Концепцията за атомната празнота е една от най-често повтаряните грешки в популярната наука. Всъщност молекулите са пълни с разни неща, обяснява Марио Барбати (Mario Barbatti), теоретичен химик и физик, изследващ взаимодействията на светлината и молекулите. Той е професор по химия в Университета Екс-Марсилия във Франция и старши член на Institut Universitaire de France.

Камерата приближава към ръката на човека, за да разкрие клетките, след това клетъчно ядро. ДНК верига расте на екрана. Камерата се фокусира върху единичен атом в нишката, гмурка се в главозамайващ облак от частици стрелкащи се като ракети, пресича го и ни оставя в потискащ мрак. Първоначално незабележима малка точка расте плавно, разкривайки атомното ядро. Разказвачът чете, че ядрото на атома е десетки хиляди пъти по-малко от самия атом и поетично заключава, че сме направени от нищо, че сме празни.

Колко често сте виждали подобна сцена или сте чели нещо еквивалентно на нея в популярната наука?

"Разказът обаче е погрешен. Атомните ядра в молекулата не са малки точки и в атома няма празни пространства", заявява Барбати.

Картината с празен атом вероятно е най-често повтаряната грешка в популярната наука. Не е ясно кой е създател на този мит, но е сигурно, че Карл Сейгън, в неговия класически телевизионен сериал "Космос" (1980), е бил от решаващо значение за популяризирането му. След като се запива колко малки са ядрата в сравнение с атома, Сейгън заключава, че

"[По-]голямата част от масата на атома е в неговото ядро; електроните за сравнение са просто облаци от движещ се пух. Атомите са предимно празно пространство. Материята е съставена предимно от нищо."

Тези думи впечатляват обикновения зрител, но според Барбати, който е професионален теоретичен химик изявленията на Сейгън не разпознават някои фундаментални характеристики на атомите и молекулите.

Твърдението на Сейгън е изключително популярно. С помощта на Google ще намерите десетки есета, публикации в блогове и видеоклипове в YouTube, в които се заключава, че атомите са 99,9 % празно пространство. За да бъдем честни, ще намерите и разумен дял от статии, развенчаващи идеята.

Погрешните схващания, подхранващи идеята за празния атом, могат да бъдат премахнати чрез внимателно тълкуване на квантовата теория, която описва физиката на молекулите, атомите и субатомните частици. Според квантовата теория градивните елементи на материята – като електрони, ядра и молекулите, които образуват – могат да бъдат представени или като вълни, или като частици.

Без човешка намеса те действат като делокализирани вълни във формата на непрекъснати облаци. От друга страна, когато се опитваме да наблюдаваме тези системи, те изглеждат като локализирани частици, нещо като куршуми в класическата сфера. Но приемането на квантовите прогнози, че ядрата и електроните изпълват пространството като непрекъснати облаци, има дръзка концептуална цена: това предполага, че тези частици не вибрират, не се въртят или обикалят.

Повечето проблеми около описанието на субмолекулния свят идват от разочароващите опити да се съгласуват противоречиви картини на вълни и частици, оставяйки ни с противоречиви химери като подобни на частици ядра, заобиколени от подобни на вълни електрони. Това изображение не отразява прогнозите на квантовата теория. За да компенсира, концептуалната реконструкция на материята на субмолекулно ниво трябва последователно да описва как се държат ядрата и електроните, когато не се наблюдават – като пословичния звук на падащо дърво в гората без никой наоколо.

Ето пример за това как да си представим основните компоненти на материята: молекулата е стабилна колекция от ядра и електрони. Ако колекцията съдържа едно ядро, то се нарича атом. Електроните са елементарни частици без вътрешна структура и отрицателен електрически заряд. От друга страна, всяко ядро е комбинирана система, съставена от няколко протона и приблизително равен брой неутрони. Всеки протон и неутрон е 1836 пъти по-масивен от електрон. Протонът има положителен заряд със същата величина като отрицателния заряд на електрона, докато неутроните, както подсказва името им, нямат електрически заряд. Обикновено, но не непременно, общият брой на протоните в една молекула е равен на броя на електроните, което прави молекулите електрически неутрални.

Вътрешността на протоните и неутроните вероятно е най-сложното място във Вселената.

