Этот безумный квантовый мир. Часть 3: Квантовое число

Мы решили попросить некоторых увлеченных студентов и молодых исследователей поделиться с нами, что они изучают. Первую серию лекций для нас прочитал магистр кафедры теоретической физики ЯрГУ им. П.Г. Демидова Михаил Каликин. Он рассказал нам о малопонятном даже для самих физиков мире квантов. В последней своей мини-лекции он рассказал о том, что такое квантовое число, что представляют собой электронные облака и чем электроны похожи на призраки.


Другие лекции серии:

Этот безумный квантовый мир. Часть 1

Этот безумный квантовый мир. Часть 2: Спин

Этот безумный квантовый мир. Часть 4: Квантовые компьютеры


 

«Социальный статус» частицы

В предыдущих лекциях мы рассматривали особенности квантовых объектов и их поведение в загадочном микромире, скрытом от наших глаз. Теперь же обратим взгляд на то, как эти квантовые объекты взаимодействуют между собой. Проводником в этом станет знакомый уже нам электрон. Отдельный электрон, движущийся в пустоте, обладает скоростью, спином и рядом неизменных величин вроде массы и электрического заряда. Если мы знаем всё это, то можем говорить, что мы “знаем“ этот электрон. И можем предсказать, как он будет себя вести и на что способен. Но многое меняется, как только он начинает взаимодействовать с другими квантовыми объектами.

[myline]Так же как и у людей, которые в обществе приобретают новые статусы (например, гражданин, работник, родитель и проч.), электрон в системе других квантовых объектов будет приобретать новые свойства, без определения которых мы не будем в состоянии предсказать его поведение. Без знания этих свойств мы не сможем сказать, что “знаем” этот электрон. Такие свойства получили название квантовых чисел.[/myline]

Если у частиц одинаковый набор квантовых чисел, то можно утверждать, что эти частицы тождественны. Когда у нас в системе есть две частицы с одинаковым набором квантовых чисел, мы спокойно можем одну заменить другой, и по сути дела ничего не изменится. То есть, если индивидуальность у людей проявляется так, что одинаковых людей нет в принципе, и всегда найдётся некое различие, то в квантовом мире, если у тебя есть определённый набор чисел, то ты нашёл абсолютно такую же частицу. Она не является той же самой, не является такой же, но в то же время и является. Она не будет той же самой частицей с точки зрения обыденной логики, в которой, если что-то похожее стоит рядом, то это не то же самое, что и объект, на который оно похоже. А в безумном квантовом мире мы не можем отличить такие частицы друг от друга и сказать, какая из них какая. Они настолько тождественны, настолько неотличимы, что замена одной на другую ничего на самом деле не меняет.

Этот безумный квантовый мир. Часть 3: Квантовое число
Solarseven / bigstock.com

«Ближе к телу»

Об одном квантовом числе, спине, я уже рассказывал. Поскольку спином электрон обладает сам по себе, независимо от того, что его окружает, то такое число можно назвать «собственным». Помимо спина, есть ещё несколько типов квантовых чисел, которые зависят от систем, в которых мы рассматриваем частицы. Частица в каждой из систем, вращаясь вокруг ядра, например, будет характеризоваться своим набором квантовых чисел.

Почему вообще тот же электрон “хочет” оказаться частью атома, а не лететь куда летел?  Он поступает так, поскольку всё во вселенной стремится обладать минимальной возможной энергией. И все процессы происходят с минимальными её затратами. Это в шутку называют «законом космической лени».  Так вот, атомное ядро тянет электрон к себе, и, поскольку сопротивление этому притяжению требует энергии, электрон придвигается ближе и встаёт на некоторую орбиту. Так же ведут себя и планеты Солнечной системы.

Но в отличие от планет, электроны являются квантовыми объектами. А такие объекты, как я уже отмечал, зачастую ведут себя «как хотят». Электрон, попав на некоторую орбиту может однажды «увидеть», что есть орбиты поближе, где он будет обладать ещё меньшей энергией. И он перескочит туда. Вот так вот возьмёт и перескочит. Был тут — и враз окажется в месте повыгоднее. Отдаст лишнюю энергию в виде фотонов и встанет на более приятное место. Самая выгодная орбита носит название s-орбитали — самой близкой к ядру орбитали, с которой все знакомы ещё из курса химии. На эту орбиталь электрон и постарается в итоге «упасть».

