бором орбит мы сейчас говорим об оболочках атома. Элементы тяжелее водорода имеют несколько электронов, находящихся в разных оболочках. Но электроны не мо­гут свободно выбирать оболочку, в которой они могли бы находить­ся; в наиболее спокойном состоянии оболочки атома заполняются электронами снизу вверх (от ядра наружу), до тех пор, пока все элек­троны не найдут свое место. Химические свойства определяются уровнем заполнения самой внешней оболочки. Атомы пытаются до конца заполнить свою внешнюю оболочку, захватывая электроны у соседей или используя электроны совместно с ними. Это приводит к химическим связям. У химически инертных благородных газов внешняя оболочка заполнена, поэтому им не требуется соединение с другими атомами.

Например, связь двух атомов водорода, позволяющая существо­вать молекуле водорода, основана на совместном использовании двух электронов обоими атомами. Это называется Ковалентной хи­мической связью, Ее открыли в 1927 году немецкие физики Вальтер Гайтлер и Фриц Лондон. Ковалентная связь играет важную роль в сложных молекулах, таких, на которых основана жизнь (мы обсу­дим структурные элементы жизни в части IV). Причина в том, что каждый атом при этом может иметь несколько связей с другими ато­мами, поразному ориентированными относительно него. К тому же ковалентная связь очень крепкая. Особенно важны атомы углерода, у которых не хватает четырех электронов во внешней оболочке. Ато­мы углерода заполняют свою внешнюю оболочку разными спосо­бами, которые могут давать сложные цепочки атомов с прочными связями

Причину, по которой в каждой оболочке может находиться ограниченное число электронов, и само это максимальное число электронов в каждой оболочке определил в 1925 году швейцарский физик Вольфганг Паули (19001958). Еще раньше над этой пробле­мой работали Арнольд Зоммерфельд и Нильс Бор. Хотя причина строения оболочек еще не была известна Бору, он смог предсказать, что неизвестный элемент под номером 72 (гафний) должен химиче­ски быть похожим на цирконий (40). Вскоре, воодушевленные этим прогнозом, датский физик Дирк Костер и венгерский химик Георг фон Хевеши, в Институте Нильса Бора открыли новый элемент.

Но решил проблему электронных оболочек Паули: он сделал вывод, что число электронов в разных оболочках ограничено тем, что стали называть Принципом запрета Паули: Два электрона в атоме не мо­гут быть в одинаковом квантовом состоянии.

Состояния электрона описываются целыми числами, которые соответствуют орбитам электрона Бора и Зоммерфельда. Кроме того, электрон обладает Спином, Или состоянием вращения. На каж­дой орбите может быть не более двух электронов, один из которых вращается вокруг своей оси в направлении своего обращения по ор­бите вокруг ядра (как и большинство планет в Солнечной системе), а другой электрон — в обратном направлении. Вращение электрона вокруг своей оси нельзя понимать буквально; это лишь способ опи­сать два спиновых состояния. Явлению атомных уровней нет точно­го аналога в нашей повседневной жизни.

Принципом запрета Паули определяется структура электронно­го облака вокруг атомного ядра и различие в химических свойствах элементов. Он также превращает атомы в твердые сферы, которые не могут легко проникнуть друг в друга, несмотря на то что про атом, следуя модели Бора, можно сказать, что в основном он состоит из пустоты.