Барбати си го представя като гореща супа от три постоянни елементарни частици, наречени кварки, които кипят вътре, с безброй много виртуални кварки, които се появяват и изчезват почти веднага. Други елементарни частици, наречени глуони, държат супата в съд с радиус от 0.9 фемтометра (Фемтометър, съкратено fm, е удобен мащаб за измерване на системи, десетки хиляди пъти по-малки от атом.Трябва да съберем 1 трилион фемтометри, за да направим един милиметър.)

ВМЕСТО ЛОКАЛИЗИРАНИ КУРШУМИ В ПРАЗНОТО ПРОСТРАНСТВО, МАТЕРИЯТА СЕ ДЕЛОКАЛИЗИРА В НЕПРЕКЪСНАТИ КВАНТОВИ ОБЛАЦИ

Частици с еднакъв знак за електрически заряд се отблъскват. Така че са необходими допълнителни взаимодействия, за да се задържат протоните плътно опаковани в ядрото. Тези взаимодействия възникват от двойки кварк и антикварк, наречени пиони, които постоянно се изливат от всеки протон и неутрон, за да бъдат абсорбирани от друга такава частица наблизо. Енергията, обменена при този трансфер, е достатъчно голяма, за да компенсира електрическото отблъскване между протоните и по този начин да свърже заедно протоните и неутроните, съхранявайки огромната енергия, която може да бъде освободена в процесите на ядрено делене.

Изключително краткият живот на пионите обаче ограничава колко далеч могат да бъдат протоните и неутроните един от друг, ограничавайки размера на ядрото до радиус от 1 до 10 fm. По този начин, от гледна точка на частиците, ядрото е малко в сравнение с атома. Азотното ядро, съставено от седем протона и седем неутрона, има радиус от около 3 fm. За разлика от тях, атомният радиус на азота е 179 000 fm. В мащаба на атомите и молекулите ядрата не са нищо повече от тежки, точкови положителни заряди без видима вътрешна структура. Такива са и електроните: те са просто леки, точкови отрицателни заряди.

Ако атомите и молекулите останат съвкупност от точкови частици, те биха били предимно празно пространство. Но в техния мащаб те трябва да бъдат описани от квантовата теория. И тази теория предвижда, че вълновата картина преобладава, докато измерването не я наруши. Вместо локализирани куршуми в празното пространство, материята се делокализира в непрекъснати квантови облаци.

На фундаментално ниво материята е квантова

Молекулите не могат да бъдат сглобени според правилата на класическата физика. Класическите електрически взаимодействия между ядра и електрони са недостатъчни за изграждане на стабилна молекула. Поради електрическото привличане на заряди с противоположни знаци, отрицателно заредените електрони бързо биха се залепи ли към положително заредените ядра. Получените комбинирани частици без нетен заряд ще се разлетят, предотвратявайки образуването на каквато и да е молекула.

Две квантови свойства помагат да се избегне тази мрачна съдба.

Първото свойство произтича от принципа на несигурността на Хайзенберг, който твърди, че една квантова частица не може едновременно да бъде в точна позиция и в същото време да има нулева скорост. Това означава, че един електрон не може да се залепи за ядрото, тъй като и двете частици биха били на точно определено място и в покой една спрямо друга – в противоречие с основното правило на квантовия свят.

Второто квантово свойство е принципът на изключване на Паули. Основните компоненти на материята се разделят на два вида бозони и фермиони. Глуоните вътре в протона са примери за бозони. Можем да имаме колкото си искаме от тях, и те да споделят една и съща позиция едновременно. От друга страна, фермионите – като електрони, кварки, протони и неутрони – се подчиняват на много по-рестриктивно правило, наречено принцип на изключване на Паули: няма два идентични фермиона, които да заемат едновременно едно и също пространство и да имат един и същ спин (квантово свойство, аналогично на класическо въртене на частица около нейната ос).

Когато температурата спадне близо до абсолютната нула, газът от бозони се свива. В енергийния кладенец всички бозони могат да заемат едно и също ниско ниво на енергия, образувайки Бозе-Айнщайнов кондензат. Фермионите не могат да достигнат това състояние, тъй като две частици с еднакви квантови числа не могат да заемат едно и също ниво на енергията.
	Вероятно сте срещали и подобни на схемата вдясно илюстрации на принципа на Паули и сте си задавали въпроса: Защо електроните са по двойки? Защото електроните могат да имат две спинови състояния и затова на едно енергийно ниво може да има по два електрона - един с паралелен и един с антипаралелен спин.

