Атом - «Энциклопедия. Основные сведения о строении атома: характеристики, особенности и формула

АТОМ [французский atome, от латинского atomus, от греческого?τομος (ουσ?α) - неделимая (сущность)], частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атомы каждого элемента индивидуальны по строению и свойствам и обозначаются химическими символами элементов (например, атом водорода - Н, железа - Fe, ртути - Hg, урана - U и т. д.). Атомы могут существовать как в свободном состоянии, так и в связанном (смотри Химическая связь). Всё многообразие веществ обусловлено различными сочетаниями атомов между собой. Свойства газообразных, жидких и твёрдых веществ зависят от свойств составляющих их атомов. Все физические и химические свойства атома определяются его строением и подчиняются квантовым законам. (Об истории развития учения об атоме смотри в статье Атомная физика.)

Общая характеристика строения атомов . Атом состоит из тяжёлого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его лёгких электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атома. Размеры атома определяются размерами его внешней электронной оболочки и велики по сравнению с размерами ядра атома. Характерные порядки диаметров, площадей поперечного сечения и объёмов атома и ядра составляют:

Атом 10 -8 см 10 -16 см 2 10 -24 см 3

Ядро 10 -12 см 10 -24 см 2 10 -36 см 3

Электронные оболочки атома не имеют строго определённых границ, и значения размеров атома в большей или меньшей степени зависят от способов их определения.

Заряд ядра - основная характеристика атома, обусловливающая его принадлежность определённому элементу. Заряд ядра всегда является целым, кратным положительному элементарному электрическому заряду, равному по абсолютному значению заряду электрона -е. Заряд ядра равен +Ze, где Z - порядковый номер (атомный номер). Z= 1, 2, 3,... для атомов последовательных элементов в периодической системе химических элементов, то есть для атомов Н, Не, Li, .... В нейтральном атоме ядро с зарядом +Ze удерживает Z электронов с общим зарядом -Ze. Атом может потерять или присоединить к электронов и стать положительным или отрицательным ионом (к = 1, 2, 3, ... - кратность его ионизации). К атому определённого элемента часто относят и его ионы. При написании ионы отличают от нейтрального атома индексом к + и к - ; например, О - нейтральный атом кислорода, О + , О 2+ , О 3+ , ..., О 8+ , О - , О 2- - его положительные и отрицательные ионы. Совокупность нейтрального атома и ионов других элементов с тем же числом электронов образует изоэлектронный ряд, например ряд водородоподобных атомов Н, Не + , Li 2+ , Ве 3+ ,... .

Кратность заряда ядра атома элементарному заряду е получила объяснение на основании представлений о строении ядра: Z равно числу протонов в ядре, заряд протона равен +е. Масса атома возрастает с увеличением Z. Масса ядра атома приближённо пропорциональна массовому числу А - общему числу протонов и нейтронов в ядре. Масса электрона (0,91 · 10 -27 г) значительно меньше (примерно в 1840 раз) массы протона или нейтрона (1,67?10 -24 г), поэтому масса атома в основном определяется массой его ядра.

Атомы данного элемента могут отличаться массой ядра (число протонов Z постоянно, число нейтронов А-Z может меняться); такие разновидности атомов одного и того же элемента называются изотопами. Различие массы ядра почти не сказывается на строении электронных оболочек данного атома, зависящем от Z, и свойствах атома. Наибольшие отличия в свойствах (изотопные эффекты) получаются для изотопов водорода (Z = 1) из-за большой разницы в массах обычного лёгкого атома водорода (А = 1), дейтерия (А = 2) и трития (А= 3).

Масса атома изменяется от 1,67 ?10 -24 г (для основного изотопа атом водорода, Z=1, А=1) до примерно 4?10 -22 г (для атомов трансурановых элементов). Наиболее точные значения масс атомов могут быть определены методами масс-спектроскопии. Масса атома не равна в точности сумме массы ядра и масс электронов, а несколько меньше - на дефект массы ΔM = W/c 2 , где W - энергия образования атома из ядра и электронов (энергия связи), с - скорость света. Эта поправка порядка массы электрона m e для тяжёлых атомов, а для лёгких пренебрежимо мала (порядка 10 -4 m e).

Энергия атома и её квантование . Благодаря малым размерам и большой массе атомное ядро можно приближённо считать точечным и покоящимся в центре масс атома (общий центр масс ядра и электронов находится вблизи ядра, а скорость движения ядра относительно центра масс атома мала по сравнению со скоростями движения электронов). Соответственно атом можно рассматривать как систему, в которой N электронов с зарядами — е движутся вокруг неподвижного притягивающего центра. Движение электронов в атоме происходит в ограниченном объёме, то есть является связанным. Полная внутренняя энергия атома Е равна сумме кинетических энергий Т всех электронов и потенциальной энергии U - энергии притяжения их ядром и отталкивания друг от друга.

Согласно теории атома, предложенной в 1913 году Нильсом Бором, в атоме водорода один электрон с зарядом -е движется вокруг неподвижного центра с зарядом +е. В соответствии с классической механикой кинетическая энергия такого электрона равна

где v - скорость, p = m e v - количество движения (импульс) электрона. Потенциальная энергия (сводящаяся к энергии кулоновского притяжения электрона ядром) равна

и зависит только от расстояния r электрона от ядра. Графически функция U(r) изображается кривой, неограниченно убывающей при уменьшении r, т. е. при приближении электрона к ядру. Значение U(r) при r→∞ принято за нуль. При отрицательных значениях полной энергии Е = Т + U < 0 движение электрона является связанным: оно ограничено в пространстве значениями r=r мaкc . При положительных значениях полной энергии Е = Т + U > 0 движение электрона является свободным - он может уйти на бесконечность с энергией Е = Т = (1/2)m е v 2 , что соответствует ионизованному атому водорода Н + . Таким образом, нейтральный атом водорода - система электростатически связанных ядра и электрона с энергией Е< 0.

Полная внутренняя энергия атома Е - его основная характеристика как квантовой системы (смотри Квантовая механика). Атом может длительно находиться лишь в состояниях с определённой энергией - стационарных (неизменных во времени) состояниях. Внутренняя энергия квантовой системы, состоящей из связанных микрочастиц (в том числе атома), может принимать одно из дискретного (прерывного) ряда значений

Каждому из этих «дозволенных» значений энергии соответствует одно или несколько стационарных квантовых состояний. Промежуточными значениями энергии (например, лежащими между Е 1 и Е 2 , Е 2 и Е 3 , и т.д.) система обладать не может, о такой системе говорят, что её энергия квантована. Любое изменение Е связано с квантовым (скачкообразным) переходом системы из одного стационарного квантового состояния в другое (смотри ниже).