Там бы и оказались все электроны в атоме на одной приятной орбите, если бы не всё то же «но» — электроны являются квантовыми объектами. Это не шарики, которые можно расположить в ряд на этой «хорошей» орбите. Квантовые объекты взаимодействуют как частицы друг с другом, но при этом они не имеют чётких границ и направления движения. Пока мы не ставим их в условия, где они могут проявить себя как частицы, они как бы расплываются в пространстве. Если взять один электрон и посадить его на s-орбиталь атома, то он не будет вращаться шариком, как это обычно рисуют. Электрон станет подобен облаку, которое будет расплываться по всей этой орбитали сразу.

Ele

Призрак электрона бродит по орбите

В некотором смысле, можно сравнить электрон с призраком, который является объектом другого мира. Он —  некая сущность, которая может проявляться в нашем мире разными способами. Может не проявляться и быть просто сразу повсюду, а потом материализоваться и стать видимыми в виде силуэта или облачка. Призрак способен двигать материальные предметы, не будучи материальным. Как и привидение, электрон, является некоторой цельной сущностью, которая может проявлять себя совершенно по-разному в привычном для нас мире.

И вот пока мы его не трогаем, электрон в виде облака находится на орбите ядра и там с вероятностью 30% находится вот в этой области, с вероятностью 20% — в другой. Он представляет собой облако не в том смысле, как облако газа. Газ состоит из маленьких частиц и присутствует везде в объёме. Электрон же представляет собой именно облако вероятностей поймать его в конкретном месте. Он расплывается всюду по этой орбите и не имеет какого-то определённого места. Более того, найти этот электрон можно и за пределами условной орбиты. Есть вероятность нахождения его и внутри атомного ядра. Эта вероятность значительна меньше, чем обнаружить электрон на орбитали, но, тем не менее, она не нулевая. Электронное облако «краешком» заплывает и вглубь ядра.

Orbital

Распределение электронов по орбиталям

Итак, электрон на орбитали становится облаком. И поэтому много электронов на одну орбиталь не отправить. На ней уместятся только разные электроны, разные сущности, которые останутся собой, не смешиваясь с соседом.  Электроны являются фермионами (о чём я говорил в прошлом рассказе) и не желают быть одинаковыми в пределах одной системы, в одном месте. Одинаковыми же будут частицы с одними и теми же квантовыми числами.  Одно квантовое число у электронов собственное — это спин. И у него есть только два значения. Поэтому и электронов на самой выгодной в энергетическом плане орбите может быть только два.

[myline]Как же быть остальным электронам? Как им оказаться поближе к ядру? Выход один — менять квантовые числа. Стать непохожими на своих собратьев. Первое отличное число —  спин. Его можно условно назвать вращением шарика электрона (хотя это и не является вращением). И это «вращение» может быть двух типов. Помимо этого, электроны для непохожести могут изменить и другое вращение — вращение вокруг ядра. Ему отвечает значение другого квантового числа — орбитального.[/myline]

Самая выгодная орбиталь имеет форму шара. Следующая по «приятности» для электронов будет p-орбиталь в форме гантели, имеющей своим центром атомное ядро. В дальнейшем будет заполняться d-орбиталь, которая будет отвечать ещё более сложному движению. И так далее по нарастающей. И каждому типу движения ставится в соответствие своё значение орбитального квантового числа. Меняя его вокруг, ядра могут собирать всё больше и больше электронов.

Но орбитали с более сложным движением менее выгодны энергетически. А электронам бы что попроще и повыгоднее. Все хотели бы оказаться на орбитали-шаре. А если не на ней, то хотя бы на второй орбитали — «гантели». И если две сферы одинакового радиуса вокруг одного центра не провести, то по-разному расположить одинаковые «гантели» возможно. Всего электроны могут располагаться на трёх типах разных p-орбиталей («гантелях»). Их тип будет определять ещё одно квантовое число, называемое магнитным.

Таким образом, если в атоме будет два электрона, они могут уместиться на s-орбитали, отличаясь друг от друга спином. Следующие электроны будут садиться на «гантели», которых три типа. И на каждой может уместиться по два электрона с разным спином. Это значит, что на «гантелях» способны усидеть ещё шесть электронов. Новые электроны будут пытаться расположиться на орбиталях более сложного типа. И каждый раз им потребуется получить уникальный набор квантовых чисел, чтобы поместиться в эту всё усложняющуюся систему.