В КВАНТОВИЯ СВЯТ ВЪЛНОВАТА ФУНКЦИЯ ПРЕДСТАВЛЯВА НЕЩО ПОВЕЧЕ ОТ ОБИКНОВЕНА ЛИПСА НА ЗНАНИЯ

С всички тези ефекти, кодирани в уравнението на Шрьодингер, главното уравнение на квантовата теория, то предсказва, че нашите точкови ядра и електрони трябва всъщност да се държат като вълни. Те се делокализират в квантови облаци, много по-големи от техния размер на частица-картина, за да задоволят принципа на неопределеността на Хайзенберг, като електроните са оформени в различни облаци, за да задоволят принципа на изключване на Паули. Колкото по-леки са частиците, толкова по-голяма е делокализацията. По този начин единичен електронен облак може да се разпространи върху множество ядра, образувайки химическа връзка и стабилизирайки молекулата.

Да вземем например една молекула амоняк, NH₃, илюстрирана по-долу. Малкото синьо петно в средата е облакът на азотното ядро, докато трите зелени петна са облаците на протоните (водородни ядра). 10-те електрона на молекулата на амоняка се делокализират в масивния жълт облак, обвързвайки групата заедно.

Фигура 1: Електронни и ядрени квантови облаци в молекула на амоняк. Жълтият облак представлява 10-те електрона в тази молекула. Малкият син облак е азотното ядро, докато трите зелени облака показват всяко водородно ядро. Електронните точки пред ядрата са направени прозрачни, за да не скриват ядрените облаци. Техническите подробности са обяснени в Toldo et al 2023. Кредит: Mario Barbatti

Като частица азотно ядро ​​има радиус 3 fm. Но в молекулата на амоняка азотното ядро ​​нараства до респектиращия радиус от 3000 fm заради делокализацията. Делокализацията на водородните ядра е още по-впечатляваща. Те нарастват от радиус от 0,9 fm, когато се разглеждат като частици, до облаци от около 23 000 fm. Но електроните са шампионите. Поради малката си маса те израстват от частици, много по-малки от ядро, в облак, който определя молекулния обем.

Ядрата и електроните обаче не са атомни гиганти. Ако азотното ядро ​​бъде измерено (например чрез хвърляне на бързи електрони срещу него и наблюдение на отскачането им), ядреният облак веднага ще се свие в първоначалната точка от 3 fm. Същото важи и за всеки електрон.

Наистина, квантовата теория предписва точна връзка между картината на вълната и частиците. Облаците на вълновата картина са математически описани от вълнова функция, по същество уравнение, което приписва интензитет на всяка точка в пространството и как тези интензитети се променят с времето. Вълновата функция е аналогична на математическите функции, описващи конвенционални звукови или водни вълни, но с тази особеност, че има компонент на имагинерно число, което е отрицателно, когато е на квадрат.

Квадратът на модула на вълновата функция (математическа операция, която винаги дава положителни числа) дава вероятността да намерим частицата във всяка точка в пространството, ако се опитаме да я наблюдаваме. Колкото по-плътен е облакът, толкова по-големи са шансовете за наблюдение на частицата там. По този начин, ако се опитаме да измерим точковото азотно ядро, ние сме сигурни, че то ще бъде някъде в областта на делокализирания облак азотно ядро, синьото петно ​​на фигурата.

Тълкуването на квантовия облак като вероятност обаче не означава, че той е просто мярка за липса на знания за системата. Ако оставя ключовете си в един от двата джоба на якето си, но не съм сигурен кой, може да напиша функция на вероятността с 50% стойност във всеки джоб и нулева стойност във всяка друга точка на моя офис. Тази функция очевидно не означава, че ключовете ми са делокализирани върху двата джоба. Това просто заявява моето невежество, което лесно може да се поправи, като се провери якето.

В квантовия свят вълновата функция представлява нещо повече от обикновена липса на знания. Делокализираните системи – като ядрени и електронни облаци – причиняват явления, които локализираните частици не могат да обяснят. Съществуването на химически връзки, образуващи молекули, е пряк пример за ефекта на електронната делокализация. В случай на ядрена делокализация, един от основните му ефекти е да увеличи вероятността за преминаване на водородно ядро ​​(единичен протон) от една молекула към друга наблизо. Този вид подобрен трансфер на протони има драматични биологични последици, като увеличаване на киселинността на специфични ензими в сравнение с това колко киселинни биха били те, ако водородните ядра се държат като частици.