Возможные дискретные значения (3) энергии атома графически можно изобразить по аналогии с потенциальной энергией тела, поднятого на различные высоты (на различные уровни), в виде схемы уровней энергии, где каждому значению энергии соответствует прямая, проведённая на высоте E i , i= 1, 2, 3, ... (рис. 1). Самый нижний уровень E 1 , соответствующий наименьшей возможной энергии атома, называется основным, а все остальные (E i >E 1), i = 2, 3, 4, ...) — возбуждёнными, т. к. для перехода на них (перехода в соответствующие стационарные возбуждённые состояния из основного) необходимо возбудить систему - сообщить ей извне энергию E i -E 1 .

Квантование энергии атома является следствием волновых свойств электронов. Согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма, движению микрочастицы массы m со скоростью v соответствует длина волны λ = h/mv, где h - постоянная Планка. Для электрона в атоме λ порядка 10 -8 см, то есть порядка линейных размеров атома, и учёт волновых свойств электрона в атоме является необходимым. Связанное движение электрона в атоме схоже со стоячей волной, и его следует рассматривать не как движение материальной точки по траектории, а как сложный волновой процесс. Для стоячей волны в ограниченном объёме возможны лишь определённые значения длины волны λ (и, следовательно, частоты колебаний v). Согласно квантовой механике, энергия атома Е связана с v соотношением Е = hν и поэтому может принимать лишь определённые значения. Свободное, не ограниченное в пространстве поступательное движение микрочастицы, например движение электрона, оторванного от атома (с энергией Е> 0), сходно с распространением бегущей волны в неограниченном объёме, для которой возможны любые значения λ (и v). Энергия такой свободной микрочастицы может принимать любые значения (не квантуется, имеет непрерывный энергетический спектр). Такая непрерывная последовательность соответствует ионизованному атому. Значение Е ∞ = 0 соответствует границе ионизации; разность Е ∞ —Е 1 = Е ион называется энергией ионизации (смотри в статье Ионизационный потенциал); для атома водорода она равна 13,6 эВ.

Распределение электронной плотности . Точное положение электрона в атоме в данный момент времени установить нельзя вследствие неопределенностей соотношения. Состояние электрона в атоме определяется его волновой функцией, определённым образом зависящей от его координат; квадрат модуля волновой функции характеризует плотность вероятности нахождения электрона в данной точке пространства. Волновая функция в явном виде является решением Шрёдингера уравнения.

Таким образом, состояние электрона в атоме можно характеризовать распределением в пространстве его электрического заряда с некоторой плотностью - распределением электронной плотности. Электроны как бы «размазаны» в пространстве и образуют «электронное облако». Такая модель правильнее характеризует электроны в атоме, чем модель точечного электрона, движущегося по строго определённым орбитам (в теории атома Бора). Вместе с тем каждой такой боровской орбите можно сопоставить конкретное распределение электронной плотности. Для основного уровня энергии E 1 электронная плотность концентрируется вблизи ядра; для возбуждённых уровней энергии Е 2 , Е 3 , Е 4 ... она распределяется на всё больших средних расстояниях от ядра. В многоэлектронном атоме электроны группируются в оболочки, окружающие ядро на различных расстояниях и характеризующиеся определёнными распределениями электронной плотности. Прочность связи электронов с ядром во внешних оболочках меньше, чем во внутренних, и слабее всего электроны связаны в самой внешней оболочке, обладающей наибольшими размерами.

Учёт спина электрона и спина ядра . В теории атома весьма существен учёт спина электрона - его собственного (спинового) момента количества движения, с наглядной точки зрения соответствующего вращению электрона вокруг собственной оси (если электрон рассматривать как частицу малых размеров). Со спином электрона связан сто собственный (спиновый) магнитный момент. Поэтому в атоме необходимо учитывать, наряду с электростатическими взаимодействиями, и магнитные взаимодействия, определяемые спиновым магнитным моментом и орбитальным магнитным моментом, связанным с движением электрона вокруг ядра; магнитные взаимодействия малы по сравнению с электростатическими. Наиболее существенно влияние спина в многоэлектронных атомах: от спина электронов зависит заполнение электронных оболочек атома определённым числом электронов.

Ядро в атоме также может обладать собственным механическим моментом - ядерным спином, с которым связан ядерный магнитный момент в сотни и тысячи раз меньший электронного. Существование спинов приводит к дополнительным, очень малым взаимодействиям ядра и электронов (смотри ниже).

Квантовые состояния атома водорода . Важнейшую роль в квантовой теории атома играет теория простейшего одноэлектронного атома, состоящего из ядра с зарядом +Ze и электрона с зарядом -е, то есть теория атома водорода Н и водородоподобных ионов Не + , Li 2+ , Ве 3+ ,..., называемая обычно теорией атома водорода. Методами квантовой механики можно получить точную и полную характеристику состояний электрона в одноэлектронном атоме. Задача о многоэлектронном атоме решается лишь приближённо; при этом исходят из результатов решения задачи об одноэлектронном атоме.

Энергия одноэлектронного атома в нерелятивистском приближении (без учёта спина электрона) равна

целое число n = 1, 2, 3, ... определяет возможные дискретные значения энергии - уровни энергии - и называется главным квантовым числом, R - постоянная Ридберга, равная 13,6 эВ. Уровни энергии атома сходятся (сгущаются) к границе ионизации Е ∞ = 0, соответствующей n =∞. Для водородоподобных ионов изменяется (в Z 2 раз) лишь масштаб значений энергий. Энергия ионизации водородоподобного атома (энергия связи электрона) равна (в эВ)

что даёт для Н, Не + , Li 2+ , ... значения 13,6эВ, 54,4 эВ, 122,4 эВ, ... .

Основная формула (4) соответствует выражению U(r) = -Ze 2 /r для потенциальной энергии электрона в электрическом поле ядра с зарядом +Ze. Эта формула была впервые выведена Н. Бором путём рассмотрения движения электрона вокруг ядра по круговой орбите радиуса r и является точным решением уравнения Шрёдингера для такой системы. Уровням энергии (4) соответствуют орбиты радиуса

где постоянная а 0 = 0,529·10 -8 см = = 0,529 А - радиус первой круговой орбиты атома водорода, соответствующей его основному уровню (этим боровским радиусом часто пользуются в качестве удобной единицы для измерений длин в атомной физике). Радиус орбит пропорционален квадрату главного квантового числа n 2 и обратно пропорционален Z; для водородоподобных ионов масштаб линейных размеров уменьшается в Z раз по сравнению с атомом водорода. Релятивистское описание атома водорода с учётом спина электрона даётся Дирака уравнением.

