Глава 1. Атомы

Термин "атом" широко используется во всех естественных науках, имеющих дело с исследованием и практическим использованием различных веществ. В широком смысле слова под "атомами" понимаются микроскопические частицы, входящие в состав любых веществ. Однако содержание научного понятия, обозначаемого данным термином, оказывается различным, в зависимости от используемых методов исследования и описания веществ. В рамках данного курса необходимо различать две интерпретации этого термина — "химический атом" и "физический атом".

Химический атом— это понятие классической химии, необходимое для описания и объясненияхимическихсвойстввеществ. Химические атомы всегда являются составной частью вещества и никогда не встречаются в свободном виде. Поэтому его свойства недоступны для измерения с помощью приборов и имеют конвенциональный характер. В качестве примера можно привести такие характеристики химических атомов как: относительная атомная масса (атомный вес), порядковый номер в периодической таблице, валентность, электроотрицательность, степень окисления, атомные радиусы (ковалентный, ионный) и др. Все химические атомы одного вида считаются тождественными друг другу и, следовательно, любой химический атом данного типа имеет единственное доступное ему состояние. Другими словами, указание типа атома (т.е. его химического символа, например,H, Si, Au) полностью определяет и все его химические свойства.

Физический атом представляет собой микроскопическую структуру, состоящую из одногоатомного ядраиэлектронной оболочки. Физический атом существует отдельно от окружающей среды и поэтому его всегда можно поместить в прибор, произвести над ним соответствующие измерения и получить числовые значения таких физических характеристик как: энергия, орбитальный и спиновой механические моменты, магнитные моменты, поляризуемость и др. Физический атом, следовательно, допускает построение стандартного механического описания через наблюдаемые, уравнения состояния и уравнения эволюции. При этом малые размеры атома требуют использования квантового варианта механики. Физический атом имеет множество доступных механических состояний и может переходить из одного состояния в другие за счет внешних возмущений. В отличие от химического атома, указание типа физического атома не определяет его свойства однозначно, поскольку эти свойства могут изменяться в широком диапазоне в результате его переходов из одного состояния в другие.

Любые механические модели пригодны для описания именно физических атомов. Это, однако, не означает, что такие модели бесполезны для решения химических задач. Существуют способы, позволяющие адаптировать результаты, полученные методами механики для физических атомов, к химической проблематике. Надо только всегда помнить о необходимости такой адаптации и не пытаться переносить полученные механическим способом результаты непосредственно на химические атомы.

1.1. Механическая структурная модель атома

Для сложных (составных) систем механический способ позволяет построить два типа описания, различающиеся по масштабу: глобальноеилокальное. В рамках глобального описания атом рассматривается "снаружи и издалека" и, соответственно, выглядит как материальная точка, обладающая набором глобальных наблюдаемых, характеризующих атом в целом, но не имеющих прямого отношения ни к одной из составляющих его частиц. В рамках локального описания атом рассматривается "изнутри" и, соответственно, выглядит как совокупность взаимодействующих между собой электронов, причем каждый из них требует индивидуального описания с помощью набора локальных (одночастичных) наблюдаемых.

Макроскопические структуры, описываемые методами классической механики, допускают оба описания — и глобальное, и локальное, причем оба описания согласованы между собой. Атомы являются микроскопическими структурами и требуют использования методов квантовой механики. В этом случае оказывается, что два вида описания — глобальное и локальное — взаимно исключают друг друга. Причиной служит наличие сильных межэлектронных взаимодействий. Можно сказать, что здесь имеет место своеобразный случай принципа неопределенности. Ввиду этой особенности в рамках ортодоксальной квантовой механики приходится удовлетворяться только глобальным описанием атома как бесструктурной материальной точки. Если все же поставить перед собой цель описать атом локально, то в этом случае вместо строгого механического описания можно построить лишь весьма приближенную модель, требующую использования посторонних для квантовой механики соображений, и поэтому относящуюся уже не к квантовой механике, а кквантовой химии.