Атом представляется нам в школьных учебниках как маленькая, аккуратная сфера с электронами, вращающимися вокруг ядра, как планеты вращаются вокруг солнца. Но эта картина – лишь удобное упрощение. В реальности, атом – это гораздо более странный объект и лучше было запомнить модель Шрёдингера, а не Резерфорда.
Он не имеет ни четкой поверхности, ни определенной формы в привычном нам понимании. Но как тогда атом можно называть материальным и что это за материя такая? Разберем этот и сопутствующие вопросы.
Постоянное движение частиц
Для начала нужно всегда помнить, что абсолютно любая частица находится в непрерывном тепловом движении. Даже при приближении к температуре абсолютного нуля система всё равно продолжает пульсировать в пространстве, хотя движения замедляются и становятся редкими.
GIF
Это означает, что абсолютно все субатомные частицы постоянно двигаются. Протоны, нейтроны и электроны - они перемещаются, ползают, двигаются и вращаются. Один только этот факт исключает, что у целого атома будет какая-то постоянная форма и осязаемая поверхность. Но это не самое главное.
Квантовая Неопределенность
Основная причина, по которой у атома нет четкой поверхности, кроется в фундаментальном принципе квантовой механики – принципе неопределенности Гейзенберга. Этот принцип гласит, что мы не можем одновременно точно знать положение и импульс (скорость) электрона. Чем точнее мы определяем положение электрона, тем менее точно мы знаем его скорость, и наоборот.
Ядро атома окружено электронами и это уже неоспоримый факт. Даже самые современные модели описывают это как факт.
Электроны не вращаются вокруг ядра по четким орбитам, как планеты. Вместо этого они существуют в виде “электронных облаков” или “атомных орбиталей” – областей пространства вокруг ядра, где вероятность обнаружения электрона наиболее высока. Эти облака представляют собой распределение вероятностей, а не твердые границы.
Представьте себе вентилятор. Когда он выключен, вы видите отдельные лопасти. Но когда он включен на высокой скорости, лопасти сливаются в размытый диск. Аналогично, электроны, движущиеся с огромной скоростью, создают размытый электронный след, а не четкую поверхность.
Вероятностный характер
Электронные облака не имеют четких границ. Вероятность обнаружения электрона уменьшается с расстоянием от ядра, но никогда не становится строго равной нулю. Это означает, что теоретически электрон может находиться очень далеко от ядра, хотя вероятность этого и невелика.
Таким образом, нельзя сказать, что атом “заканчивается” в какой-то конкретной точке. Где провести границу? Где вероятность обнаружения электрона становится достаточно низкой, чтобы сказать: “Вот здесь атом заканчивается, а дальше – пустота”? Этот вопрос не имеет однозначного ответа.
Более того, некоторые источники утверждают, что "принадлежащий" ядру электрон может с ненулевой вероятностью оказаться на другой части Вселенной. О какой тут форме можно тогда говорить?
Что угодно, но не простая сфера
Даже если бы у атома была четкая поверхность, она не была бы сферической, как часто изображают. Форма электронных облаков определяется квантовыми числами электронов и может быть весьма сложной.
Существуют различные типы атомных орбиталей, обозначаемые буквами s, p, d, f и т.д. s-орбитали имеют сферическую форму, но p-орбитали имеют форму гантели, а d- и f-орбитали – еще более сложные трехмерные структуры. Форма атомных орбиталей определяет направление химических связей и, следовательно, форму молекул.
Поскольку форма электронных облаков не является сферической, то и “форма” атома, определяемая распределением электронов, не является сферой.
Влияние соседей
Реальные атомы редко существуют изолированно. Они взаимодействуют с другими атомами, образуя молекулы и твердые тела. Это взаимодействие влияет на распределение электронов и, следовательно, на “форму” атома.
В молекуле атом уже не является изолированной системой. Электронные облака атомов перекрываются и деформируются под влиянием электрических полей, создаваемых соседними атомами. Таким образом, “форма” атома в молекуле отличается от “формы” изолированного атома.
Пустота атома
Наконец, стоит помнить о масштабе. Атом чрезвычайно мал. Если представить атом размером с футбольный мяч, то ядро будет размером с горошину в центре поля, а электроны – как пылинки, летающие по стадиону. Большая часть атома – это пустота.
Поэтому на микроскопическом уровне даже само понятие “поверхности” и “формы” теряет свой привычный смысл. Атом – это скорее вероятностное распределение электрического заряда, а не твердый объект с четкими границами.
Субатомные частицы не закреплены на жёстких точках, а больше напоминают конструктор неокуб, который находится в равновесии. Силы взаимодействия заставляют, например, протоны, находиться на некотором расстоянии друг от друга, но сохранять при этом связь. Всё это бурлит, вращается и перемещается. О каких тут точных границах и форме можно вообще говорить.
Переосмысление природы атома
Атом – это не миниатюрная солнечная система, как нас учили в школе. Это квантово-механический объект, описываемый вероятностными функциями. Он не имеет четкой поверхности, определенной формы или траекторий движения электронов.
Атом – это скорее размытое, вероятностное распределение электрического заряда вокруг ядра. Понимание этой квантовой природы атома – ключ к более глубокому пониманию химии, физики и фундаментальных законов Вселенной. Вместо того, чтобы представлять атом как твердую сферу, лучше думать о нем как о призрачном, динамичном облаке вероятностей, которое формирует реальность, которую мы видим и ощущаем.
То, что мы видим в электронный микроскоп - это лишь некоторый объект, который способен отклонять электроны. Вся область, где есть атома, отклоняет их движение, а потому выглядит, как горошина или точка.