Согласно квантовой механике, состояние атома водорода полностью определяется дискретными значениями четырёх физических величин: энергии Е; орбитального момента М l (момента количества движения электрона относительно ядра); проекции М lz орбитального момента на произвольно выбранное направление z; проекции M sz спинового момента (собственного момента количества движения электрона M s). Возможные значения этих физических величин, в свою очередь, определяются квантовыми числами n, l, m l , m s соответственно. В приближении, когда энергия атома водорода описывается формулой (4), она определяется только главным квантовым числом n, принимающим целочисленные значения 1, 2, 3, ... . Уровню энергии с заданным n соответствует несколько состояний, различающихся значениями орбитального (азимутального) квантового числа l = 0, 1, ..., n-1. Состояния с заданными значениями n и l принято обозначать как 1s, 2s, 2р, 3s, ..., где цифры указывают значение n, а буквы s, р, d, f (дальше по латинскому алфавиту) - соответственно значения l = 0, 1, 2, 3. При заданных n и l число различных состояний равно 2(2l + 1) - числу комбинаций значений магнитного орбитального квантового числа m l магнитного спинового числа m s (первое принимает 2l + 1 значений, второе - 2 значения). Общее число различных состояний с заданными n и l получается равным 2n 2 . Таким образом, каждому уровню энергии атома водорода соответствует 2,8, 18,…2n 2 (при n= 1, 2, 3, ...) различных стационарных квантовых состояний. Если уровню энергии соответствует лишь одно квантовое состояние, то его называют невырожденным, если два или более - вырожденным (смотри Вырождение в квантовой теории), а число таких состояний g называется степенью или кратностью вырождения (для невырожденных уровней энергии g=1). Уровни энергии атома водорода являются вырожденными, а их степень вырождения g n = 2n 2 .

Для различных состояний атома водорода получается и разное распределение электронной плотности. Оно зависит от квантовых чисел n, l и При этом электронная плотность для s-состояний (l=0) отлична от нуля в центре, т. е. в месте нахождения ядра, и не зависит от направления (сферически симметрична), а для остальных состояний (l>0) она равна нулю в центре и зависит от направления. Распределение электронной плотности для состояний атома водорода с n = 1, 2, 3 показано на рисунке 2; размеры «электронного облака» растут в соответствии с формулой (6) пропорционально n2 (масштаб на рисунке 2 уменьшается при переходе от n = 1 к n = 2 и от n = 2 к n = 3). Квантовые состояния электрона в водородоподобных ионах характеризуются теми же четырьмя квантовыми числами n, l, m l и m s , что и в атоме водорода. Сохраняется и распределение электронной плотности, только она увеличивается в Z раз.

Действие на атом внешних полей . Атом как электрическая система во внешнем электрическом и магнитном полях приобретает дополнительную энергию. Электрическое поле поляризует атом - смещает электронные облака относительно ядра (смотри Поляризуемость атомов, ионов и молекул), а магнитное поле ориентирует определённым образом магнитный момент атома, связанный с движением электрона вокруг ядра (с орбитальным моментом M l) и его спином. Различным состояниям атома водорода с той же энергией Е n во внешнем поле соответствуют разные значения дополнительной энергии ΔЕ, и вырожденный уровень энергии E n расщепляется на ряд подуровней. Как расщепление уровней энергии в электрическом поле - Штapкa эффект, - так и их расщепление в магнитном поле - Зеемана эффект - пропорциональны напряжённостям соответствующих полей.

К расщеплению уровней энергии приводят и малые магнитные взаимодействия внутри атома. Для атома водорода и водородоподобных ионов имеет место спин-орбитальное взаимодействие - взаимодействие спинового и орбитального моментов электрона; оно обусловливает так называемую тонкую структуру уровней энергии — расщепление возбуждённых уровней E n (при n>1) на подуровни. Для всех уровней энергии атома водорода наблюдается и сверхтонкая структура, обусловленная очень малыми магнитными взаимодействиями ядерного спина с электронными моментами.

Электронные оболочки многоэлектронных атомов . Теория атома, содержащих 2 или более электронов, принципиально отличается от теории атома водорода, так как в таком атоме имеются взаимодействующие друг с другом одинаковые частицы - электроны. Взаимное отталкивание электронов в многоэлектронном атоме существенно уменьшает прочность их связи с ядром. Например, энергия отрыва единственного электрона в ионе гелия (Не +) равна 54,4 эВ, в нейтральном же атоме гелия в результате отталкивания электронов энергия отрыва одного из них уменьшается до 24,6 эВ. Для внешних электронов более тяжёлых атомов уменьшение прочности их связи из-за отталкивания внутренними электронами ещё более значительно. Важную роль в многоэлектронных атомах играют свойства электронов как одинаковых микрочастиц (смотри Тождественности принцип), обладающих спином s = 1/2, для которых справедлив Паули принцип. Согласно этому принципу, в системе электронов не может быть более одного электрона в каждом квантовом состоянии, что приводит к образованию электронных оболочек атома, заполняющихся строго определёнными числами электронов.

Учитывая неразличимость взаимодействующих между собой электронов, имеет смысл говорить только о квантовых состояниях атома в целом. Однако приближённо можно рассматривать квантовые состояния отдельных электронов и характеризовать каждый из них совокупностью квантовых чисел n, l, m l и m s , аналогично электрону в атоме водорода. При этом энергия электрона оказывается зависящей не только от n, как в атоме водорода, но и от l; от m l и m s она по-прежнему не зависит. Электроны с данными n и l в многоэлектронном атоме имеют одинаковую энергию и образуют определённую электронную оболочку. Такие эквивалентные электроны и образованные ими оболочки обозначают, как и квантовые состояния и уровни энергии с заданными n и l, символами ns, nр, nd, nf, ... (для 1 = 0, 1, 2,3,...) и говорят о 2р-электронах, 3s-о6олочках и т.п.

Согласно принципу Паули, любые 2 электрона в атоме должны находиться в различных квантовых состояниях и, следовательно, отличаться хотя бы одним из четырёх квантовых чисел n, l, m l и m s , а для эквивалентных электронов (n и l одинаковы) - значениями m l и m s . Число пар m l , m s , т. е. число различных квантовых состояний электрона с заданными n и l, и есть степень вырождения его уровня энергии g l = 2 (2l+1) = 2, 6, 10, 14, ... . Оно определяет число электронов в полностью заполненных электронных оболочках. Таким образом, s-, р-, d-, f-, ... оболочки заполняются 2, 6, 10, 14, ... электронами, независимо от значения n. Электроны с данным n образуют слой, состоящий из оболочек с l = 0, 1, 2, ..., n - 1 и заполняемый 2n 2 электронами, так называемый К- , L-, М, N-слой. При полном заполнении имеем:

В каждом слое оболочки с меньшими l характеризуются большей электронной плотностью. Прочность связи электрона с ядром уменьшается с увеличением n, а при заданном n — с увеличением l. Чем слабее связан электрон в соответствующей оболочке, тем выше лежит его уровень энергии. Ядро с заданным Z присоединяет электроны в порядке уменьшения прочности их связи: сначала два электрона 1s, затем два электрона 2s, шесть электронов 2р и т. д. Атому каждого химического элемента присуще определённое распределение электронов по оболочкам - его электронная конфигурация, например:

(число электронов в данной оболочке указывается индексом справа сверху). Периодичность в свойствах элементов определяется сходством внешних электронных оболочек атома. Например, нейтральные атомы Р, As, Sb, Bi (Z = 15, 33, 51, 83) имеют по три р-электрона во внешней электронной оболочке, подобно атому N, и схожи с ним по химическим и многим физическим свойствам.

