Книга Вселенная. Курс выживания среди черных дыр, временных парадоксов, квантовой неопределенности - Джефф Бломквист

В результате пара атомов водорода в состоянии покоя окажется вместе. У этой пары связанных атомов водорода есть свое название: это молекула водорода.

Прикрепление двух атомов друг к другу посредством обмена электронами носит название ковалентной связи.

Вернемся к верхней волновой функции на рис. 8.3: примерно так выглядит ковалентная связь в молекуле водорода. Помните, что высота волны соответствует вероятности нахождения электрона в конкретной точке[39]. Над каждой ямой, то есть вокруг каждого протона, наблюдается пик, и это сообщает нам, что каждый электрон все еще более вероятно найти вблизи одного или другого протона. Но при этом существует и значительная вероятность того, что электроны будут располагаться и между протонами.

Химики говорят, что при ковалентной связи атомы «делят друг с другом» электроны, и это мы здесь и наблюдаем – даже в нашей модели с двумя ямами. Помимо молекулы водорода, тенденцию атомов делиться электронами мы видели, говоря о химических реакциях.

Этот вывод нас полностью удовлетворяет. Мы выяснили, что для атомов водорода, расположенных очень далеко друг от друга, тонкие различия между двумя самыми низкими энергетическими состояниями имеют лишь академический интерес, хотя они и навели нас на мысль о том, что каждый электрон во Вселенной знает обо всех остальных ее электронах. И эта мысль просто завораживает. С другой стороны, два состояния начинают все дальше расходиться, когда протоны сходятся, и более низкое состояние начинает со временем описывать уже молекулу водорода. Теперь в дело включается не просто академический интерес, потому что ковалентная связь – причина того, что вы не просто множество атомов, размазанных в бесформенную кучу.

Продолжим эту интеллектуальную линию и подумаем, что происходит, когда вместе собирается более двух атомов. Три больше двух, так что начнем с рассмотрения трехъямного потенциала, показанного на рис. 8.5. Как обычно, нужно представить, что каждое углубление – это атом. Здесь должно быть три самых низких энергетических состояния, но при взгляде на рисунок легко решить, что на каждое состояние одиночного колодца приходится по четыре. Те четыре состояния, которые мы имеем в виду, показаны на рисунке и соотносятся с волновыми функциями, которые либо симметричны, либо антисимметричны по отношению к центру двух потенциальных барьеров[40]. Этот подсчет не может быть верным, потому что иначе получилось бы, что в этих четырех состояниях могли бы находиться четыре одинаковых фермиона, нарушая тем самым принцип Паули. Чтобы принцип Паули соблюдался, энергетических состояний должно быть только три – и их, разумеется, именно столько.

Рис. 8.5. Тройная яма, моделирующая ряд из трех атомов, и возможные волновые функции с самой низкой энергией. Внизу показано, как из трех остальных волн можно получить нижнюю

Чтобы убедиться в этом, нужно отметить, что мы всегда можем записать одну из четырех волновых функций на этом рисунке как сочетание трех других. В нижней части рисунка показано, как это работает в данном случае; мы продемонстрировали, как получить последнюю волновую функцию путем сложения и вычитания трех остальных.

Определив три самых низких энергетических состояния для частицы, находящейся в трехъямном потенциале, можем задаться вопросом, как в данном случае будет выглядеть рис. 8.4, и не удивляться, что выглядеть его аналог будет очень похоже – только пара разрешенных энергетических состояний превратится в трио.

Но хватит о трех атомах – мы сразу же переносим внимание на цепочку из множества атомов. Это особенно интересно, потому что именно здесь содержатся ключевые идеи, которые позволят многое понять о происходящем внутри твердых тел. Если существует N ям (при моделировании цепи из N атомов), то для каждой разрешенной энергии в одиночной яме будет N энергий. Если N будет равняться чему-то вроде 1023, что типично для количества атомов в небольшом куске твердого материала, то происходит огромное количество слияний. В результате рис. 8.4 будет в этом случае выглядеть примерно как рис. 8.6. Вертикальная пунктирная линия показывает, что у атомов, отделенных соответствующим расстоянием, электроны могут иметь лишь определенные разрешенные энергии. Это никак не может вызвать удивления (а если все еще удивляет, лучше начать читать эту книгу заново), но интересно, что разрешенные энергии идут «полосами». Например, разрешены энергии от А до В, но затем не разрешено ничего вплоть до С, после чего разрешены энергии от С до D и т. д. То, что в цепь объединено много атомов, значит, что в каждой полосе существует очень много разрешенных энергий. Собственно, их так много, что можно предположить: в типичном твердом теле разрешенные энергии образуют континуум в каждой полосе. Эта черта нашей модели сохраняется и в реальном твердом теле: электроны действительно обладают энергиями, сгруппированными в подобные полосы, и это обусловливает важные особенности твердых тел. В частности, эти полосы объясняют, почему некоторые материалы (металлы) проводят электричество, а другие (изоляторы) не проводят.

Рис. 8.6. Энергетические полосы в твердом теле и их варьирование на расстоянии между атомами

Почему так? Начнем с анализа цепи атомов (как обычно, моделируемой как цепь потенциальных ям), но предположим на сей раз, что в каждом атоме несколько электронов. Разумеется, это нормальное явление – только у водорода всего один электрон связан с одним протоном, так что мы переходим от обсуждения цепочки атомов водорода к более интересному случаю цепочки атомов потяжелее. Нужно вспомнить также о том, что существует два типа электронов – со спином вверх и со спином вниз, а принцип Паули гласит, что мы можем поместить на каждый разрешенный энергетический уровень не более двух электронов. Отсюда следует, что для цепи атомов, каждый из которых содержит всего один электрон (то есть это атомы водорода), энергетическая полоса n = 1 заполнена наполовину. Это показано на рис. 8.7, где мы изобразили энергетические уровни для цепи из пяти атомов. Это значит, что каждая полоса содержит пять отчетливо выделяемых разрешенных энергий. Эти пять энергетических состояний могут принять максимум десять электронов, но нам стоит беспокоиться лишь о пяти, так как в конфигурации с самой низкой энергией цепь атомов содержит пять электронов, занимающих нижнюю половину энергетической полосы n = 1. Если бы у нас в цепи было 100 атомов, то полоса n = 1 могла бы содержать 200 электронов, но в случае с водородом будет только 100 электронов, так что полоса n = 1 в конфигурации с самой низкой энергией вновь заполнится наполовину. Рис. 8.7 показывает также, что происходит в том случае, когда на атом приходится два электрона (гелий) или три (литий). В случае с гелием конфигурация с самой низкой энергией соответствует заполненной полосе n = 1, а в случае с литием – заполненной полосе n = 1 и наполовину заполненной полосе n = 2. Должно быть понятно, что такая схема полного и половинного заполнения будет продолжаться, так что атомы с четным числом электронов всегда будут иметь заполненные полосы, а атомы с нечетным – наполовину заполненные полосы. Степень заполнения полосы, как мы очень скоро выясним, и служит причиной того, почему некоторые материалы оказываются проводниками, а другие – изоляторами.