он определяет тем самым и форму электронных траекторий.
Это различие между атомным ядром и электронной оболочкой сразу дало
согласованное объяснение тому факту, что в химии именно химические элементы
являются последними единицами материи и что для превращения элементов друг в
друга необходимы очень большие силы. Химические связи между соседними
атомами объясняются взаимодействием электронных оболочек, и энергии
взаимодействия при этом сравнительно малы. Электрон, ускоренный в разрядной
трубке потенциалом всего в несколько вольт, обладает достаточной энергией,
чтобы "разрыхлить" электронные оболочки и вызвать испускание света или
разрушить химическую связь в молекуле. Но химическое поведение атома, хотя в
основе его и лежит поведение электронных оболочек, определяется
электрическим зарядом атомного ядра. Если хотят изменить химические
свойства, нужно изменить само атомное ядро, а это требует энергий, которые
примерно в миллион раз больше, чем те, которые имеют место при химических
процессах.
Но ядерная модель атома, рассматриваемого как система, в которой
выполняются законы ньютоновской механики, не может объяснить стабильность
атома. Как было установлено в одной из предыдущих глав, только применение к
этой модели квантовой теории может объяснить тот факт, что, например, атом
углерода, после того как он взаимодействовал с другими атомами или излучил
квант света, по-прежнему остается в конечном счете атомом углерода, с той же
самой электронной оболочкой, какую он имел ранее. Эту стабильность можно
просто объяснить на основе тех самых черт квантовой теории, которые делают
возможным объективное описание атома в пространстве и во времени.
Этим путем было, следовательно, создано первоначальное основание для
понимания строения материи. Химические и другие свойства атомов можно было
объяснить, применяя к электронным оболочкам математическую схему квантовой
теории. Исходя из этого осно-
вания, далее можно было пытаться вести анализ строения материи в двух
различных направлениях. Можно было или изучать взаимодействие атомов, их
отношение к более крупным единицам, таким, как молекулы или кристаллы или
биологические объекты, или же можно было пытаться, исследуя атомное ядро и
его составные части, продвинуться до того пункта, в котором стало бы
понятным единство материи. Физические исследования форсированно развивались
в прошедшие десятилетия в обоих направлениях. Последующее изложение и будет
посвящено выяснению роли квантовой теории в обеих этих областях.
Силы между соседними атомами являются в первую очередь электрическими
силами -- речь идет о притяжении противоположных зарядов и об отталкивании
между одноименными; электроны притягиваются атомным ядром и отталкиваются
другими электронами. Но эти силы действуют здесь не по законам ньютоновской
механики, а по законам квантовой механики.
Это ведет к двум различным типам связи между атомами. При одном типе
связи электрон одного атома переходит к другому атому, -- например для того,
чтобы заполнить еще не совсем заполненную электронную оболочку. В этом
случае оба атома оказываются в конечном счете электрически заряженными и
получают название "ионов"; поскольку их заряды в таком случае
противоположны, они взаимно притягиваются. Химик говорит в этом случае о
"полярной связи".
При втором типе связи электрон определенным образом, характерным только
для квантовой теории, принадлежит обоим атомам. Если использовать картину
электронных орбит, то можно приблизительно сказать, что электрон обращается
вокруг обоих атомных ядер и значительную долю времени проводит как в одном,
так и в другом атоме. Этот второй тип связи соответствует тому, что химик
называет "валентной связью".
Эти два типа связи, которые могут существовать во всевозможных
комбинациях, вызывают в конечном счете образование различных совокупностей
атомов и оказываются в конце концов определяющими все сложные структуры,
которые изучаются физикой и химией. Итак, химические соединения образуются
благодаря тому, что из атомов различного рода возникают небольшие замкнутые
группы, и каждая группа может быть названа молекулой химического соединения.
При образовании кристаллов атомы располагаются в виде упорядоченных решеток.
Металлы образуются тогда, когда атомы расположены так плотно, что внешние
электроны покидают свои оболочки и могут проходить сквозь весь кусок
металла. Магнетизм некоторых веществ, особенно некоторых металлов, возникает
вследствие вращательного движения отдельных электронов в этом металле и т.
д.