Каждый атом характеризуется нормальной электронной конфигурацией, получающейся, когда все электроны в атоме связываются наиболее прочно, и возбуждёнными электронными конфигурациями, когда один или несколько электронов связаны более слабо - находятся на более высоких уровнях энергии. Например, для атома гелия наряду с нормальной 1s2 возможны возбуждённые электронные конфигурации: 1s2s, 1s2р, ... (возбуждён один электрон), 2s 2 , 2s2р, ... (возбуждены оба электрона). Определённой электронной конфигурации соответствует один уровень энергии атома в целом, если электронные оболочки целиком заполнены (например, нормальная конфигурация атома Ne 1s 2 2s 2 2р 6), и ряд уровней энергии, если имеются частично заполненные оболочки (например, нормальная конфигурация атома азота 1s 2 2s 2 2р 3 для которой оболочка 2р заполнена наполовину). При наличии частично заполненных d- и f-оболочек число уровней энергии, соответствующих каждой конфигурации, может достигать многих сотен, так что схема уровней энергии атома с частично заполненными оболочками получается очень сложной. Основным уровнем энергии атома является самый нижний уровень нормальной электронной конфигурации.

Квантовые переходы в атоме . При квантовых переходах атом переходит из одного стационарного состояния в другое - с одного уровня энергии на другой. При переходе с более высокого уровня энергии E i на более низкий Е к атом отдаёт энергию E i - E k , при обратном переходе получает её. Как для любой квантовой системы, для атома квантовые переходы могут быть двух типов: с излучением (оптические переходы) и без излучения (безызлучательные, или неоптические, переходы). Важнейшая характеристика квантового перехода - его вероятность, определяющая, как часто этот переход может происходить.

При квантовых переходах с излучением атом поглощает (переход Е к → E i) или испускает (переход E i →Е к) электромагнитное излучение. Электромагнитная энергия поглощается и испускается атомом в виде кванта света - фотона, - характеризуемого определённой частотой колебаний v, согласно соотношению:

где hv - энергия фотона. Соотношение (7) представляет собой закон сохранения энергии для микроскопических процессов, связанных с излучением.

Атом в основном состоянии может только поглощать фотоны, а в возбуждённых состояниях может, как поглощать, так и испускать их. Свободный атом в основном состоянии может существовать неограниченно долго. Продолжительность пребывания атома в возбуждённом состоянии (время жизни этого состояния) ограничена, атом спонтанно (самопроизвольно), частично или полностью теряет энергию возбуждения, испуская фотон и переходя на более низкий уровень энергии; наряду с таким спонтанным испусканием возможно и вынужденное испускание, происходящее, подобно поглощению, под действием фотонов той же частоты. Время жизни возбуждённого атома тем меньше, чем больше вероятность спонтанного перехода, для атома водорода оно порядка 10 -8 с.

Совокупность частот v возможных переходов с излучением определяет атомный спектр соответствующего атома: совокупность частот переходов с нижних уровней на верхние - его спектр поглощения, совокупность частот переходов с верхних уровней на нижние - спектр испускания. Каждому такому переходу в атомном спектре соответствует определённая спектральная линия частоты v.

При безызлучательных квантовых переходах атом получает или отдаёт энергию при взаимодействии с другими частицами, с которыми он сталкивается в газе или длительно связан в молекуле, жидкости или твёрдом теле. В газе атом можно считать свободным в промежутках времени между столкновениями; во время столкновения (удара) атом может перейти на более низкий или высокий уровень энергии. Такое столкновение называется неупругим (в противоположность упругому столкновению, при котором изменяется только кинетическая энергия поступательного движения атома, а его внутренняя энергия остаётся неизменной). Важный частный случай - столкновение свободного атома с электроном; обычно электрон движется быстрее атома, время столкновения очень мало и можно говорить об электронном ударе. Возбуждение атома электронным ударом является одним из методов определения его уровней энергии.

Химические и физические свойства атома . Большинство свойств атома определяется строением и характеристиками его внешних электронных оболочек, в которых электроны связаны с ядром сравнительно слабо (энергии связи от нескольких эВ до нескольких десятков эВ). Строение внутренних оболочек атома, электроны которых связаны гораздо прочнее (энергии связи в сотни, тысячи и десятки тысяч эВ), проявляется лишь при взаимодействиях атома с быстрыми частицами и фотонами больших энергий (более сотен эВ). Такие взаимодействия определяют рентгеновские спектры атома и рассеяние быстрых частиц (смотри Дифракция частиц). От массы атома зависят его механические свойства при движении атома как целого - количество движения, кинетическая энергия. От механических и связанных с ними магнитных и электрических моментов атома зависят различные резонансные и другие физические свойства атома (смотри Электронный парамагнитный резонанс, Ядерный магнитный резонанс, Ядерный квадрупольный резонанс).

Электроны внешних оболочек атома легко подвергаются внешним воздействиям. При сближении атомов возникают сильные электростатические взаимодействия, которые могут приводить к образованию химической связи. Более слабые электростатические взаимодействия двух атомов проявляются в их взаимной поляризации - смещении электронов относительно ядер, наиболее сильном для слабо связанных внешних электронов. Возникают поляризационные силы притяжения между атомами, которые надо учитывать уже на больших расстояниях между ними. Поляризация атома происходит и во внешних электрических полях; в результате уровни энергии атома смещаются и, что особенно важно, вырожденные уровни энергии расщепляются (эффект Штарка). Поляризация атома может возникнуть под действием электрического поля световой (электромагнитной) волны; она зависит от частоты света, что обусловливает зависимость от неё и показателя преломления (смотри Дисперсия света), связанного с поляризуемостью атома. Тесная связь оптических характеристик атома с его электрическими свойствами особенно ярко проявляется в его оптических спектрах.

Магнитные свойства атомов определяются в основном строением их электронных оболочек. Магнитный момент атома зависит от его механического момента (смотри Магнитомеханическое отношение), в атоме с полностью заполненными электронными оболочками он равен нулю, так же, как и механический момент. Атомы с частично заполненными внешними электронными оболочками обладают, как правило, отличными от нуля магнитными моментами и являются парамагнитными. Во внешнем магнитном поле все уровни атомов, у которых магнитный момент не равен нулю, расщепляются - имеет место эффект Зеемана. Все атомы обладают диамагнетизмом, который обусловлен возникновением у них магнитного момента под действием внешнего магнитного поля (так называемого индуцированного магнитного момента, аналогичного электрическому дипольному моменту атома).