Предыдущая статьяОзеро Амут
Следующая статьяКрасноярские столбы

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ

24 КОММЕНТАРИИ

  1. Hey there! I know this is kinda off topic but I’d figured
    I’d ask. Would you be interested in exchanging links or maybe guest authoring
    a blog article or info (http://tinyurl.com/) vice-versa?
    My site addresses a lot of the same topics as yours and I think we could greatly benefit from each other.
    If you are interested feel free to send me an e-mail. I look
    forward to hearing from you! Wonderful blog by the way!

  2. Hi there! I know this is somewhat off topic but I was wondering which blog platform are you using for this site?
    I’m getting tired of WordPress because I’ve had problems with hackers and I’m looking at alternatives for another platform.
    I would be awesome if you could point me in info — tinyurl.com, the direction of a good platform.

  3. continuously i used to read smaller posts which also
    clear their motive, and that is also happening with this piece
    of writing which I am reading at this place.

    Feel free to surf to my site … it info (http://tinyurl.com/yddawhfa)

  4. Normally I don’t read post on blogs, but I would
    like to say that this write-up very pressured me to check out and do so!
    Your writing style has been amazed me. Thank you, very
    nice post.

    My site cheap air tickets domestic

  5. Its like you learn my thoughts! You appear to know a lot about this, such as you wrote the e-book in it or something.
    I think that you simply can do with a few % to drive the message home a bit,
    but other than that, that is excellent blog. A fantastic read.
    I’ll certainly be back.

    Also visit my web page … cheapest international airline tickets possible

  6. Hello! I know this is sort of off-topic however I needed to ask.

    Does building a well-established blog such as yours require
    a massive amount work? I’m brand new to blogging however I
    do write in my diary everyday. I’d like to start a blog so I can easily share my
    personal experience and views online. Please let me know if you
    have any suggestions or tips for brand new aspiring bloggers.
    Appreciate it!

    my page: cheap one way airline tickets

  7. When I originally commented I clicked the «Notify me when new comments are added» checkbox and now
    each time a comment is added I get four e-mails with the same comment.
    Is there any way you can remove people from that service?
    Cheers!

    Visit my blog post — airline tickets best price

  8. Valuable info. Fortunate me I discovered your site by chance, and I am surprised why this twist of
    fate did not came about earlier! I bookmarked it.

    Take a look at my web-site … cheap plane tickets

  9. Good day! I know this is kinda off topic however , I’d figured I’d ask.

    Would you be interested in exchanging links or maybe
    guest authoring a blog post or vice-versa? My site covers
    a lot of the same subjects as yours and I feel we could greatly benefit from each other.
    If you’re interested feel free to shoot me an e-mail. I look forward to hearing from you!
    Fantastic blog by the way!

    Look at my site; cheap fly

  10. My brother recommended I may like this blog.
    He used to be totally right. This post actually made my
    day. You cann’t believe simply how a lot time I had spent
    for this info! Thank you!

    my webpage gamefly

  11. Pretty nice post. I simply stumbled upon your weblog and wished to say that I have truly loved
    surfing around your weblog posts. After all I’ll be subscribing in your feed and
    I am hoping you write again very soon!

    Feel free to surf to my blog post :: gamefly

  12. Generally I don’t learn article on blogs, but I would like to say that this write-up very compelled me to try and do so!
    Your writing taste has been surprised me. Thank you, quite
    nice post.

    Also visit my site info the — bit.ly,

  13. Amazing! This blog looks exactly like my old one!
    It’s on a entirely different subject but it has pretty much the same page layout
    and design. Wonderful choice of colors!

    Feel free to surf to my page for info (http://tinyurl.com/yxdlv6cb)

  14. I get pleasure from, lead to I found exactly what
    I used to be having a look for. You have ended my 4 day long hunt!
    God Bless you man. Have a nice day. Bye

    Also visit my page — info but (tinyurl.com)

  15. I was suggested this web site by my cousin. I am not sure whether this
    post is written by him as nobody else know such detailed about my
    problem. You are amazing! Thanks!

    Look into my page … of info (tinyurl.com)

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

Новые статьи