Во всех этих случаях дуализм между материей и силой еще может быть
сохранен, так как ядра и электроны можно рассматривать как строительные
кирпичи материи, которые удерживаются вместе с электромагнитными силами.
В то время как физика и химия (там, где они имеют отношение к строению
материи) составляют единую науку, в биологии с ее более сложными структурами
положение складывается несколько по-другому. Правда, несмотря на бросающуюся
в глаза целостность живых организмов, резкое различие между живой и неживой
материей, вероятно, проведено быть не может. Развитие биологии дало нам
большое число примеров, из которых можно видеть, что специфически
биологические функции могут выполняться особыми большими молекулами или
группами, или цепями таких молекул. Эти примеры подчеркивают тенденцию в
современной биологии объяснять биологические процессы как следствие законов
физики и химии. Но род стабильности, который мы усматриваем в живых
организмах, по своей природе несколько отличен от стабильности атома или
кристалла. В биологии речь идет скорее о стабильности процесса или функции,
чем о стабильности формы. Несомненно, квантово-механические законы играют в
биологических процессах очень важную роль. Например, для понимания больших
органических молекул и их разнообразных геометрических конфигураций
существенны специфические квантово-механические силы, которые только
несколько неточно могут быть описаны на основе понятия химической
валентности. Опыты по биологическим мутациям, вызываемым излучением,
показывают также как важность статистического характера
квантово-механических законов, так и существование механизмов усиления.
Тесная аналогия между процессами в нашей нервной системе и процессами,
которые имеют место при функционировании современной электронной счетной
машины, снова подчеркивает важность для живого организма отдельных
элементарных процессов. Но все эти примеры все-таки не доказывают, что
физика и химия, дополненные учением о развитии, сделают возможным полное
описание живых организмов. Биологические процессы должны трактоваться
естествоиспытателями-экспериментаторами с большей осторожностью, чем
процессы физики и химии. Как пояснил Бор, вполне может оказаться, что
описания живого организма, которое с точки зрения физика может быть названо
полным, совсем не существует, потому что данное описание потребовало бы
таких экспериментов, которые должны были бы прийти в слишком сильный
конфликт с биологическими функциями организма.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
Это различие между атомным ядром и электронной оболочкой сразу дало
согласованное объяснение тому факту, что в химии именно химические элементы
являются последними единицами материи и что для превращения элементов друг в
друга необходимы очень большие силы. Химические связи между соседними
атомами объясняются взаимодействием электронных оболочек, и энергии
взаимодействия при этом сравнительно малы. Электрон, ускоренный в разрядной
трубке потенциалом всего в несколько вольт, обладает достаточной энергией,
чтобы "разрыхлить" электронные оболочки и вызвать испускание света или
разрушить химическую связь в молекуле. Но химическое поведение атома, хотя в
основе его и лежит поведение электронных оболочек, определяется
электрическим зарядом атомного ядра. Если хотят изменить химические
свойства, нужно изменить само атомное ядро, а это требует энергий, которые
примерно в миллион раз больше, чем те, которые имеют место при химических
процессах.
Но ядерная модель атома, рассматриваемого как система, в которой
выполняются законы ньютоновской механики, не может объяснить стабильность
атома. Как было установлено в одной из предыдущих глав, только применение к
этой модели квантовой теории может объяснить тот факт, что, например, атом
углерода, после того как он взаимодействовал с другими атомами или излучил
квант света, по-прежнему остается в конечном счете атомом углерода, с той же
самой электронной оболочкой, какую он имел ранее. Эту стабильность можно
просто объяснить на основе тех самых черт квантовой теории, которые делают
возможным объективное описание атома в пространстве и во времени.
Этим путем было, следовательно, создано первоначальное основание для
понимания строения материи. Химические и другие свойства атомов можно было
объяснить, применяя к электронным оболочкам математическую схему квантовой
теории. Исходя из этого осно-
вания, далее можно было пытаться вести анализ строения материи в двух
различных направлениях. Можно было или изучать взаимодействие атомов, их
отношение к более крупным единицам, таким, как молекулы или кристаллы или
биологические объекты, или же можно было пытаться, исследуя атомное ядро и
его составные части, продвинуться до того пункта, в котором стало бы
понятным единство материи. Физические исследования форсированно развивались
в прошедшие десятилетия в обоих направлениях. Последующее изложение и будет
посвящено выяснению роли квантовой теории в обеих этих областях.