При последовательной ионизации атома, то есть при отрыве его электронов, начиная с самых внешних в порядке увеличения прочности их связи, соответственно изменяются все свойства атома, определяемые его внешней оболочкой. Внешними становятся всё более прочно связанные электроны; в результате сильно уменьшается способность атома поляризоваться в электрическом поле, увеличиваются расстояния между уровнями энергии и частоты оптических переходов между этими уровнями (что приводит к смещению спектров в сторону всё более коротких длин волн). Ряд свойств обнаруживает периодичность: сходными оказываются свойства ионов с аналогичными внешними электронами; например, N 3+ (два электрона 2s) обнаруживают сходство с N 5+ (два электрона 1s). Это относится к характеристикам и относительному расположению уровней энергии и к оптическим спектрам, к магнитным моментам атома и так далее. Наиболее резкое изменение свойств происходит при удалении последнего электрона из внешней оболочки, когда остаются лишь полностью заполненные оболочки, например при переходе от N 4+ к N 5+ (электронные конфигурации 1s 2 2s и 1s 2). В этом случае ион наиболее устойчив и его полный механический и полный магнитный моменты равны нулю.

Свойства атома, находящегося в связанном состоянии (например, входящего в состав молекулы), отличаются от свойств свободного атома. Наибольшие изменения претерпевают свойства атома, определяемые самыми внешними электронами, принимающими участие в присоединении данного атома к другому. Вместе с тем свойства, определяемые электронами внутренних оболочек, могут практически не измениться, как это имеет место для рентгеновских спектров. Некоторые свойства атома могут испытывать сравнительно небольшие изменения, по которым можно получить информацию о характере взаимодействий связанных атомов. Важным примером может служить расщепление уровней энергии атома в кристаллах и комплексных соединениях, которое происходит под действием электрических полей, создаваемых окружающими ионами.

Экспериментальные методы исследования структуры атома, его уровней энергии, его взаимодействий с другими атомами, элементарными частицами, молекулами, внешними полями и так далее разнообразны, однако основная информация содержится в его спектрах. Методы атомной спектроскопии во всех диапазонах длин волн, и в особенности методы современной лазерной спектроскопии, позволяют изучать всё более тонкие эффекты, связанные с атомом. С начала 19 века существование атома для учёных было очевидным, однако эксперимент по доказательству реальности его существования был поставлен Ж. Перреном в начале 20 века. С развитием микроскопии появилась возможность получать изображения атомов на поверхности твёрдых тел. Впервые атом увидел Э. Мюллер (США, 1955) с помощью изобретённого им автоионного микроскопа. Современные атомно-силовые и туннельные микроскопы позволяют получать изображения поверхностей твёрдых тел с хорошим разрешением на атомном уровне (смотри рисунок 3).

Рис. 3. Изображение атомной структуры поверхности кремния, полученное профессором Оксфордского университета М. Капстеллом с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Существуют и широко используются в различных исследованиях так называемые экзотические атомы, например мюонные атомы, т. е. атомы, в которых все или часть электронов заменены отрицательными мюонами, мюоний, позитроний, а также адронные атомы, состоящие из заряженных пионов, каонов, протонов, дейтронов и др. Осуществлены также первые наблюдения атома антиводорода (2002) - атома, состоящего из позитрона и антипротона.

Лит.: Борн М. Атомная физика. 3-е изд. М., 1970; Фано У., Фано Л. Физика атомов и молекул. М., 1980; Шпольский Э. В. Атомная физика. 7-е изд. М., 1984. Т. 1-2; Ельяшевич М. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. 2-е изд. М., 2000.

Добавить сайт в закладки

Понятие атом. Строение атома и атомного ядра

Атом является наименьшей частицей элемента, сохраняющей его характеристики.

Атомы различных элементов отличаются друг от друга. Поскольку существует свыше 100 различных элементов, то существует и свыше 100 различных видов атомов.

Рис 1-2. Части атома.

Каждый атом имеет ядро, расположенное в центре атома. Оно содержит положительно заряженные частицы – протоны и незаряженные частицы – нейтроны.

Электроны, отрицательно заряженные частицы, вращаются вокруг ядер (см. Рис. 1-2).

Количество протонов в ядре атома называется атомным номером элемента.

Рис. 1-3. Электроны, расположенные на оболочках вокруг ядра.

Атомные номера позволяют отличить один элемент от другого. Каждый элемент имеет атомный вес. Атомный вес - это масса атома, которая определяется общим числом протонов и нейтронов в ядре. Электроны практически не дают вклада в общую массу атома, масса электрона составляет только 1/1845 часть массы протона и ею можно пренебречь.

Электроны вращаются по концентрическим орбитам вокруг ядра. Каждая орбита называется оболочкой. Эти оболочки заполняются в следующей последовательности: сначала заполняется оболочка К, затем L, М, N и т.д. (см. Рис. 1-3). Максимальное количество электронов, которое может разместиться на каждой оболочке, показано на Рис. 1-4.

Внешняя оболочка называется валентной, и количество электронов, содержащееся в ней, называется валентностью. Чем дальше от ядра валентная оболочка, тем меньшее притяжение со стороны ядра испытывает каждый валентный электрон. Таким образом, потенциальная возможность атома присоединять или терять электроны увеличивается, если валентная оболочка не заполнена и расположена достаточно далеко от ядра.

Рис. 1-4 и 1-5. Состав атома.

Электроны валентной оболочки могут получать энергию. Если эти электроны получат достаточно энергии от внешних сил, они могут покинуть атом и стать свободными электронами, произвольно перемещающимися от атома к атому. Материалы, содержащие большое количество свободных электронов, называются проводниками.

Рис. 1-6. Валентность меди.

На Рис. 1-5 сравниваются проводимости различных металлов, используемых в качестве проводников. В таблице серебро, медь и золото имеют валентность, равную единице (см. Рис. 1-6). Однако серебро является лучшим проводником, поскольку его валентные электроны слабее связаны.

Изоляторы, в противоположность проводникам, препятствуют протеканию электричества. Изоляторы стабильны благодаря тому, что валентные электроны одних атомов присоединяются к другим атомам, заполняя их валентные оболочки, препятствуя, таким образом, образованию свободных электронов.

Рис. 1-7. Диэлектрические свойства различных материалов, используемых в качестве изоляторов.

Материалы, классифицируемые как изоляторы, сравниваются на Рис. 1-7. Слюда является наилучшим изолятором, потому что она имеет наименьшее число свободных электронов на своих валентных оболочках.

Промежуточное положение между проводниками и изоляторами занимают полупроводники.Полупроводники не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами, но они важны, потому что их проводимость можно изменять от проводника до изолятора. Кремний и германий являются полупроводниковыми материалами.

