Глазами Монжа-Бертолле

Так благодаря антипараллельности спинов высвобождается энергия химической связи. Она равна разности двух энергий, одна из которых соответствует уровню свободного атома, другая — уровню молекулы.

Математический расчет свидетельствует, что вклад кулоновского тяготения в энергию связи довольно скромен: что-то около десятой доли. Что же придает силы воображаемому «джинну» химической связи, который столь властно утихомирил разбушевавшиеся стихии микромира?

Обменное взаимодействие электронов.

Запомните этот термин. Потом мы с ним встретимся, когда пойдет речь о лечении психических расстройств с помощью интегралов.

Эпитет «воображаемый» применительно к сказочному джинну вполне уместен. Облик порой доброго, порой злого, но всегда могучего «духа» не раз вставал перед нами со страниц восточных сказок. К сожалению, обменное взаимодействие, скрывающееся за этой метафорой, вообразить значительно труднее. И постигнуть секрет его могущества невозможно, не разобравшись в квантово-механических премудростях того, как движутся электроны вокруг ядер в молекуле водорода.

Соединяясь в молекулу, атомы водорода обмениваются электронами. Конечно, это не совсем точно: электроны не марки и не мнения, чтобы можно было ими обменяться. Но от термина «обменное взаимодействие» нам не уйти, вот почему приходится предостерегать от житейского его толкования. Тем более что волновой характер движения делает электроны неразличимыми. Перемешавшиеся электронные облачка образуют нечто вроде целостной «волны», стягивающей соседние ядра в единую молекулу. Такое облако-волна хоть и расплывчато, однако все же и не бесформенно.

Обрисовать его контуры помогли опять же квантово-химические вычисления. Обнаружилось, что оно отдаленно напоминает скорлупу арахиса, узниками которой взамен двух орешков мы представляем себе атомные ядра.

Употреблять словосочетание «электронное облако» без оговорок рискованно, хотя оно прочно укоренилось в научном «жаргоне». Термин стал общеупотребительным только из-за краткости. В действительности же приходится иметь дело с облаком вероятности. Столь же эфемерным, столь же призрачным, как и размытый полупрозрачный диск включенного вентилятора. Или мелькающих спиц велосипедного колеса.

Присмотритесь к такому «облаку». Вы заметите участки большей и меньшей «плотности», «сгущения» и «разрежения». Между тем если стрелять в такой диск из пистолета, то часть пуль наверняка проскочит беспрепятственно. Угодить в спицу или лопасть не просто: все будет зависеть от слепого случая. Конечно, там, где облако гуще (оттого, что лопасти шире, а спицы соседствуют друг с другом), вероятность поразить цель выше. Но все равно вероятность остается вероятностью: то ли попадешь, то ли нет.

Нечто подобное встречается и в микромире. Чем темнее участок размытого электронного облака, изображенного художником на странице 172, тем больше тут плотность вероятности. Тем скорее мы обнаружим здесь разыскиваемый электрон. Что же касается самой плотности вероятности, то она вовсе не плод воображения художника. Ее точно вычисляют с помощью шредингеровской пси-функции.

Так квантовая механика похоронила шарик. От него остался лишь призрак.

Квантовая механика нарисовала электронные облака самых причудливых, самых фантастических форм, какие только могли пригрезиться художнику, нет, вернее, скульптору, ибо эти облака трехмерны, объемны. Правда, электронный ореол вокруг молекулы водорода имеет довольно простые очертания — он чем-то напоминает размытый «арахисовый орех», по крайней мере в области наибольшего сгущения. Но если у обычного ореха мы без труда можем обозначить границу, отделяющую скорлупу от окружающего воздуха, то «размывам» электронного облака такая геометрическая четкость отнюдь несвойственна.

Всмотритесь в рисунок «арахисового ореха». Вы заметите, что в зоне между ядрами краска положена гуще. Квантово-механический расчет обнаружил, что здесь электронная плотность повышена. Возможность такого сгущения появляется сразу, как только нейтральные атомы водорода подходят друг к другу достаточно близко. Это и есть главный итог обменного взаимодействия. Концентрируясь в межъядерном пространстве, электронное облако как бы гасит силы взаимного отталкивания между протонами, заставляя ядра сближаться до тех пор, пока не наступит равновесие сил. Зато, если электронные спины сблизившихся атомов параллельны, плотность облака между ядрами понижена, а посередине и вовсе равна нулю. В этом случае кулоновское отталкивание ядер преобладает над силами обменного взаимодействия и электростатического притяжения. Химическая связь образоваться не может.