*Въпреки че електронните облаци обикновено се изобразяват в популярната наука и химия, делокализацията на ядрото често се тълкува като вибрации и ротации. Но това са само класически, макар и полезни аналогии. От квантова гледна точка и за концептуална последователност, ядрата трябва да бъдат изобразени на същата основа като електроните, както и облаците.

Още едно погрешно схващане е, че атомите са празни, защото масата им е в ядрото им. Атомната маса наистина е силно локализирана. В една молекула амоняк 82% от масата е в синьото петно ​​на азотното ядро, показано на Фигура 1 по-горе. Ако добавим масите на трите зелени протонни облака, те съставляват 99,97% от общата маса. Така големият жълт облак от електрони носи само 0,03% от масата.

Връзката между тази концентрация на маса и идеята, че атомите са празни, произтича от погрешното виждане, че масата е свойство на материята, която запълва пространството. Тази концепция обаче не издържа на внимателно разглеждане, дори и в нашия човешки свят. Когато трупаме предмети един върху друг, това, което ги държи разделени, не е тяхната маса, а електрическото отблъскване между най-отдалечените електрони в техните докосващи се молекули. (Електроните не могат да се сринат под налягане поради несигурността на Хайзенберг и принципите на изключване на Паули.) Следователно електрическият заряд на електрона в крайна сметка изпълва пространството.

Всеки, който изучава химия, вероятно ще срещне схеми на електрони, обикалящи в обвивки

В атомите и молекулите електроните са навсякъде. Вижте как жълтият облак прониква в целия молекулен обем на фигура 1. Така, когато видим, че атомите и молекулите са пълни с електрони, единственото разумно заключение е, че те са пълни с материя.

Въпреки всичко това всеки, който изучава химия, вероятно ще срещне схеми на електрони, обикалящи в обвивки, като концентрични и разделени слоеве с празно пространство между тях. Идеята, че тези схеми представляват физическа реалност, е трето често срещано погрешно схващане. Електроните не обикалят буквално около атомното ядро ​​във формата на тези обвивки.

В атомите и молекулите електроните трябва да имат специфични енергии, като всяка енергия е свързана с определена форма на облак. Представете си например атом с един електрон. При най-ниската възможна енергия, нивото на основната енергия, този електрон се делокализира в сферичен облак, плътен в центъра на атома и постепенно избледняващ. Едноелектронните вълнови функции, описващи тези облаци, се наричат ​​орбитали.

При по-високи енергийни нива единичният електрон се делокализира в по-сложни облаци с вложени сфери, множество петна или дори форми на поничка. По този начин, когато говорим за атоми и молекули, електроните не са малки частици, хаотично летящи около ядрата, докато се превърнат в размит облак, както често се изобразява. И електроните не са в орбиталите, нито ги запълват. Електроните са орбиталите. Те са делокализирани облаци.

Водородни електронни орбитали. Водородът съставлява около 74% от нормалната материя във Вселената. Тази визуализация показва електронните облаци от водород чрез функцията за плътността на вероятностите, когато главното квантово число, N, е между 1 и 4. Плътността на вероятностите илюстрира къде е най-вероятно да бъде открит електронът, ако бъде измерен, червеното показва висока вероятност, синьото показва ниска вероятност. Кредит: Visualizing All Things Science (CC BY-NC 2.0)

В случая на множество електрони, които са terra incognita в популярната наука, нещата стават много по-сложни. Това едва ли е изненада, тъй като дори професионалните химици теоретични се чувстват неудобно да ги описват, въпреки изключителната им компетентност в прогнозирането на свойствата на многоелектронни системи.

Популярният език на химията е пълен с неудобни аналогии и описания. Химиците могат да кажат, че електронът заема или обитава орбитала, сякаш орбиталите са предварително съществуващи места, където се поставят електрони. Химиците често рисуват схеми, където орбиталите са представени като къси хоризонтални линии, а електроните като малки вертикални стрелки на тези линии, като предмети на рафтове. Всички тези вербални и визуални метафори не успяват да представят това, което квантовата теория ни казва за атомите и молекулите.

Когато се занимава с мулти-електронни системи (обхващащи почти всички молекули), квантовата теория вече не прави разлика между отделния електрон, всички те се описват от една вълнова функция, един облак. Независимо от това, единичните електронни орбитали все още са валидно приближение, което химиците постоянно използват, за да осмислят химичните реакции.

