оглавление 
 
 
 
 
 

1. Четыре типа сил  Вселенной и   «Стандартная модель» физики

    Во  Вселенной существуют четыре типа сил, определяющих характер взаимодействия между объектами. Две из них известны как гравитационная и электромагнитная. Сила вызывает изменения в той или иной системе. Гравитационные силы в пространстве держат, например, планеты на их орбитах и собирают вместе космическую пыль, в результате чего образуются звезды. Законы движения Ньютона определяют силу, приложенную к телу, как произведение массы этого тела на получаемое им ускорение. Электромагнитные силы, действующие внутри атомов и между ними, оказывают большее воздействие, чем гравитационные (взаимное тяготение). Электрические силы, действующие между противоположно заряженными протонами и электронами, удерживают атомы и молекулы от распада. Те же самые электрические силы обеспечивают связность твердых и жидких материалов. Еще два типа сил во Вселенной называются сильным и слабым взаимодействиями. Они действуют только внутри атомных ядер и не оказывают влияния на Вселенную в целом.

    В физике, в свою очередь, существует так называемая стандартная модель - это теоретические представления (набор уравнений) о существующих во Вселенной существующих  четырех типах фундаментальных сил взаимодействия между объектами. Два из этих четырех взаимодействий — сильное и слабое — проявляются лишь внутри атомных ядер. Третье является электромагнитным взаимодействием и четвертое — гравитационным.

    В совокупности эти  теоретические представления  позволяют прогнозировать результат любого известного фундаментального взаимодействия. Слабое взаимодействие управляет радиоактивным распадом. Сильное взаимодействие связывает вместе протоны и нейтроны (называемые также нуклонами) в ядрах атомов, а также связывает вместе элементарные частицы, называемые кварками, в нуклон. Электромагнитное взаимодействие участвует в генерации света и других видов электромагнитного излучения. Оно связывает также атомы в молекулы, образуя все известные нам вещества. Благодаря гравитационному взаимодействию удерживаются планеты около звезды, которые обращаются вместе с их спутниками вокруг звезд, а сами звезды движутся по своим орбитам в галактиках.

2. Сильное взаимодействие

    Сильное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны внутри атома. Каждый атом состоит из центрального положительно заряженного ядра, построенного из протонов и нейтронов и занимающего лишь малую долю объема атома, но содержащего большую часть его массы, и из окружающего его облака значительно более легких отрицательно заряженных электронов. Число электронов в атоме равно числу заряженных частиц ядра — протонов и определяет то, как данный атом будет связан в молекуле с другими атомами. Протоны представляют собой один из трех видов элементарных частиц, которые образуют атом. Электрически нейтральные частицы (нейтроны) ядра определяют его массу, но не влияют на число электронов и, следовательно, не оказывают почти никакого влияния на связь данного атома с другими.

    Химические  свойства атома определяются числом протонов в его ядре и соответствующим  числом электронов, обращающихся вокруг ядра. Почти вся масса атома  сосредоточена в ядре. Масса в отдельности протона и нейтрона примерно в 1800 раз больше, чем у электрона.

    Однако, когда физики проникли глубже во внутреннее устройство атома, они обнаружили, что  нейтрон и протон, в свою очередь, построены из кварков, причем на каждый из них приходится по три кварка. Главный вопрос современной физики состоит в том, не построены ли также и кварки из еще более мелких частиц.

    Сильное взаимодействие, является самым сильным из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. В сильном взаимодействии участвуют адроны. (Адроны т.е. кварки, элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии (барионы и мезоны, включая все резонансы).

      Сильное взаимодействие превосходит  электромагнитное взаимодействие  примерно в 100 раз, его радиус  действия около 10-13 см. Частный случай сильного взаимодействия — ядерные силы. Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика.

    Квантовоя хромодинамика - это, квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов, которое осуществляется путем обмена между ними — глюонами. (Глюоны, гипотетические электрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином 1, осуществляющие взаимодействие между кварками. Подобно кваркам, глюоны обладают квантовой характеристикой «цвет».)

