Глазами Монжа-Бертолле

Успокоим впечатлительного читателя: «усушка» планеты за всю ее геологическую историю была настолько мизерна в глобальных масштабах, что ее не стоит опасаться многие миллиарды лет.

Это рассказано вовсе не для того, чтобы лишний раз напомнить: вот-де как важно изучать химическую связь методами квантовой механики! Мол, пустячная с виду реакция — расщепление воды, — а имеет грандиозное, так сказать космическое, значение!

Нет, нас сейчас интересует другое. Каким образом световые лучи разрывают валентную связь?

Молекула водорода напоминает гантельку. Атомы-шары скреплены упругой «пружиной» — валентной связью. Шары то растягивают, то сжимают пружину. C повышением температуры амплитуда колебаний растет. В какой-то момент пружина лопается. Происходит диссоциация. Но почему все-таки лопается? Что ее понуждает к этому?

Кванты лучистой энергии. К ним особенно чувствительны электроны. Еще бы: ведь электрон — тоже волна! Атомные ядра весьма восприимчивы к бомбардировке квантами. Да и сама молекула в целом.

Поглощенная веществом энергия солнечных лучей распределяется далеко не поровну. На вращение молекулы расходуется немного. Не более одной килокалории на каждую грамм-молекулу вещества. На усиление колебательного движения атомов идет несколько больше — от 1,5 до 6 килокалорий. Но все это вместе взятое в десятки раз меньше энергии, поглощаемой электронами!

Конечно, разным электронам требуется и разная энергия. Если они движутся во внутренних частях атома, для их возбуждения нужны тысячи и даже миллионы килокалорий. Такой энергией обладают рентгеновы лучи.

А их почти нет в составе солнечного спектра. Менее мощны фотоны ультрафиолетовой радиации. Они могут дать сотню-другую килокалорий на грамм-молекулу вещества. Конечно, этого недостаточно, чтобы расшатать устойчивую электронную конфигурацию внутренних оболочек молекулы. Зато наружные электроны весьма чувствительны к облучению ультрафиолетом.

Ощутив толчок, электрон возбуждается и перепрыгивает на более высокую оболочку-орбиту. Он может через некоторое время возвратиться, высветив то же количество энергии, которое получил. Такие прыжки туда и обратно происходят все время, пока мы освещаем какое-нибудь вещество. Именно поглощение света является причиной окраски химического соединения. Если вещество бесцветно, значит оно испускает не воспринимаемый глазом ультрафиолетовый или инфракрасный свет.

Каждый электрон способен поглощать и испускать энергию лишь строго отмеренными дозами — квантами. Чем ближе к этому определенному значению энергия фотонов, тем сильнее возбуждается электрон. Если энергия фотона меньше, чем нужно для возбуждения электрона, активации не произойдет. Если же фотоны слишком энергичны, они тоже действуют слабо. Фотон не может расходоваться по частям. Это же квант — неделимая порция энергии! А электрон не способен принять больше энергии, чем требуется для активации. Ведь ему отведены вполне определенные уровни-слои в электронных оболочках. Значит, пальба из пушек по воробьям в микромире столь же неэффективна, как из рогатки по слонам. Наибольшее действие оказывают лишь те фотоны, калибр которых в точности соответствует масштабам мишени.

Другое сравнение, если угодно: электрон заряжается, как пистолет. И подходят для этой цели пули только одного калибра.

Электрон начинает колебаться, перескакивая вверх и вниз с орбиты на орбиту, в такт с ударами фотонов. В беспокойной обстановке такого «артобстрела» спаренным электронам трудно удержаться вместе, сохранив антипараллельность спинов. Но как только спины окажутся одинаковыми, электроны-магнитики тут же начнут отталкиваться друг от друга. И хотя энергия самого отталкивания не так уж велика, в электронном облаке, окружающем атомные ядра в молекуле, происходят глубокие изменения. Молекула разваливается на куски.

Этому помогают и колебания атомных ядер. Они то сжимают, то растягивают пружину химической связи. И тем сильнее, чем интенсивней инфракрасное излучение, чем выше температура. Электронное облако молекулы пульсирует в такт с колебаниями ядер. Наконец в многоатомной молекуле взаимодействуют между собой и «пружины» соседних валентных связей.

Ультрафиолетовое излучение Солнца наиболее опасно для связей O—H в молекуле H₂O. До поверхности Земли оно почти не доходит, поглощаясь атмосферой. Здесь вода чувствует себя спокойно (если, конечно, ее молекулы не подвергаются сильному нагреванию). Зато на больших высотах она не выносит обстрела и разрушается.