Простая сложная Вселенная - Кристоф Гальфар (2015)

Пока ваше крошечное Я пристально всматривается в атом водорода, плавающий посреди кухни, вы вдруг замечаете, что этот водород ужасно похож на кучу пустого места по сравнению с его содержимым, независимо от того, из чего может состоять его ядро. Факт, что между ядром и электронами находится некоторое количество пустоты, на самом деле общий для всех известных атомов Вселенной.

Странно.

Почему же тогда магниту просто не пройти сквозь поверхность холодильника, чтобы обширные пустые пространства атомов магнита проникли в такие же обширные пустые пространства атомов металлической двери? Почему вместо этого магнит прилипает к ней? Разве не следует сталкивающимся атомам просто столкнуться и пройти мимо друг друга, как два облака пара, даже не заметив взаимного присутствия? Ну нет. К счастью. Иначе мир не был бы твердым. И причиной тому являются электроны, а не ядра. Чтобы выяснить почему, пригодится уже приготовленный вами атом золота.

Рассмотренный вами атом водорода является самым маленьким атомом на Земле. Атом золота больше. Вы оказываетесь рядом и разглядываете его.

Первое, что вы замечаете, это то, что у него не один-единственный волнообразный электрон, носящийся вокруг ядра водорода, а целых семьдесят девять абсолютно идентичных волнообразных электронов, кружащихся вокруг ядра.

Вторая замеченная вами вещь состоит в том, что, какими бы одинаковыми электроны ни казались, эти волнообразные создания не делятся своей территорией. Вообще. Они попросту избегают находиться в одном и том же месте в одно и то же время, природа запрещает им поступать иначе: независимо от атома, которому они принадлежат, их волнообразные сущности нигде не пересекаются, таким образом создавая весьма жесткие условия вероятного совместного проживания в границах любого атома. У них нет иного выбора, кроме как выстраиваться вокруг ядра слоями, как у лука, и именно так они и поступают. Только два электрона могут заполнить первую, внутреннюю оболочку. Только восемь – расположиться во второй, восемнадцать – в третьей, тридцать два – в четвертой и т. д.

Эти цифры известны и одинаковы для всех известных атомов Вселенной. То, что делает один атом отличным от другого, связано с количеством содержащихся в нем электронов, а не с природой этих электронов. Электроны всегда тождественны.

Самый маленький из атомов – водород – имеет один электрон, орбиталь которого находится в пределах первой электронной оболочки. Гелий имеет два электрона. Их орбитали заполняют первую оболочку. Неон, произвольно выбранный мной третий атом, имеет десять электронов. Его первые две электронные оболочки полностью заселены электронами. Химические и механические свойства всех атомов связаны с тем, насколько заполнена их внешняя атомная оболочка.

Если вам нужно добавить к атому дополнительный электрон, не получится просто засунуть его куда заблагорассудится, и, конечно, не в уже заполненный слой. Так что если бы электроны были похожи на точки, их трудно было бы представить. Хотя они действительно могут напоминать маленькие шарики при некоторых особых обстоятельствах (вы подробно познакомитесь с ними в шестой части), но, чтобы иметь свойства волны, они не могут ими являться. А волны способны с легкостью заполнять объем. Вот почему на заполненном электронном слое не осталось совсем никакого пространства для чужаков. Если бы дополнительный электрон (сам по себе либо принадлежащий другому атому) действительно решил стать частью уже созданного атома, ему пришлось бы поселиться в сторонке от коренных жителей, там, где еще есть место, либо занять место кого-то из них, вышвырнув его оттуда. Электроны просто не выносят, когда их волнообразной сущности кто-то касается. Это – не знающий пощады мир.

Такое правило непереносимости имеет имя. Оно называется принципом запрета, или принципом Паули. Он был открыт в 1925 году швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули,[35] удостоенным за него Нобелевской премии по физике 1945 года.