    В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом, что приводит, в частности, к росту силы взаимодействия между кварками и глюонами при удалении их друг от друга. Предполагается, что именно это свойство определяет короткодействие ядерных сил и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов.

3. Электромагнитное взаимодействие

    Электромагнитное взаимодействие, фундаментальное взаимодействие, в котором участвуют частицы, имеющие электрический заряд (или магнитный момент). Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами является электромагнитное поле, или кванты поля — фотоны. По «силе» электромагнитное взаимодействие занимает промежуточное положение между сильным и слабым взаимодействиями и является дальнодействующим. Оно определяет взаимодействие между ядрами и электронами в атомах и молекулах, поэтому к электромагнитному взаимодействию сводится большинство сил, проявляющихся в макроскопических явлениях: силы упругости, трения, химическая связь и т. д. Электромагнитное взаимодействие приводит также к излучению электромагнитных волн, участвует в генерации света и других видов электромагнитного излучения.

    Оно связывает также атомы в молекулы, образуя все известные нам  вещества.

    В 1647г., французский физик и философ Пьер Гассенди высказал предположение, что атомы первоначально соединяются в особые группы, которые он назвал молекулами (от лат. moles — «масса», с уменьшительным суффиксом cula).

    Сразу же возник вопрос: как образуется связь  между атомами в молекулах? Представления о том, что атомы сцепляются посредством крючков, со временем перестали удовлетворять химиков, т.к. стало ясно, что сложные химические превращения невозможно объяснить примитивным механическим взаимодействием.

    В начале XIX в. шведский химик Йенс-Якоб Берцелиус предложил электрохимическую теорию сродства. Он считал, что атомы притягиваются друг к другу благодаря наличию у каждого из них двух противоположных электрических зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

    Идея  о том, что силы, удерживающие атомы в молекуле, имеют электрическую природу, оказалась верной, но первые шаги в понимании природы химической связи удалось сделать только после открытия электрона и разработки электронной теории строения атома.

    В 1907 г. российский химик Николай Александрович Морозов предположил, что химическая связь между атомами может получиться за счет образования электронных пар. Это подтвердил в 1916 г. американский физикохимик Гилберт-Ньютон Льюис. По расчетам Льюиса получилось, что молекула будет наиболее энергетически устойчивой, если вокруг каждого ее атома образуется восьмиэлектронная оболочка («электронный октет»). Недаром химически инертные благородные газы имеют именно такой набор внешних электронов. Химическую связь, по Льюису, образуют одна, две, три пары электронов, принадлежащие октетам двух соседних атомов.

     Если обозначить электроны точками, можно получить наглядные изображения молекул, которые называют моделями Льюиса или  электронными формулами. Например, для  молекулы фосфина РН₃ модель Льюиса выглядит следующим образом: 
 
 
 

    Если  в моделях Льюиса общие пары электронов заменить черточками, получатся графические  формулы. Вот какова формула для  молекулы трихлорида бора ВС1₃: 

    Представления Льюиса понятны и удобны, но не дают знания о происхождении сил, вызывающих притяжение нейтральных атомов и образовании молекул.

    В 1927 г. физики-теоретики объяснили образование молекулы водорода таким образом. Каждый из атомов этого элемента имеет один электрон, занимающий сферическую ls-атомную орбиталь и притягивающийся к положительно заряженному ядру. Если же удастся сблизить два атома водорода, то каждый из электронов начнет притягиваться уже к двум ядрам или (что то же самое) оба ядра будут притягиваться к электронам.

    При этом устанавливается равновесие сил притяжения и отталкивания протон — протонного и электрон — электронного) и образуется устойчивая двухатомная молекула водорода.

    Чтобы атомы не разбегались, электроны  должны как можно больше времени находиться между ядрами. Как этого добиться?

    Атомные орбитали при взаимодействии атомов частично перекрываются и проникают  друг в друга. В области проникновения  электронных «облаков» возникает  дополнительный электрический заряд.