Об атоме, который имеет одинаковое число электронов и протонов, говорят, что он электрически нейтрален. Атом, получающий один или более электронов, не является электрически нейтральным. Он становится отрицательно заряженным и называется отрицательным ионом. Если атом теряет один или более электронов, то он становится положительно заряженным и называется положительным ионом. Процесс присоединения или потери электронов называется ионизацией. Ионизация играет большую роль в протекании электрического тока.

В школе все науки понятно и привычно делили сферы влияния. В домашних заданиях явления требовали отнести либо к физическим, либо к химическим. В реальной жизни это уже давно не так, и Нобелевская премия по химии 2017 года - очередное тому доказательство. На престижнейшую научную награду для химиков номинированы трое учёных, работающих в сфере биологии и открывших способ, как увидеть структуру отдельных биомолекул в их естественной среде обитания - водном растворе.

При чём тут химия?

Уже не первый год Нобелевскую премию по химии присуждают за биологические открытия. И на этот раз Ричард Хендерсон, Иоахим Франк и Жак Дубоше были номинированы на Нобелевку за "развитие криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структуры биомолекул в растворе". Неужели в науке о превращениях веществ за последние десятилетия не случилось ничего прорывного? А если случилось, то почему с химиками обходятся так несправедливо?

На самом деле несправедливости тут нет. Современная наука мультидисциплинарна. Каждый уважающий себя исследователь подходит к интересующей его проблеме с самых разных сторон, используя солидный набор методов для её изучения. Теперь уже недостаточно провести какую-нибудь одну химическую реакцию или вывести линию мух с определённым геном. Статью об исследовании, в котором использованы один-два метода, приличный научный журнал не примет. Необходимо использовать и физические, и химические, и биологические подходы к одному и тому же вопросу. В конце концов, всё живое состоит из молекул, традиционных объектов изучения химии, а эти молекулы и их группы подчиняются физическим законам.

К тому же наука о жизни давно уже ушла от препарирования лягушек и наблюдения за цветением растений. Многие современные биологи в ходе работы ни разу не сталкиваются с живыми объектами. Огромные силы брошены на фронт биоинформатики - анализа последовательностей нуклеотидов ДНК и аминокислот в белках с использованием компьютерных алгоритмов. Классической биологии в этом, прямо скажем, нет. Для биоинформатических изысканий не нужны ни пробирки, ни микроскопы, ни другие предметы, на фоне которых журналисты и телевизионщики обычно снимают учёных.

Но есть и те, кто стоит к живому чуть ближе. Они работают не с целыми организмами и даже не с конкретными органами, а с отдельными биологическими молекулами. Кстати, эти молекулы не такие уж и мелкие. Как правило, они состоят из сотен тысяч атомов - особенно если говорить о белках и нуклеиновых кислотах. Способов соединить эти атомы великое множество, а ведь от них зависят форма и поведение молекулы. Ферменты - биологические катализаторы - потому и помогают проводить биохимические реакции, что способны менять форму своих молекул.

Как увидеть отдельную молекулу?

Конечно, молекулы белков и нуклеиновых кислот крупнее, чем какой-нибудь глюкозы. Но всё же они недостаточно большие, чтобы их было видно в обычный, световой микроскоп. Его разрешение ограничено длиной световой волны, падающей на исследуемый объект. Как правило, она составляет не более 250 нанометров . Соответственно, все объекты размером меньше 250 нанометров в световой микроскоп видны не будут.

Обойти эту проблему в 1930-х годах позволили электронные микроскопы. В них на исследуемый объект не светит солнце или лампочка - на него обрушивается поток электронов. В остальном принцип работы электронного микроскопа похож на принцип самого простого светового микроскопа, но длина волны электронов существенно короче длины волны видимого света. Поэтому теоретическое разрешение электронной микроскопии в теории позволяет различать чуть ли не отдельные атомы.

Есть способы увидеть структуру молекул и без использования электронного микроскопа. Это рентгеноструктурный анализ и спектроскопия ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Но ЯМР-спектроскопия, к сожалению, подходит только для сравнительно небольших белков, а более крупные, в сотни тысяч аминокислот длиной, она "не берёт". Рентгеноструктурный анализ требует, чтобы молекулы находились в форме кристаллов. С этим есть трудности, так как далеко не все белки просто кристаллизовать. Ко всему прочему, когда биомолекулы находятся в кристаллической форме и/или в вакууме, как это часто бывает при электронной микроскопии, их свойства могут заметно отличаться от тех, что проявляются в натуральных условиях. А "натуральные условия" в данном случае - это водный раствор, потому что живые организмы по большей части состоят из воды.

Стекло и пачки фотографий

натыкаться" на препятствия до встречи с образцом, картинка получится зашумлённой. В воздушной атмосфере электроны пролетят всего несколько сантиметров, прежде чем полностью рассеяться.

Один из сегодняшних нобелевских лауреатов, швейцарский биофизик Жак Дубоше , придумал способ обойти эту проблему и при этом сохранить исследуемые молекулы в том виде, в котором они "плавают" в водном растворе цитоплазмы клеток. С помощью жидкого этана и азота он сильно охлаждал воду , окружающую образцы, так быстро, что она приобретала свойства стекла - витрифицировалась. Витрифицированная твёрдая вода по свойствам отличается ото льда. Её молекулы не выстраиваются в характерные для льда кристаллические решётки, а остаются практически на тех же местах, что и в момент начала охлаждения. Благодаря этому растворённые в такой воде молекулы "застывают" с той же структурой, какую они имеют и в живых клетках. На них точно так же, как и при "обычной" электронной микроскопии, могут налетать электроны, и "тени" от них будут всё так же видны. Фактически Дубоше добавил "крио-" (что значит "заморозка") к электронной микроскопии.

Казалось бы, все проблемы на этом закончились. Мы сохранили белок в первозданном виде, вот мы получили его "отпечаток", чего же ещё? Проблема в том, что крупные молекулы трёхмерны и при этом имеют очень сложную форму, а отдельные изображения проекций содержат очень много шума. Стало быть, по одной-единственной проекции белка его строение не вычислишь даже близко. Нужно много "фотографий" одинаковых молекул, сделанных с разных сторон, чтобы создать двухмерную реконструкцию. Первым задачу реконструкции трёхмерной структуры из двухмерной проекции решил Аарон Клуг ещё в 1962-м на примере симметричного хвоста бактериофага, за что в 1982 году получил Нобелевскую премию по химии.

— The Nobel Prize (@NobelPrize)

Теорию о "матрешечных" вселенных предложил М.А. Марков, отталкиваясь от некоторых выкладок в теориях А.А. Фридмана. Также эту идею поддержал английский ученый Роджер Пенроуз.

