Концепции современного естествознания (стр. 19 )

При расщеплении ядер с большими номерами можно получить ядра с меньшими номерами и выделить при этом энергию. Например, разделяя ядро 235U на два меньших, на что тоже нужна энергия (энергия связи на нуклон примерно равна 7,6 МэВ у 235U, a у ядер средних размеров — 8,6 МэВ, т. е. разница на один нуклон составляет 1 МэВ), на каждое ядро урана получим 200 МэВ при расщеплении его на два меньших, например барий и криптон. Но самопроизвольно этот процесс не начинается, он должен быть запущен. В случае с 235U таким спусковым крючком служит захват ядром нейтрона, а далее реакция идет сама по типу цепной реакции деления. Ядра с несбалансированным числом протонов и нейтронов могут (при определенных условиях) превращаться в другие ядра, испуская ядро атома гелия (а-частицу) или электрон (+ или -, так называемый процесс распада), или остаться после испускания частицы в возбужденном состоянии, а потом испустить у-квант. Тяжелые радиоактивные элементы распадаются поочередно этими способами, образуя ветви или радиоактивные семейства. Спадение кривой для тяжелых элементов связано с ростом куло-новского отталкивания между протонами. Наличие систематического хода кривой с максимумом при А порядка 50—60 (в середи-

236

не Периодической системы элементов : от криптона до цинка) показывает, что эти элементы обладают наибольшей связью и наиболее устойчивы. Их энергия связи достигает 8,6 МэВ/нуклон, тогда как у урана — 7,5 МэВ/нуклон. Такая зависимость делает возможными два процесса: деление тяжелых ядер на несколько легких и синтез легких ядер в одно ядро. Оба эти процесса должны сопровождаться выделением большого количества энергии. Так, деление ядра с массовым числом А - 240 (с удельной энергией связи 7,5 МэВ) на два пополам с А = 120 (удельная энергия связи равна 8,5 МэВ) привело бы к высвобождению энергии в 240 МэВ. Реакция синтеза двух ядер тяжелого водорода с А = 2 в ядро гелия привела бы к выделению энергии в 24 МэВ. Для сравнения, сгорание угля до СО2 (соединение углерода с двумя атомами кислорода) дает всего 5 эВ.

Особая устойчивость ядер в середине Периодической системы химических элементов объяснима. Для расщепления тяжелого ядра атома на части необходимо пройти ряд промежуточных стадий, для чего требуется дополнительная энергия — энергия активации. Она может быть сообщена тяжелому ядру захваченным им дополнительным нейтроном. Такой процесс при захвате нейтрона ядром урана или плутония лежит в основе реакции деления в ядерных реакторах или атомной бомбы. В обычных условиях атомы не распадаются, им неоткуда получить дополнительную энергию. Для того чтобы произошло слияние легких ядер, они должны подойти на расстояние порядка 10-15 м, но такому сближению препятствует кулоновское отталкивание между ними. Чтобы преодолеть его, ядра должны двигаться с огромными скоростями, соответствующими температурам в сотни миллионов кельвин. Поэтому реакции синтеза и называют термоядерными, такие реакции происходят в недрах Солнца и звезд, в водородных бомбах.

Согласно капельной модели ядра, малый радиус действия ядерных сил (как у межмолекулярных сил жидкости) и примерное постоянство средней энергии связи на нуклон были использованы в модели ядер с большим числом нуклонов. Из-за заряда протонов «капля» стала наэлектризованной. Так как энергия связи уменьшается с увеличением номера элемента, а начиная со значения z = 83 ядра вообще теряют устойчивость, ядерные силы должны быть очень близкодействующими и подчиняться принципу Паули (если пара протонов с противоположно направленными спинами находится в каком-то определенном состоянии, то следующий протон должен занять место с большей энергией), и рост ядра ограничивается. Как только энергия возрастает, устойчивость ядра уменьшается. Квантовая теория строго ограничивает энергетические процессы в ядрах.

