При изучении строения и структуры материалов используются современные электронные микроскопы. Их разрешение довольно высоко, чтобы увидеть уже сами атомы, из которых построен материал. Да вот незадача!
Если вы изучите десяток снимков атомной структуры, то везде вы увидите нечто типа шариков, соединенных друг с другом. Именно так выглядят атомы в структуры любого тела. Очень удобно тут представлять игрушку неокуб, которая одно время продавалась буквально везде.
Тут важно добавить, что изображение - это результат компьютерной обработки реальной картинки. На деле электронный микроскоп даст примерно такое изображение. Смотрим на каждый шарик. Это важно для дальнейшего восприятия.
В чём противоречие?
Казалось бы...Ну и что? Значит именно так выглядят атомы под электронным микроскопом. Но мы люди грамотные и помним планетарную модель атома по Резерфорду. Что это такое знают даже двоечники.
Любой атом имеет планетарную модель. Она подразумевает аналогию между строением атома и нашей солнечной системы. Вокруг солнца вращаются планеты. Подобно этому и атом состоит из ядра, которое включает протоны и нейтроны, а также электронов, вращающихся вокруг этого ядра. Ядро выступает в роли солнца, а электроны в роли планет.
Пусть современные представления и подразумевают, что расположение электронов имеет вероятностную природу, что на практике будет уже немного иначе выглядеть, но ситуация тут сильно не изменится. Планетарную модель атома не отменяли и она, в общем-то, подтверждена. Расположение каждого конкретного электрона не умаляет тот факт, что большая их часть прыгает около ядра, подобно планетам. И тут возникает главный вопрос...Почему под микроскопом мы видим всё-таки шарики :)?
Ну хитрый читатель найдет ответ на этот вопрос и скажет, что мол да - планетарная модель атома есть, а сфера на фотографии получается благодаря тому, что электроны вращаются по сферической орбите вокруг ядра. Их-то мы и видим под электронным микроскопом.
Ответим по-модному...Как тебе такое, Илон Маск? У электрона нет никакой стабильной орбиты. Даже с учетом того, что это планетарная модель, а большая часть электронов прыгает рядом с ядром. Траектории их движения будут только условно напоминать окружности. На практике при детальном рассмотрении мы увидим скорее кляксу и клубок шерсти, нежели сферу.
Есть и ещё важный момент
Кроме того, человек, который помнит курс химии, вспомнит, что помимо так называемой сферической S-орбитали, где электроны действительно перемещаются по круговой траектории, есть и другие её типы.
Где тогда гантели на фотографиях атома? Ведь даже если допустить, что атомы кремния из примера имеют форму S-орбитали, то другие фотографии атомов так или иначе смогут демонстрировать нам форму гантели.
Я уверен, что тут сторонники простого объяснения потирали руки и хотели сказать - ну атом круглый, потому что его так удобно изображать и так рисуют для простоты. На самом же деле, нужно помнить всё, что мы обозначали выше и что никакой он не круглый в реальности. Но тут мы покажем им фотографию атомов, полученную на электронном микроскопе, и они увидят, что атом и правда круглый :)
Посмотрите, вот этот ролик, где ученые из IBM туннельным микроскопом двигают молекулы из двух атомов и рисуют картинки.
Вся теория неоднозначности формы с треском проваливается. Но, не спешите исключать понятие схематичности из объяснения.
Разгадка загадки
В общем-то, нужно понимать, что любое изображение, которое мы имеем - это схема в той или иной форме. Речь даже про фотографию атомов, где они имеют сферическую форму. Тем более так можно сказать об изображении орбиталей, которые отражают наиболее вероятное положение электрона в атоме.
Истинную форму атома пока, увы, определить невозможно.
Изображение атома в виде сферы получается в результате взаимодействия электронного пучка от микроскопа с электронами, вращающимися вокруг атома. Процесс довольно сложный. Преимущественно, мы видим S-орбиталь. Она сферическая. И на всякий случай напомню, что распределение электронов происходит поэтапно, а значит, сначала заполняется именно s-орбиталь и будет она в каждом атоме.
Наиболее интенсивно пучок взаимодействует там, где больше объектов, с которыми можно взаимодействовать. Поэтому, и вырисовывается именно сферическая форма.
Единичные рефлексы, которые приходятся на клубок шерсти, на изображение не попадают. Методика их попросту неспособна выявить. Вот и видим мы мячики.
Сам процесс взаимодействия электронного облака и бомбардирующих его электронов очень сложный. Это не просто пинг-понг. Один шарик ударил другой и отскочил обратно. Тут взаимодействия как в оптической физике. Электроны при встрече с облаком могут преломляться, поглощаться, отражаться и присутствует весь перечень стандартных процессов.
Кроме того, сложность взаимодействий описать попросту пока невозможно. Тут вспоминаются заключения, что электрон - это только волна. Тогда, чем сложнее орбиталь или траектория движения, тем сложнее окажется и волновая функция. Но мы также знаем, что любую сложную волну можно представить в виде группы простых волн. Вероятно, специфика взаимодействия электронного облака с пучком от электронного микроскопа в результате фиксируется прибором именно как только лишь сфера. Ну а причина - сложная волновая природа взаимодействия. Сказанное выше - скорее результат личного рассуждения, нежели реальный научный факт.
Так или иначе, даже зафиксированное изображение - это модель. Вы спросите: А почему вы решили, что атом не сферический, да ещё и внутри него что-то есть? Ответ короткий - помимо электронной микроскопии есть и другие способы исследований :)
Пожалуйста, подпишитесь на проект, оцените статью лайком и напишите комментарий! Сейчас это очень важно для выживания проекта!
Статьи по теме на моем канале:
Ещё кое-что полезное:
- Путеводитель по научно-популярным каналам ДЗЕНа: смотрите здесь