Фридмоны, или Вселенная в атоме (компиляция статей из различных источников)

МАТРЕШКИ

Еще два с половиной тысячелетия назад философы стали задаваться вопросом: что будет, если дробить вещество все мельче и мельче? Есть ли пределы дробления и каковы наименьшие размеры вещества? Это была, пожалуй, одна из самых трудных, поистине головокружительных проблем.

Пока философы спорили, физики дробили материю на все более мелкие частицы. Вещество — на молекулы, молекулы — на атомы, атомы — на ядра и электроны, ядра — на протоны, нейтроны и другие элементарные частицы...

Сейчас физики хотят ввести еще более мелкие сущности — кварки. Правда, никто пока еще не знает, существуют ли кварки на самом деле. Но ученым очень хочется, чтобы они существовали. Кварки ныне единодушно признаны "истинными" кирпичиками, из которых сложено мироздание. Однако можно не сомневаться: если кварки будут "пойманы", то их тут же попытаются разложить на субкварки, те — на...

Это бесконечное деление напоминает куклу-матрешку. Разнимаешь ее — там оказывается матрешка поменьше, и так далее. Но должна же быть последняя матрешка, которую уже нельзя разнять... Или, может быть, не должна?

Эта игра в матрешки хоть кого заведет в тупик. В самом деле, если последней матрешки нет, если процесс деления бесконечен, то мы никогда не узнаем, как устроен мир... С таким выводом нелегко согласиться. Но еще труднее свыкнуться с тем, что делимость вещества на каком-то этапе должна прекратиться. Значит, дойдя до последней матрешки, мы исчерпаем все свойства мира? Чепуха, скажет философ, процесс познания бесконечен.

Таким образом, строгая логика матрешек завела нас вроде бы в тупик. Есть ли из него выход?

СЛОН В КАСТРЮЛЕ

Здравый смысл говорит нам: если мы разрежем яблоко пополам, то каждая половина будет в два раза меньше и легче целого плода. Сложим обе половины — и снова получим яблоко. И не может быть такого, чтобы каждая половинка весила больше целого яблока.

В макромире действительно такого быть не может, а вот в мире элементарных частиц... Разнимая матрешки до все более мелких частиц, физики вдруг обнаружили нарушение закона сохранения массы. Оказалось, что масса целой частицы всегда... меньше суммы масс частиц, ее составляющих.

Впрочем, физиков это не очень-то удивляет. Еще А. Эйнштейн показал, что масса и энергия эквивалентны. (Энергия Е = mс^2, где m — масса, а с — скорость света.) Значит, дефект масс (масса ядра гелия, к примеру, на 1 % меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов, составляющих это ядро; этот дефект масс и лежит в основе термоядерных превращений, с которыми энергетика связывает большие надежды) восполняется выделением соответствующего количества энергии, и никаких нарушений законов сохранения, лежащих в основе физики, не происходит.

Приведем еще один яркий пример парадоксов микромира. Протон, как сейчас полагают, состоит из трех кварков. А масса каждого кварка, по расчетам, во много раз превышает массу протона! Поэтому из 1 грамма кварков, будь они у нас в руках, можно получить лишь 0,05 грамма протонов Остальные 95% массы кварков выделяются в виде энергии.

Несложные подсчеты, основанные на соотношении Эйнштейна, показывают: при "утилизации" грамма кварков человек смог бы высвободить громадную энергию, эквивалентную сжиганию 2500 тонн нефти!

Может ли слон залезть в кастрюлю? Странный, казалось бы, вопрос. Но разве не столь же странно положение "толстых" кварков, втиснутых в чрево "худенького" протона? А ведь это в мире микрочастиц совсем не исключение, а правило.

Вот и получается: в микромире вместо старого принципа "большое состоит из малого" действует противоположный закон — "малое слагается из большого"! Может быть, тут и следует искать решения "матрешечной" проблемы?

МИР ЭЛЕКТРОНА

В каждой частице, какой бы малой она ни была, "есть города, населенные людьми, обработанные поля, и светит солнце, луна и другие звезды, как у нас". Греческий философ Анаксагор утверждал это в V веке до нашей эры.

Трудно согласиться с подобными утверждениями. Здравый смысл, весь наш чувственный, житейский опыт противится. В жизни наш удел — малые скорости, ничтожно малые по сравнению со скоростью света, и массы вещества, в неизмеримое число раз превышающие массу атомов и исчезающе малые по сравнению с массами звезд.

Да, меру огромного дает нам космос. Даже невооруженным глазом можно различить на всем (оба полушария) небе 6 тысяч звезд. Но это число начинает бешено расти, если наше зрение усилить астрономическими трубами, оптическими телескопами, радиотелескопами.

Тут уж в одном лишь Млечном Пути человеку удалось бы различить, как показывают оценки, примерно 200 миллиардов звезд. Надо еще учесть, что галактик, подобных нашей, в космосе, утверждают астрономы, можно насчитать до 10 миллиардов!.. Неудивительно поэтому, что для нас малое — это атом, а большое — "толщи" вселенной. И по старинке мы упрямо строим большое из малого. Пока так думает большинство людей. И только немногие — ученые, поэты, философы, мечтатели — восставали и восстают против "упрямой" очевидности.

Скажем, некоторые биологи полагали, что яблочное семечко заключает в себе крошечную яблоню — целое дерево с плодами, внутри которых опять-таки находятся еще более крохотные яблоньки. И так до бесконечности.

Подобной игре воображения предавались и физики. Когда Нильс Бор в начале нашего века объяснял планетарную модель строения атома, ход его мысли был таков: электроны — планеты атомной системы — населены чрезвычайно малыми живыми существами, которые возводят свои домики, обрабатывают свою почву и изучают свою атомную физику. А на каком-то этапе они обнаруживают, что и их атомы также являются маленькими планетными системами...

А русский поэт Валерий Брюсов в начале нашего века в стихотворении "Мир электрона" писал:

Как относиться к подобным представлениям? Объявить вздором, нелепицей? Не будем спешить! Ученые уже много раз показывали, как относительны понятия "большого" и "малого". Продолжение разговора тут.

О современных научных воззрениях об образовании Вселенной, ее прошлом, нынешнем и будущем состоянии в прямом эфире видеостудии сайт рассказал специалист в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц, космологии, академик Российской академии наук, доктор физико-математических наук Валерий Рубаков.

Квантовая физика и происхождение Вселенной

— Валерий Александрович, расскажите, пожалуйста, о теориях образования Вселенной. Что такое теория развития космологических возмущений?

— Начинал я как теоретик в области физики элементарных частиц и примыкающей к ней области квантовой теории поля. Как раз тогда начало выясняться, что физика элементарных частиц и физика очень больших масштабов, космологии, Вселенной, - очень тесно связанные между собой вещи. Это удивительно, но это факт.