Поскольку взаимодействие между заряженными частицами переносится через электромагнитное поле, которое можно предста-

237

вить и совокупностью фотонов, то говорят, что это взаимодействие осуществляется через обмен фотонами. Каждая частица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Но это модельное описание не следует понимать буквально, происходит обмен не реальными фотонами, а воображаемыми, виртуальными. В силу принципа неопределенностиэтот испущенный фотон будет вскоре поглощен, иначе нарушится закон сохранения энергии. В самом деле, энергия электрона и испущенного виртуального фотонабольше энергии покоящегося электрона, но это нарушение кажущееся — длительность такого нарушенияне должна превышать величинуТогда это нарушение не будет обнаружено, т. е. оно виртуально. Реальный фотон может быть испущен лишь при поступлении дополнительной энергии. Можно оценить расстояние, на которое этот виртуальный фотон успеет передать взаимодействие за это время: Поскольку энергия фотона может быть сколь угодно мала (зависит от частоты), радиус действия электромагнитных сил неограниченный. Если бы частицы, осуществляющие обмен (взаимодействие), имели массу покоя, то радиус действия их был бы ограничен:

Это — так называемая комптоновская длина волны. Для электрона она составляет 3,86 10-13 м, что в 100 раз превышает радиус действия ядерных сил.

Сначала (1934) в качестве виртуальных частиц, переносящих взаимодействия в ядре, предложил электрон. Но величина их оказалась недостаточна для сохранения ядер. В качестве ядерного клея японский физик Хидэки Юкава предложил в 1935 г. гипотетическую частичку мезон, массу которой он оценил (200те. Через два года американские физики Андерсон и Неддермейер обнаружили в космических лучах реальные частицы с массой 207 те, промежуточной между массами протона и электрона. Но оказалось, что это не те частицы, которые предложил Юкава (ему требовались другие свойства), и такие частицы (их называют-мезонами, или пионами) были обнаружены только в 1947 г. Они имеют массу 273 те. Именно на эти частицы — пионы, предсказанные гениальной интуицией, падает функция поддерживания взаимодействия в ядре. Протон превращается в нейтрон, периодически испуская пион, поэтому его можно представить наглядно имеющим нейтронное ядро и мезонную оболочку.

Теория пришла в согласие с данными наблюдений. Она получила название теории Тамма—Юкавы. Исследования природы ядерных взаимодействий продолжаются более полувека. Многие их свойства можно описать с помощью моделей, использующих разного вида потенциальные ямы, при этом непрерывно вносятся уточнения в связи с появлением новых экспериментальных данных. Во многих атомных явлениях ядро можно представить массивной заряженной частицей, не имеющей внутреннего строения.

238

Сферическую оболочечную м о д е л ь атомного ядра предложили в 1949 г. Мария Гепперт-Майер и Йоханнес Йенсен. Их идея состояла в том, чтобы применить для анализа движения нуклонов в ядре те же принципы квантовой механики, что и к вращающимся электронам в атоме. Так как существует принцип Паули, ядро строится путем последовательного заполнения оболочек нейтронами и протонами, причем заполнение начинается с состояний с наименьшей энергией. В атомах заполнение электронных оболочек приводит к появлению инертных газов. Похожая ситуация и в ядрах — при определенных числах протонов или нейтронов возникает ядро с «жесткой» сферической формой. Эти числа — 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126, 184 — назвали магическими. Ядра, имеющие два магических числа, особенно устойчивы, пример тому кислород-16: 8 протонов и 8 нейтронов.

Коллективная модель ядерной деформации, в которой рассматриваются форма и структура атомного ядра, была предложена в 1952 г. О. Бором и Б. Маттельсоном. Она сходна с моделью жидкой капли. Квантово-механические расчеты определяют форму капли и области минимумов энергии, что связывается с устойчивостью и неустойчивостью ядер. Изучение таких коллективных движений в ядрах привело к гипотезе о существовании внутри ядер неких кластеров, из которых вылет каких-либо частиц вероятен.

Итак, четыре силы в природе ответственны за все известные взаимодействия частиц. Перечисленные типы взаимодействий имеют, видимо, разную природу. К настоящему времени неясно, исчерпываются ли ими все взаимодействия в природе. Самым сильным является короткодействующее взаимодействие, электромагнитное слабее его на два порядка, слабое — на 14 порядков, а гравитационное — самое слабое, оно меньше сильного на 39 порядков. В соответствии с величиной силы взаимодействия они происходят за разное время. Сильные ядерные взаимодействия происходят при столкновении частиц с околосветовыми скоростями, и время реакций, определяемое делением радиуса действия сил на скорость света, дает величину порядка 10-23 с. При слабом взаимодействии процессы происходят медленней — за 10-9 с. Характерное время для гравитационного взаимодействия — порядка 1016 с, или 300 млн лет.