Мултиелектронната вълнова функция прилича на композиция от тези отделни облаци, припокриващи се в обема, определящ молекулата. Те се рекомбинират в нови форми, някои се издуват, а други се свиват, облаците се изкривяват, разтягат и усукват, докато се адаптират удобно, заемайки всяко налично пространство. Може да изглежда като разхвърляно чекмедже за чорапи.

ЗА ЧАСТ ОТ ПИКОСЕКУНДА БУРЯТА БУШУВА И ПРЕКРОЯВА МОЛЕКУЛЯРНИЯ ПЕЙЗАЖ, ДОКАТО СЕ ВЪЗСТАНОВИ ПОКОЙ

Молекулата е статичен обект без вътрешно движение. Квантовите облаци на всички ядра и електрони остават абсолютно неподвижни за една молекула с добре дефинирана енергия. Времето е без значение. Квантовата теория не предвижда вибриращи ядра или обикалящи и въртящи се електрони - тези динамични характеристики са класически аналози на присъщите квантови свойства. Ъгловият момент например, който в класическата физика определя количествено скоростта на въртене, се проявява като петна във вълновата функция. Колкото по-многобройни са петната, толкова по-голям е ъгловият момент, въпреки че нищо не се върти.

Времето обаче се намесва, когато една молекула се сблъска с друга, предизвиквайки химическа реакция. След това връхлита буря. Квантовата стабилност избухва, когато секциите на електронния облак се преливат от една молекула върху друга. Облаците се смесват, преоформят, сливат и разделят. Ядрените облаци се пренареждат, за да се настанят в рамките на новата електронна конфигурация, понякога дори мигриращи между молекулите. За част от пикосекундата (10-12 секунди или една милиардна от милисекундата) бурята бушува и променя молекулярния пейзаж, докато се възстанови тишината в новообразуваните съединения.

В гравюрата на Фламарион (Фигура 2 по-долу) човек на ръба на Земята се осмелява да погледне отвъд купола на небесния свод, за да разкрие чудната машинария от облаци, контролиращи небесата. Това може да се разглежда като аналогия на молекула. Тогава този необезпокояващ наблюдател ще открие, че ядрата и електроните са величествени, стабилни, структурирани, затворени облаци, движещи всеки аспект на материята, както я познаваме.

Фигура 2: Гравюра L'atmosphère: météorologie populaire. Кредит: Wikimedia Commons

Критиката към картината на празния атом няма за цел да опровергава предишните опити на хората да опишат атоми и молекули за масовата публика, казва Марио Барбати. Защото това начинание не е лесно. Нашият език, интуиция и дори основни процеси на разсъждение не са адаптирани да се изправят пред квантовата теория, този извънземен свят на странности, заобиколен от странни пейзажи, които в повечето случаи не можем да разберем, коментира авторът.

А има толкова много неща, които не разбираме. Тепърва трябва да се научим как да съвместяваме двойнственото подобно на вълната и подобно на частици поведение на материята. Ние дори не знаем дали вълновите функции имат обективна реалност. Нашите мозъци са безсилни, изправени пред многобройните потенциални интерпретации на квантовата теория.

"Можем да се съобразим с незадоволителнатао нагласа "Млъкни и изчислявай!", която придружава все по-странните прогнози на квантовата теория, която позволи изключителния технологичен напредък през последните 100 години, от лазери до микропроцесори. Ние обаче не искаме да правим само полезни прогнози. Нашата крайна цел е да разказваме истории за нашата Вселена. Така изчисляваме, но не млъкваме. Поколения учени и популяризатори на науката правят всичко възможно да преведат цялата тази странност в достъпни метафори на теоретичната същина, все още пълна с мистерии. Ние изграждаме нови мисловни образи на квантовия свят стъпка по стъпка, дори с риск да се спънем тук и там".

Разказът за квантовия молекулярен свят, представен от Марио Барбати, се основава на тази област на квантовата теория, за която има пълен консенсус сред специалистите.

Това е ядрото, физическата рамка, описваща фундаменталните частици, техните взаимодействия и Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн. Физиците са толкова уверени в стабилността на това ядро, че смятат, че то трябва да продължи във всички нови теории за материята, разработени в бъдеще.

Тази увереност и осъзнаването, че не сме направени от празно пространство, е все пак успокояваща мисъл.

We are not empty, Mario Barbatti, Аeon