§ 4.14 Строение вещества и химическая связь
Не только физика атома, ядра, но и физика твёрдого тела, термодинамика и химия опираются теперь на квантовую механику. Неужели даже в этих, исконно классических науках нельзя объяснить явления наглядно, а нужен сложный аппарат квантовой механики? В физике ядра, атома и элементарных частиц, как оказалось, квантовые представления не только не обязательны, но, часто, — просто ошибочны и уступают классическому описанию. Да и в других разделах физики классический подход даёт естественное адекватное описание всех "квантовых" эффектов, стоит лишь правильно их истолковать, найти удачную механическую модель явлений, строения атомов и частиц. Такой моделью оказалась бипирамидальная магнитная модель атома. Её основы заложены Ритцем, Томсоном, Ленардом, Ленгмюром и Льюисом — ещё в начале XX в. [19, 46]. Согласно модели, атом имеет форму двух пирамид, соединённых вершинами и послойно заполняемых электронами, что объясняет спектры атомов, закон Менделеева и законы фотоэффекта (§ 3.3, § 4.3).
Размеры атомов и межэлектронные зазоры в слоях задают и межатомные расстояния в молекулах и кристаллах. Ближе атомы сойтись не могут. Однако, почему они не могут разойтись? Что удерживает атомы вместе в молекулах и кристаллах? Первое научное объяснение этому предложили те же Ленгмюр и Льюис, на основе разработанной ими кубической модели атома, по которой ядро атома послойно окружают электроны, занимающие устойчивые положения в вершинах кубов [19, 46]. Эта модель во многом соответствует бипирамидальной, поскольку бипирамида вписывается в куб (Рис. 170). Модель Ленгмюра без всяких оснований отвергли, приняв квантовую теорию химической связи с абстрактными электронными облаками, орбиталями и их перекрытием. Зато в классической модели всё выглядело предельно просто. Электроны послойно заполняли пространственные уровни, оболочки атомов — в форме куба. Если в атоме уровень был заполнен не до конца, его могли занять электроны других атомов, входящие в вакантное место, как ключ в замок. Это позволяло образовывать химические соединения — только определённым подходящим друг к другу по форме атомам и в строго заданном отношении. Например, атом кислорода имеет два свободных места на электронном уровне (Рис. 170). Поэтому, к нему могут пристыковаться два атома водорода, содержащие по одному электрону. Так образуется молекула воды (Рис. 171). Тогда угол между отрезками, соединяющими центры атомов, составит около 109° (угол меж диагоналями куба). Это соответствует реальному углу в 105–109°, измеренному у молекул воды в экспериментах [138].
Рис. 170. Электронные слои атомов с вакансиями-петлями для образования химических связей или ионов O2-, Cl- при захвате электронов e.
Всё это очень напоминает демокритову модель сцепления атомов по принципу "ключ-замок". Демокрит и Лукреций считали, что на атомах есть выпуклости и впадины, крючки и петли (см. эпиграф § 4.14). Когда выпуклость (крючок) одного атома попадает во впадину (петлю) другого, они соединяются, как детали игрушечного конструктора [105]. Выпуклости-крючки — это электроны одного атома, а вогнутости-петли, провалы, — не занятые электронами места в слое другого. Такую впадину будем в дальнейшем называть "вакансией", "пазом" или "гнездом", по аналогии с посадочным гнездом в конструкторе. Такой термин был предложен В. Мантуровым в его кристаллической модели ядра [79]. При этом, силы, удерживающие атомы вместе, имеют электрическую природу. Те же силы удерживают в слое электроны — это силы притяжения к электрон-позитронной решётке, аналогичные ядерным, только с иным масштабом (§ 3.12).