6.6. Элементарные частицы и проблема поиска «первичных объектов»

Элементарными называют частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. Первыми были обнаружены электрон, протон, нейтрон и фотон — квант электромагнитного поля. Из пер-

239

вых трех строили вещество, а фотон осуществлял взаимодействие между ними. Считали, что они ни на что далее не могут быть разложены и потому являются «первичными кирпичиками» мироздания. Потом оказалось, что эти элементарные частицы имеют внутреннюю структуру и могут друг в друга превращаться. После второй мировой войны благодаря мощной технике было открыто еще много частиц, претендующих на «элементарность». У каждой частицы, кроме фотона, оказалась еще и античастица. Сейчас элементарных частиц уже более трехсот. К ним относят и те частицы, которые получают на мощных циклотронах, синхротронах и других ускорителях. Есть элементарные частицы, возникающие при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют несколько миллионных долей секунды, потом распадаются, видоизменяются, превращаясь в другие элементарные частицы, или испускают энергию в форме излучения.

Современная наука выявила единство на самом глубоком уровне: наблюдаемое вещество состоит из фотонов, лептонов (электроны, мюоны, нейтрино) и кварков. Помимо переносимых фотонами электромагнитных взаимодействий существуют сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки в барионы (протоны, нейтроны и пр.) и мезоны. Слабые ядерные взаимодействия ответственны за распад нейтронов, например. Все они описываются единой нелинейной теорией, обобщающей уравнения Максвелла. Такое обобщение было сделано в 1954 г. Ч. Янгом и Р. Миллсом, и другие обобщения называются также теорией Янга — Миллса. Ранее подобные теории выдвигали Г. Ми и М. Борн, А. Эйнштейн и . Хотя проблема элементарных частиц связана с самими основами науки, их изучение ведется в некотором отрыве от других областей физики.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, электрический заряд, спин, среднее время жизни, магнитный момент, пространственная четность, барионный заряд и квантовые числа.

Масса элементарных частиц — это масса покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Ее определяют по отношению к массе покоя электрона mе, самой маленькой из масс покоя. Нейтрон и протон тяжелее электрона почти в 2000 раз. Но есть и очень тяжелые частицы, например Z-частицы, получаемые на ускорителях, с массой покоя 2 те. Фотоны вообще не имеют массы покоя. По массе частицы делят на лептоны (электрон и нейтрино); мезоны (с массой от 1 до 1000 те); барионы (с массой более 1000 те). В состав барионов входят протоны, нейтроны, гипероны и др.

Электрический заряд меняется от нуля до «+» или «-». Каждой частице, кроме фотона, нейтрино и двух мезонов, соответствует частица с противоположным зарядом, или античастица. В 1963 г.

240

была высказана гипотеза о существовании частиц с дробным зарядом — кварков.

Спин — одна из важнейших характеристик элементарных частиц. Она определяется собственным моментом импульса частицы. Спин фотона равен 1; это означает, что частица примет тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином — 1/2 примет прежний вид при обороте, в 2 раза большем, т. е. в 720°. Спин протона, нейтрона и электрона — 1/2. Существуют частицы со спином 3/2, 5/2 и т. д. Частица со спином, равным нулю, одинаково выглядит при любом угле поворота. В зависимости от значения спина все частицы делят на две группы:

фермионы (название дано в честь Энрико Ферми) — с полуцелыми (1/2, 3/3, ...) спинами. Фермионы составляют вещество и, в свою очередь, делятся на два класса — лептоны (от греч. leptos — легкий) и кварки. Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных им частиц, называемых в совокупности адрона-ми (от греч. adros — сильный). Заряженные лептоны могут так же, как и электроны, вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут, как и нейтрино, проходить сквозь всю Землю, ни с чем не взаимодействуя. У каждой частицы есть и античастица, отличающаяся только зарядом;

бозоны (названные в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе, одного из создателей квантовой статистики) — это частицы с целыми спинами (0, 1, 2), бозоны переносят взаимодействие.

Между частицами существуют четыре типа взаимодействий, каждое из которых переносится своим типом бозонов: фотон, квант света — электромагнитные взаимодействия, гравитон — силы тяготения, действующие между любыми телами, имеющими массу. Восемь глюонов переносят сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки. Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. Считается, что к этим четырем взаимодействиям сводятся все силы в природе. Одним из самых ярких достижений нашего века стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия сливаются в одно.