И чем дольше я живу, тем больше это видно, тем больше это проявляется и в теории, и теперь уже в эксперименте. Вот я так потихонечку "сдрейфовал" в космологию. Она сейчас особенно интересной стала, потому что за последние четверть века стала точной наукой. Раньше можно было о Вселенной думать самые разные вещи и очень мало было экспериментальных фактов, очень мало было достоверно известного о том, как устроена наша Вселенная, как она развивается, эволюционирует.

А сейчас есть гигантское количество экспериментальных данных, которые из самых разных областей. Появляются, конечно, многие новые астрономические данные, разными способами полученные, на спутниках и на телескопах. Сегодня мы про Вселенную знаем очень много. Поэтому сейчас очень интересно заниматься космологией как наукой, а не просто как мировоззрением.

— Насколько поменялись представления о Вселенной в последние годы?

— Поменялось довольно много. Стало совершенно ясно, что наша Вселенная не статична, она расширяется, пространство в разные стороны растягивается. Соответственно, в прошлом вещество во Вселенной было гораздо более плотным и горячим. Эта картина осталась.

Более того, она получила новые подтверждения, и сегодня мы понимаем в деталях, как была устроена Вселенная через одну секунду после того, как это вот быстрое расширение началось. Сравнивая с теорией экспериментальные данные, можно сказать, что вот так Вселенная существовала, развивалась через одну секунду после первоначального толчка.

— Получается, что теории Большого взрыва, которые разрабатывал Хоккинг, остаются в силе?

— Ну, они остаются в силе, значит, у него есть просто свои взгляды на еще более ранние стадии эволюции Вселенной. Про первую секунду мы знаем вот откуда. Значит, в это время во Вселенной температуры достигали примерно десяти миллиардов градусов. Гигантские температуры! Происходят термоядерные реакции, в которых образуется поистине вселенская энергия.

Зная ядерную физику, теорию гравитации, общую теорию относительности, можно вычислить концентрацию элементов, которые образуются. До этого в основном был водород, а потом образовались гелий, дейтерий в этом раннем "супе". С одной стороны, мы можем это вычислить, а с другой стороны, мы теперь можем это измерить. Астрономы научились эти концентрации измерять. Поэтому мы уверены в том, как была устроена Вселенная через секунду после Большого взрыва.

Теперь есть независимая совершенно история, связанная с космологическими возмущениями. Вселенная неоднородна. Есть более плотные области, есть менее. Есть галактики, там гораздо большая плотность вещества, чем в среднем по Вселенной. Есть Земля, где вообще плотность невероятная, огромная, по сравнению со средней плотностью, а есть набор больших пустот.

Вселенная такая комкастая. Спрашивается, откуда это все взялось? Значит, были в те самые первые времена зародыши. Где-то было вещества чуть больше, где-то чуть поменьше. Потом потихонечку в результате эволюции там, где было побольше, образовались галактики. Оттуда, где поменьше, вещество растащилось гравитационными силами, и получились пустоты.

Мы сегодня довольно хорошо представляем, как были устроены эти первичные возмущения. Их свойства однозначно говорят нам, что они появились еще до этой горячей стадии, еще до того, как во Вселенной появился "суп" из элементарных частиц. А до этого Вселенная была совсем другой. И вот здесь находится сейчас передний край, потому что об этой самой-самой ранней стадии, предшествующей горячей стадии, мы можем узнать, изучая в деталях, как устроены первичные возмущения.

Одна из популярных гипотез - это инфляционная теория. Инфляция — это ситуация, когда Вселенная безумно быстро расширялась. Так стремительно, что в обычных терминах даже сказать нельзя. Она за микроскопические доли секунды разрослась от размеров меньше атомного ядра до размеров больше, чем видимый размер современной Вселенной.

Гипотеза инфляции первый раз появилась в работе Алексея Александровича Старобинского, замечательного космолога, академика Российской академии наук. Потом появились разные версии, большой вклад внесли Андрей Дмитриевич Линде, Алан Гут, Стайнхард. Я тоже немножко принимал участие в этой деятельности.

— Есть частицы, которые могут находиться одновременно в разных частях Вселенной. И только в момент, когда наблюдатель посмотрел, их положение в пространстве зафиксировано. Как так?

— Правильно, и это ничему не противоречит. Раньше это было непонятно, противоречило человеческому опыту. Вы вроде бы не можете сидеть за рабочим столом и одновременно обедать в ресторане. Но это вовсе не означает, что природа на более фундаментальном уровне устроена именно так.

Действительно, частица может находиться одновременно в одном и в другом месте. Такова квантовая физика. Это уже активно используется при разработке квантовых компьютеров, на этом квантовый компьютер отчасти сидит. Это вполне объективная вещь, так устроена природа. И теперь благодаря тому же компьютеру и интернету это вполне понятно и на повседневном уровне.

— Можно ли согласиться с теми физиками, которые говорят, что наступит некий предел расширения, дилатация, и Вселенная схлопнется?

— Это еще один интересный непонятный вопрос. И, наверное, долго будет оставаться неясным, что будет со Вселенной, скажем, через 40 миллиардов лет. Сейчас возраст Вселенной — 14 миллиардов лет. Значит, в ближайшие 10-15 миллиардов лет можно жить спокойно, никаких катаклизмов не произойдет. Вселенная растянется раза в 2-2,5 за это время.

Но никакой катастрофы в этом нет. А что дальше будет происходить со Вселенной — это вопрос. Сейчас сильно поменялся гипотетический ответ на этот вопрос в связи с тем, что в 1998-1999 годах был открыт факт ускоренного расширения Вселенной. Это удивительная история, потому что, вообще-то, гравитационные силы стремятся подзадержать расширение. Поэтому раньше думали, что происходит замедление расширения Вселенной.

Выяснилось, что ничего подобного. Кстати сказать, это открытие было отмечено Нобелевской премией. Вселенная расширяется ускоренно, темпы увеличиваются. И не очень понятно, что это все значит, откуда это и что за этим стоит. Фактически речь идет об антигравитации, потому что ускоренное расширение — это именно антигравитация. Ее называют темной энергией, хотя термин крайне неудачный, тем не менее он прижился.

Будущее нашей Вселенной определится ее свойствами. Вселенная будет расширяться все быстрее и быстрее, и не исключено, что ее вообще разорвет через 40 миллиардов лет. Может быть, Вселенная остановится в своем расширении и начнется сжатие, разогрев, и мы опять попадем в предельно сжатую точку невероятно горячей плазмы.

А если это постоянное состояние, то Вселенная будет расширяться вечно. Сегодня мы не настолько хорошо знаем свойства этой самой темной энергии, чтобы сказать, что нас ждет. Но можно быть спокойным, потому что у нас еще 20 миллиардов лет точно есть. Я надеюсь, что если человечество, дай Бог, доживет до этого, то оно придумает, как выйти из этого положения.

Беседовал Александр Артамонов

К публикации подготовил Юрий Кондратьев