    Область частичного перекрывания ведет себя как самостоятельная орбиталь, и здесь действуют те же правила, что и при заполнении атомных орбиталей, в том числе и принцип Паули. Согласно этому принципу, два электрона в молекуле водорода должны иметь разные спины (спин — это собственный магнитный момент электрона) — они обозначаются противоположно направленными стрелками:↑↓.

    Принцип Паули объясняет, почему невозможно образование двухатомной молекулы гелия. Чтобы такая молекула, Не₂ оказалась устойчивой, в области перекрывания должны находиться четыре электрона. Однако существуют только два направления спина, значит, только два электрона могут находиться между ядрами. Остальные электроны будут «растаскивать» ядра, и атомы разлетятся. Молекула не образуется. В перекрывании могут участвовать не только s-, но и другие орбитали. Однако электронные облака атомов перекрываются и проникают друг в друга только в том случае, если они имеют близкие значения энергии и одинаковую симметрию. Вот, например, фтор F, у атома которого электронная формула [Не] 2s22pK Каждый атом фтора имеет семь валентных электронов — так называют внешние электроны, способные образовывать химическую связь.                                                   |

    Атомные орбитали, занятые парами электронов, даже валентных, не перекрываются по той же причине, что и орбитали атомов гелия. Однако каждый атом фтора имеет одну орбиталь с единственным (неспаренным) электроном — вот эти-то орбитали будут проникать друг в друга (перекрываться). В области перекрывания расположатся два электрона от двух атомов фтора, которые свяжут их в молекулу.

    Могут перекрываться и разные орбитали. Именно так образуется связь в  молекуле фтороводорода HF. Дело в том, что s-орбиталь атома водорода и  p-орбиталь атома фтора имеют разную форму, но одинаковую симметрию: при вращении вокруг оси, соединяющей ядра атомов, они совпадают сами с собой. По одному электрону от обоих атомов располагаются в области перекрывания этих орбиталей. И вот пара электронов объединяет атомы водорода и фтора: получается молекула HF.

    У сферических s-орбиталей существует только одна возможность для перекрывания, а вот p-орбитали могут перекрываться разными способами. Один из них показан на примере молекулы фтора. При таком перекрывании образуется так называемая σ-связь. Но есть и другая возможность — перекрывание боковыми областями электронного облака. В этом случае образуется π-связь, которая значительно слабее σ-связи и может возникнуть только в дополнение к ней. Для этого двум атомам надо иметь p-орбитали, которые могут участвовать в перекрывании. Такая возможность есть у атомов кислорода. Электронная формула атома кислорода [Не] 2s²2p⁴ и здесь валентными являются шесть электронов. Атом кислорода имеет на одной p-орбитали два электрона, а на оставшихся двух — по одному. Вот эти-то атомные орбитали с одиночными (неспаренными) электронами и участвуют в перекрывании.

    Две p-орбитали двух атомов кислорода, расположенные вдоль линии, соединяющей их ядра, перекрываются и образуют σ-связь. А p-орбитали, перпендикулярные этой линии, создают дополнительную π-связь. Связь становится двойной, а участвуют в ее образовании две пары электронов. Как будто атомы кислорода протянули друг другу по две руки.

    У атома азота N (его электронная  формула — [Не] 2s²2р²) из семи электронов валентными являются пять, три из которых располагаются поодиночке на трех p-орбиталях. При перекрывании электронных облаков двух атомов азота образуются одна σ- и две π-связи. Это уже тройная связь. Она отличается необычайной прочностью, и становится понятным, почему молекулы азота N2 с таким трудом вступают в химические реакции. А вообше-то иметь несколько орбиталей с неспаренными электронами удобно — можно образовать несколько связей с другими атомами. Вместо того чтобы использовать две связи на объединение друг с другом в молекуле О₂ атом кислорода может присоединить к себе два атома водорода — получится молекула воды Н₂О.

    Механизм  возникновения химической связи, при  котором используется по одному электрону от каждого атома, называют обменным. Здесь все атомы как бы обмениваются своими электронами.