При энергии 100 ГэВ (109 эВ) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10-10 с после Большого Взрыва, и в 4 триллиона раз выше комнатной. Это открытие позволило предположить, что при энергии порядка 1015 ГэВ можно достичь объединения с ними сильных взаимодействий, как это утверждается в Теориях Великого Объединения (ТВО), а при энергии 1019 ГэВ к взаимодействиям ТВО присоединится и гравитационное взаимодействие, «образуя» ТВС (Теорию Всего Сущего).

Ускорителей, на которых можно получить такие энергии и проверить эти теории, пока нет и не предвидится, поэтому обра-

241

щаются к Вселенной, чтобы найти в ней возможные ограничения для огромного числа элементарных частиц. В последние тридцать лет между физикой элементарных частиц и космологией существует тесная связь. Совокупность астрофизических данных можно рассматривать как «экспериментальный материал», накопленный в результате работы Вселенной — гигантского ускорителя частиц. Мы можем иметь дело только с косвенными следствиями происходивших и происходящих процессов, с усредненным по всей Вселенной результатом их влияния на эволюцию материи.

Среди лептонов наиболее известен электрон, вероятно, он не состоит из других частиц, т. е. элементарен. Другой лептон — нейтрино. Это самый распространенный лептон во Вселенной и в то же время самый неуловимый. Нейтрино не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. После предсказания нейтрино было обнаружено только через 30 лет на ускорителях. Нейтрино бывает трех видов — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Мюон — тоже широко распространенный в природе лептон. Он был обнаружен в космических лучах в 1936 г.; это нестабильная частица, а в остальном он похож на электрон. За две миллионные доли секунды он распадается на электрон и два нейтрино. Фоновое космическое излучение в большей части состоит из мюонов. В конце 70-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон (кроме электрона и мюона) — тау-лептон. Он ведет себя очень похоже на своих собратьев, но тяжелее электрона в 3500 раз. У каждого лептона есть и античастица, т. е. всего их 12.

Адронов существует очень много, их сотни. Поэтому часто их считают не элементарными частицами, а составленными из других. Они бывают электрически заряженными и нейтральными. Все адроны участвуют в сильном, слабом и гравитационном взаимодействиях. Среди них самые известные — протон и нейтрон. Остальные живут очень мало, распадаясь за 10-6 с за счет слабого взаимодействия или за 10-23 с — за счет сильного. Адроны рассортировали по массе, заряду и спину. В этом помогла гипотеза кварков, или частиц, составляющих адроны.

Кварки могут соединяться для этого тройками, составляя барионы, либо парами: кварк—антикварк, составляя мезоны (промежуточные частицы). Кварки имеют заряд 1/3 или 2/3 заряда электрона. Тогда в комбинации они дадут 0 или 1. Все кварки имеют спин, равный 1/2, т. е. они относятся к фермионам. Считают, что они сцепляются сильным взаимодействием, но участвуют и в слабом. Особенности сильного взаимодействия характеризуют типами («ароматами») — «верхний», «нижний», «странный». Но слабое взаимодействие может поменять «аромат» кварка. Например, при распаде нейтрона один из «нижних» кварков становится «верхним», а избыток заряда уносит рождающийся электрон. Так что сильное взаимодействие не может менять «аромат», а без изменения «аромата» кварка невозможен распад адрона.

Новый адрон, названный-частицей, был обнаружен на ускорителях (1974). Поэтому в соответствии с теорией кварков ввели еще одну характеристику, четвертый «аромат», так появился «очарованный» кварк. Так что-частица — это предположительно мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка. Сейчас обнаружено уже много «очарованных» частиц, и все

242

они тяжелые. А в 1977 г. появился -мезон, и вся история повторилась, пятый аромат получил название «прелестный». Так развивается ныне атомистика. Сейчас считают, что существуют 12 кварков — фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц — это кварки с экзотическими именами «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Они являются порождением теории, стремящейся к упорядоченности и красоте, и открыты все, за исключением «истинного». Остальные шесть — лептоны: электрон, мюон, -частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, нейтрино).

Эти 12 частиц, или две по шесть, группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов. В первом поколении — «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино, во втором — «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино, в третьем — «истинный» и «прелестный» кварки и-частица со своим нейтрино. Все обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Протон, например, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», нейтрон — из двух «нижних» и одного «верхнего». Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных протонов и нейтронов), окруженного электронным облаком.

