Глазами Монжа-Бертолле

Атом хлора способен приютить на своей внешней орбите лишь одного-единственного «чужеземца». Ибо только в этом случае он обретет устойчивую электронную конфигурацию инертного газа с октетом (восьмеркой) электронов на внешней орбите. Вот почему другой электрон кальция вынужден искать себе пристанища у второго атома хлора. Впрочем, лишившись обоих валентных электронов, атом кальция тоже обзаведется устойчивым октетом на своей внешней орбите. И натрия тоже. И вообще любого элемента, способного связывать свою судьбу с другим элементом электровалентными узами.

Этот гипотетический набросок был предложен немецким ученым Косселем. Правда, при всей своей простоте и стройности теория электровалентной связи была бессильна объяснить, как возникают электронные постройки при сближении одинаковых или близких по свойствам атомов. Молекулы Cl₂, H₂, N₂, а также почти всех органических соединений оставались за бортом новой теории. Бутлеровская черточка еще не заговорила математически строгим языком новой физики.

Смысл валентного штриха прояснила гипотеза ковалентной связи Льюиса: это пара взаимодействующих электронов. По одному от каждого из атомов-партнеров, объединившихся в молекулу. В структурные формулы вместо штриха Льюис стал вводить две точки — знак дублета (двух обобществленных электронов). Простейший пример ковалентной связи — молекула водорода H : H. И более сложный:

Льюисовское двоеточие означало, разумеется, не просто сумму двух электронов. Оно подразумевало, что каждый электрон, вращающийся около ядра, подобно спутнику вокруг Земли, вступив в союз со своим напарником, вынужден изменить прежнюю траекторию. Ибо его теперь притягивает еще и вторая планета — ядро атома-соседа.

Эти элементарные сведения нам пригодятся потом, как трамплин для прыжка в неизведанное.

У углерода шесть спутников-электронов. И две орбиты. На нижней — два спутника, на верхней — четыре. Но только наружные электроны участвуют в образовании химической связи. Ковалентный, как и электровалентный, союз устойчив, если сумма внешних электронов (своих и чужих) составляет октет. Вот почему углерод четырехвалентен: его верхней орбите до полного комплекта не хватает ровно четырех электронов. Их можно позаимствовать у водорода. Или углерода. Четыре валентных штриха, разбегающихся от каждой вершины в бензольном шестиугольнике, — это и есть четыре дублета, дающих вкупе необходимый октет.

Так физика ответила на самый глубокий вопрос, который перед ней когда-либо ставила химия. И тем не менее число и мера не торопились проникать в мир невидимых архитектур. Первая же попытка рассчитать молекулярную систему с ковалентной связью потерпела фиаско. А ведь речь шла о простейшей системе — молекуле водорода!

Представьте себе обыкновенный глобус. На полюсах размещены водородные ядра. На экваторе — пара электронов-антиподов, которые догоняют друг друга в бесконечном круговороте. Эта модель, построенная Бором, учитывала новейшие для того времени представления об атоме. Но ее количественный расчет не совпадал с опытными данными. Модель оказалась неверной.

Какой конфуз! Неужто льюисовская теория неверна? Неужто подвели новые, с иголочки, идеи, взятые напрокат у физики? Лишь значительно позже выяснилось, почему электроны упрямо саботировали законы ньютоновской механики.

Они просто не хотели быть примитивными упругими шариками, какими их воображал себе конструктор планетарной модели атома Резерфорд. Но тогда каковы же они в действительности, эти мельчайшие атомы электричества, изображавшиеся обыкновенными точками в льюисовских дублетах и октетах?

Ответ пришел из парижской лаборатории на улице Байрона, где работал Луи де Бройль. Откровение ученого оказалось ошеломляющим. Частица-волна! Математическое выражение этого беспрецедентного в истории науки двуличия выглядело довольно непритязательно: λ = h/mv («ламбда» равна «аш», деленному на «эм» «вэ»). Но какую бурю оно вызвало в среде ученых!

Движению любого тела, обладающего массой и скоростью, де Бройль приписывал волновой характер. Например, теннисный мяч, отброшенный ракеткой со скоростью 25 метров в секунду, — тоже волны. Можно даже подсчитать их длину (λ); она составит 10^–32 сантиметра. Это в миллиарды миллиардов раз меньше размеров атомного ядра. Понятно, почему в макромире, в царстве массивных тел, двойственность «волны-частицы» совершенно незаметна и не играет практически никакой роли. Зато в микромире…

Для электрона, вращающегося по околоядерной орбите со скоростью тысяча километров в секунду, подсчет дает длину волны, равную одной стомиллионной доле сантиметра. Это означает, что пучок электронов, несущихся с такой скоростью, должен вести себя подобно рентгеновым лучам. И действительно, эксперименты подтвердили двуличие электрона.