Вы, наверное, знаете, что всё сделано из атомов
и что атом —
это очень, очень, очень маленькая частица.
У каждого атома есть ядро,
которое состоит из как минимум одной
положительно заряженной частицы,
называемой протоном,
и, как правило,
нескольких нейтральных частиц, нейтронов.
Это ядро окружено
негативно заряженными частицами, электронами.
Химический элемент определяют
только по количеству протонов в ядре.
Водород опознают, потому что у него один протон,
у углерода их шесть,
у золота — 79,
и так далее.
Позвольте мне ненадолго отклониться от темы.
Откуда мы знаем о структуре атома?
Мы не можем увидеть протоны, нейтроны и электроны.
Поэтому мы проводим ряд экспериментов
и создаём модель по нашим представлениям.
Потом мы проводим ещё ряд экспериментов
и проверяем, подтверждают ли они нашу модель.
Если да, то это замечательно.
Если нет — может, пришло время для новой модели.
Со времён Демокрита, 400 года до нашей эры,
мы создали множество очень разных моделей атомов,
и в будущем их точно
будет ещё больше.
Итак, вернёмся к теме урока.
Ядра атомов имеют обыкновение сцепляться,
а электроны свободны в своём движении,
поэтому химики так любят электроны.
Если бы мы могли соединить их,
то, наверняка, бы попробовали.
Но электроны — странные частицы.
Они ведут себя то как частицы,
как маленькие мячики,
то как волны, волны на воде,
в зависимости от эксперимента, который мы проводим.
Одна из самых больших странностей электронов —
это то, что мы не можем точно определить, где они.
Проблема не в отсутствии нужного оборудования,
а в том, что эта неопределённость —
часть нашей модели электрона.
Итак, мы не можем точно определить их положение.
Но мы можем с определённой долей вероятности утверждать,
что найдём электрон в данном месте
в окрестности ядра.
То есть мы можем задать следующий вопрос:
если нарисовать форму вокруг ядра,
такую, что с вероятностью 95%
мы найдём электрон внутри этой формы,
то как она будет выглядеть?
Вот несколько таких форм.
Химики называют их орбиталями,
и внешний вид каждой из них
зависит, помимо прочего,
от того, сколько в них энергии.
Чем больше у орбитали энергии,
тем дальше большая часть его плотности
от ядра.
Кстати, почему мы взяли 95%,
а не 100%?
Это ещё одна причуда
нашей модели электрона.
На определённом расстоянии от ядра
вероятность найти электрон
начинает уменьшаться
почти экспоненциально,
то есть она будет приближаться к нулю,
но никогда его не достигнет.
Итак, в каждом атоме
есть очень маленькая, но не нулевая, вероятность,
что на очень, очень короткий промежуток времени
один из его электронов
находится на другом конце известной нам области.
Но, как правило, электроны остаются на близком расстоянии к ядру,
как облака отрицательно заряженной плотности,
которые перемещаются со временем.
То, как электроны одного атома
взаимодействуют с электронами другого,
определяет почти всё в мире.
Атомы могут отказываться от своих электронов,
отдавая их другим атомам,
или могут пользоваться электронами вместе.
Динамика этой социальной сети —
самое интересное в химии.
Начиная с обычных старых камней
и заканчивая великолепной сложностью жизни,
природа всего, что мы видим,
слышим,
обоняем,
пробуем на вкус,
трогаем
и даже чувствуем,
определяется на уровне атома.