Чего хотят электроны?

Этот вопрос имеет смысл, потому что все электроны, в отличие от людей, имеют одинаковые свойства и их «желания» легко перечислить. В основном их три, и о первых двух мы уже упоминали в предыдущей главе.

• Электроны подвержены электрическим силам, которые притягивают их к положительно заряженному ядру атома, но отталкивают друг от друга.

• Электроны описываются заполняющими пространство полями, волновыми функциями, которые предпочитают изменяться плавно и мягко. Последние принимают форму специфических образцов стоячей волны, называемых орбиталями, в которых находится оптимальный компромисс между притяжением ядра и естественной охотой электронов к перемене мест. Мне нравится представлять себе электроны, которые объясняют ядру атома: «Я нахожу тебя привлекательным, но мне нужно мое собственное пространство».

• Третья важная особенность электронов состоит в их отношениях друг с другом. Мы не упоминали ее, когда говорили об атоме водорода, поскольку в каждом атоме водорода всего один электрон. Это третье свойство немного сложнее двух первых. Оно называется принципом запрета Паули по имени швейцарского физика австрийского происхождения Вольфганга Паули, который впервые сформулировал его в 1925 г. Принцип Паули – это чисто квантово-механический эффект. Без отсылки к квантовому описанию физической реальности, основанному на волновых функциях, его даже нельзя сформулировать! Когда Паули предложил его, под принципом запрета не было теоретической базы. Вы можете назвать его плодом вдохновения или можете сказать, что это была догадка. Обе точки зрения правильны. Как видение стационарных состояний и квантовых скачков у Бора – и, если на то пошло, как и законы гармонии Пифагора! – принцип запрета Паули родился из восприятия звуков музыки (для Бора и Паули это была музыка атомных спектров) и выявления в музыкальных образах управляющих ими законов. Сегодня мы считаем принцип запрета Паули одним из аспектов квантовой теории тождественных частиц, который своими корнями уходит в теорию относительности и теорию квантового флюида, но первоначально это было озарение. Для нашей нынешней задачи – оценить, как кипучее стихийное творчество электронов произрастает из простых правил, – нужна только первоначальная формулировка Паули. Правило номер три в грубой форме, которой мы будем пользоваться, гласит: не более чем два электрона могут находиться в одном и том же стационарном состоянии. (Почему не более двух электронов? Это кажется странным! Но причиной является то, что электрон имеет собственное вращение, или спин. Сразу два электрона могут находиться в определенном стационарном состоянии, только если они «вращаются» в противоположных направлениях. Более удовлетворительная формулировка принципа Паули гласит, что не более одного электрона может быть в том же самом стационарном состоянии, причем спин теперь является частью описания состояния.)

Более 800 000 книг и аудиокниг! 📚

Получи 2 месяца Литрес Подписки в подарок и наслаждайся неограниченным чтением

ПОЛУЧИТЬ ПОДАРОК