Но почему существуют другие поколения частиц и сколько их еще может быть? По мнению японских физиков М. Кобаяси и Т. Маскава, асимметрия между веществом и антивеществом требует наличия трех поколений. Если же число поколений не ограничено, являются ли кварки и лептоны основными «кирпичиками природы» и насколько они фундаментальны? Последние данные, полученные на разных ускорителях, позволяют считать, что число поколений не может быть более пяти, так как полное число нейтрино не превышает этого числа. Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии, в моделях первичного нуклеосинтеза, породившего те или иные частицы, часть которых может быть установлена по распространенности того или другого элемента во Вселенной. Эти исследования дают человеку возможность прикоснуться к тайне мироздания, найти те «кирпичики», из которых построено все в мире, а за ними стоят и новые технологии.

Вопросы для самопроверки и повторения

1. Какие частицы составляют ядро атома, каковы его размеры? Как это было установлено?

2.  Поясните понятие элементарной частицы, как классифицируются элементарные частицы и как они исследуются. Что такое «античастицы»? В чем состоит гипотеза кварков? Какие проблемы стоят в теории элементарных частиц?

3.  В чем заключается единство дискретности и непрерывности? Охарактеризуйте проблему поиска «первичных объектов» и концепцию атомизма. Что такое «квазичастицы»?

243

4.  Какова специфика микромира по сравнению с изучением мега - и макромира. Поясните принципы соответствия и дополнительности.

5.  Поясните принцип неопределенности, понятия детерминизма и индетерминизма. Как изменились представления о случайном и закономерном? Поясните роль прибора в квантовой механике.

6.  Как развились представления о причинности в квантовой механике? Почему ограничение воздействия на микроуровне имеет смысл фундаментального закона природы?

7.  Какими параметрами описывается состояние микрочастицы? Как при этом осуществляется синтез волновых и корпускулярных свойств? Каково отличие в описании состояния в классической и квантовой механике?

8.  Какое уравнение описывает движение в микромире и соответствует второму закону Ньютона? Какой смысл имеют входящие в него величины?

9.  Какие модели описывают строение и свойства атомных ядер? Почему тяжелые элементы не распадаются самопроизвольно на легкие? Какие реакции деления возможны и какие для этого необходимы условия?

10. Поясните, чем определяется устойчивость атомных ядер. Что такое
«дефект массы» и как происходят реакции в недрах звезд?

Глава 7

КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА (ОТ МИКРОМИРА К МАКРОМИРУ)

7.1. Представление о строении молекул

Представление о веществе в естествознании менялось в соответствии с уровнем развития знаний и использования веществ.

В Древней Греции появилась гениальная догадка — тела образованы различными комбинациями атомов (неделимых). Такое объяснение — сведение сложного к простому (редукции) не отражало многообразия сложного мира, но дало науке многое. Тенденция к поиску «элементарных кирпичиков» мироздания, порожденная атомистической концепцией, оказалась плодотворной в объяснении свойств тел. Но она не позволяет понять макроскопические свойства тел, ведь применительно к отдельному атому нельзя говорить ни о давлении, ни о температуре, ни о плотности. И «целое» не является суммой «частей», оно обладает более сложными свойствами. Это приводит к размышлениям о сущности редукционизма и методов познания. Ученые установили, что все вещества построены из молекул, которые, в свою очередь, состоят из устойчивых групп соединенных друг с другом атомов.

Молекула — наименьшая устойчивая частица вещества, сохраняющая его свойства. Понятие молекулы появилось в кинетической теории газов (см. гл. 4), и на основании развитой физической теории удалось путем исследования макроскопического поведения газов оценить размеры молекул. В жидкостях или твердых телах, где молекулы расположены достаточно плотно, их размеры можно оценить по плотности веществ. Прямое доказательство существования молекул было получено при изучении броуновского движения Ж. Перреном.

Установление связи между структурой и свойствами на молекулярном уровне строения веществ — одна из основных задач исследования. Молекула состоит из ядер атомов и электронной оболочки, образованной их внешними электронами. В зависимости от строения и состава молекулы обладают разной степенью устойчивости по отношению к внешним воздействиям, что определяет многие их свойства. Исследование устойчивости молекул раскрывает их природу и реакционную способность. Такими физическими методами, как спектроскопия, ядерный или парамагнитный резонанс и др., изучают разнообразные и сложные химические

245

процессы. Относительное расположение атомных ядер в молекулах может быть измерено методами рентгеноструктурного анализа, электронографии или нейтронографии и др. В основном свойства и строение молекул определяются при исследовании макроскопических образцов веществ.

Химия изучает процессы превращения молекул при взаимодействиях и при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи. Взаимодействие электронных оболочек атомов порождает химические связи, создающие определенные конфигурации атомов, отличающие один тип молекулы от другого. Если атомные конфигурации подходят друг к другу, возникает структура, несколько большая, чем до этого была совокупность из атомов по отдельности. Получается насыщенная молекула, присоединить к ней еще какой-то атом почти невозможно. Насыщаемость молекул определяет их постоянный состав для данного вещества и связана с валентностью — способностью атома образовывать химические связи. Инертные газы с трудом образуют химические соединения, так как имеют устойчивую электронную оболочку. Внешняя оболочка атома, которая содержит орбитали самых высоких энергий атома, называется валентной.

Понятие валентности, введенное в науку для описания свойства одного изолированного атома, постепенно стало отражать свойства связанного атома, т. е. атома, находящегося в молекуле и изменившего свои свойства под влиянием других атомов. Его впервые использовал (1853) английский химик Э. Франкленд. Тогда валентность элемента выражалась числом атомов водорода, которое может присоединить или которым можно заменить один атом рассматриваемого элемента. Вместе с немецким химиком А. Кольбе он установил трехвалентность азота, фосфора, мышьяка и четырехвалентность углерода. Они отметили, что валентность зависит как от состояния атомов рассматриваемого элемента, так и от химической природы другого реагента: углерод в соединении с кислородом может образовывать и СО, и СO2. Значит, валентность позволяет оценить формулу химического соединения. Так пришли к понятию стехиометрической валентности.

Немецкий химик Кекуле заключил (1857), что одни элементы могут замещать в ряде соединений три атома водорода, а другие — только один или два. Он ввел понятие химического сродства, означающее число атомов водорода, которое может заменить данный элемент. Число единиц сродства и есть валентность. Под валентностью понимали целочисленную величину, отражающую количество единиц сродства свободного атома любого элемента. Считалось, что атом водорода имеет одну единицу сродства, атом кислорода — две и т. д. Поэтому говорили, что атом углерода при образовании диоксида связывает все четыре единицы сродства, а при образовании оксида — только две: O=С=O и =С=O. Шотландский химик А. Купер предложил обозначать химические связи между атомами в соединениях с помощью черточек (1858). Теории Ке-

246

куле и Купера объясняли строение и сложных радикалов, и органических соединений — молекула представлялась целостным образованием, которое складывается из атомов за счет полного взаимного насыщения единиц сродства. Они практически одновременно обнаружили способность атомов углерода соединяться друг с другом в длинные молекулы-цепочки, это свойство углерода и породило огромное разнообразие его соединений. Простота и наглядность объяснений вели к аддитивному мышлению.

Современные представления о химической связи основаны на современной теории валентности. Термин «связь» оказался очень точен. Случайных связей не бывает — существуют правила их возникновения. При образовании связи атомы приближаются к достижению наиболее устойчивой электронной конфигурации, т. е. имеющей более низкую энергию. Они могут терять (приобретать) электроны или обобществлять их до достижения такой же конфигурации, как у благородного газа этого же периода, т. е. до значения 2 или 8. Существуют и взаимодействия между атомами, когда электронная оболочка не локализована в отдельных связях — сопряженные.

Ионная связь, основанная на переносе валентных электронов от одного атома к другому и электростатическом притяжении этих образовавшихся ионов, — самый распространенный вид связи. Молекула представляется электрическим диполем, а центры ионов в нем расположены на определенном расстоянии друг от друга, называемом длиной связи. Простейшая кристаллическая структура молекулы NaCl показана на рис. 7.1, а схема ее ионной связи NaCl — на рис. 7.2, а. Для хлорида калия, например, длина связи равна 1,3 • 10-10 м.

При ковалентной связи прочное соединение нейтральных атомов достигается за счет более глубокого взаимодействия между ними (рис. 7.2, б), например связь атомов углерода в кристалле алмаза или в молекуле Н2. Прочность такой связи обусловлена обменным резонансом — атомы колеблются с одинаковой собственной частотой, и при связывании их суммарная энергия становится меньше, чем в изолированном состоянии. Электрон 1 притягивается ядром 2, и электрон 2 притягивается ядром 1. Электроны должны иметь противоположно направленные спины, тогда (по принципу Паули) они находятся в наинизшем состоянии и орбиты отдельных атомов сливаются в одну орбиталь, охватывающую пространство обоих атомов водорода и имеющую почти эллиптическую форму. Говорят, что происходит «перекрытие» собственных функций обоих электронов, это становится энергетически выгодно — системы удерживаются вместе.

В молекулах газов сохраняется 5 %-я вероятность того, что электрон несколько смещен к одному из атомов. Молекулы щелочно-галоидных соединений имеют небольшой дипольный момент, их

247

центры тяжести расположены на некотором расстоянии. В молекуле воды две однократно занятые -орбитали атома кислорода частично сливаются с -орбиталью атома водорода, но из-за электростатического отталкивания между обоими ядрами водорода валентный угол не 90, а 105°. Форма молекул с ковалентными связями определяется формой электронных орбиталей. Большинство органических соединений существуют благодаря ковалентной связи.

Металлическая связь проявляется, когда атомы металла обобществляют валентные электроны, слабо связанные с атомными остовами. Эти электроны образуют электронный газ, перемещающийся по кристаллической решетке (рис. 7.2, в).

Молекулярная связь отражает слабое взаимодействие между соседними атомами, например взаимодействие между атомами водорода в твердом Н2 (рис. 7.2, г). Силы электростатического притяжения могут возникнуть и между нейтральными атомами: при сближении их возникает отталкивание из-за отрицательно заряженных электронных оболочек, но при этом смещается центр

248

масс отрицательных зарядов относительно положительных. И каждый из атомов индуцирует в другой электрический диполь, что ведет к взаимному притяжению. Это притяжение связывают с действием сил межмолекулярного взаимодействия (сил Ван-дер-Ваальса), которые на порядок меньше по величине, но имеют радиус действия, превосходящий размеры молекул.

Водородная связь слабее ковалентной или ионной связи в 15 — 20 раз. Она возникает, если атом водорода помещен между

249

двумя электроотрицательными атомами (рис. 7.2, д). Водородная связь определяет ассоциацию молекул типа димеров воды — (Н20)2. На слабой водородной связи «держатся» полимеры, входящие в состав биомолекул, т. е. и жизнь.

Ионная и ковалентная связи — это предельные случаи химических связей. Чаще всего встречаются молекулы с промежуточными типами связей. Более полное представление о типах связей дают карты электронных плотностей, получаемые из расчетов на ЭВМ. Так квантовая механика атома объяснила проблемы химической связи молекул с позиции физики.

Существуют и очень короткие связи — одинарные, двойные, тройные и даже четверные (в них участвуют сразу 8 электронов), которые обнаруживают между атомами рения, молибдена или хрома. Расстояния между атомами в молекулах очень малы — порядка (1 — 4) • 10-10 м. Так, молекула Н2 состоит из двух связанных между собой атомов, расстояние между ядрами которых, или длина связи, составляет 7,5 • 10-11 м. У молекулы кислорода, также состоящей из двух атомов, длина связи равна 1,2 • 10-10 м. Молекулы различаются и размерами: молекула O2 с 16 электронами больше молекулы Н2 с двумя. Более сложные молекулы имеют и более сложные форму и строение. При образовании молекулы перекрытие электронных облаков ведет к возникновению между ядрами некоторого отрицательного заряда, которое цементирует молекулу и стягивает ядра к области перекрытия. Энергия этого взаимодействия — порядка 1000 кДж/моль (у N2 — 940 кДж/моль, Cs — 42 кДж/моль). Для сравнения: энергия межмолекулярного взаимодействия составляет порядка 100 кДж/моль, так что отличить их по энергии трудно. Важно выделить главную черту химической связи — обобществление валентных электронов и перенос заряда, если связь образуется между разными атомами.

Никольсона и А. Карлейна (1800) по разложению воды с помощью электрического тока впервые показал связь химических и электрических взаимодействий, но только через столетие появилась теория, описывающая природу химической связи. Берцелиуса (1819), основанная на электростатическом взаимодействии зарядов, не могла объяснить образование молекул из двух одинаковых атомов и фактически касалась лишь ионной связи, поскольку электрическая природа других видов химической связи не столь очевидна. Сокрушительный удар по теории Берцелиуса нанесла неведомая ему тогда наука — органическая химия.