Силы между соседними атомами являются в первую очередь электрическими
силами -- речь идет о притяжении противоположных зарядов и об отталкивании
между одноименными; электроны притягиваются атомным ядром и отталкиваются
другими электронами. Но эти силы действуют здесь не по законам ньютоновской
механики, а по законам квантовой механики.
Это ведет к двум различным типам связи между атомами. При одном типе
связи электрон одного атома переходит к другому атому, -- например для того,
чтобы заполнить еще не совсем заполненную электронную оболочку. В этом
случае оба атома оказываются в конечном счете электрически заряженными и
получают название "ионов"; поскольку их заряды в таком случае
противоположны, они взаимно притягиваются. Химик говорит в этом случае о
"полярной связи".
При втором типе связи электрон определенным образом, характерным только
для квантовой теории, принадлежит обоим атомам. Если использовать картину
электронных орбит, то можно приблизительно сказать, что электрон обращается
вокруг обоих атомных ядер и значительную долю времени проводит как в одном,
так и в другом атоме. Этот второй тип связи соответствует тому, что химик
называет "валентной связью".
Эти два типа связи, которые могут существовать во всевозможных
комбинациях, вызывают в конечном счете образование различных совокупностей
атомов и оказываются в конце концов определяющими все сложные структуры,
которые изучаются физикой и химией. Итак, химические соединения образуются
благодаря тому, что из атомов различного рода возникают небольшие замкнутые
группы, и каждая группа может быть названа молекулой химического соединения.
При образовании кристаллов атомы располагаются в виде упорядоченных решеток.
Металлы образуются тогда, когда атомы расположены так плотно, что внешние
электроны покидают свои оболочки и могут проходить сквозь весь кусок
металла. Магнетизм некоторых веществ, особенно некоторых металлов, возникает
вследствие вращательного движения отдельных электронов в этом металле и т.
д.
Во всех этих случаях дуализм между материей и силой еще может быть
сохранен, так как ядра и электроны можно рассматривать как строительные
кирпичи материи, которые удерживаются вместе с электромагнитными силами.
В то время как физика и химия (там, где они имеют отношение к строению
материи) составляют единую науку, в биологии с ее более сложными структурами
положение складывается несколько по-другому. Правда, несмотря на бросающуюся
в глаза целостность живых организмов, резкое различие между живой и неживой
материей, вероятно, проведено быть не может. Развитие биологии дало нам
большое число примеров, из которых можно видеть, что специфически
биологические функции могут выполняться особыми большими молекулами или
группами, или цепями таких молекул. Эти примеры подчеркивают тенденцию в
современной биологии объяснять биологические процессы как следствие законов
физики и химии. Но род стабильности, который мы усматриваем в живых
организмах, по своей природе несколько отличен от стабильности атома или
кристалла. В биологии речь идет скорее о стабильности процесса или функции,
чем о стабильности формы. Несомненно, квантово-механические законы играют в
биологических процессах очень важную роль. Например, для понимания больших
органических молекул и их разнообразных геометрических конфигураций
существенны специфические квантово-механические силы, которые только
несколько неточно могут быть описаны на основе понятия химической
валентности. Опыты по биологическим мутациям, вызываемым излучением,
показывают также как важность статистического характера
квантово-механических законов, так и существование механизмов усиления.
Тесная аналогия между процессами в нашей нервной системе и процессами,
которые имеют место при функционировании современной электронной счетной
машины, снова подчеркивает важность для живого организма отдельных
элементарных процессов. Но все эти примеры все-таки не доказывают, что
физика и химия, дополненные учением о развитии, сделают возможным полное
описание живых организмов. Биологические процессы должны трактоваться
естествоиспытателями-экспериментаторами с большей осторожностью, чем
процессы физики и химии. Как пояснил Бор, вполне может оказаться, что
описания живого организма, которое с точки зрения физика может быть названо
полным, совсем не существует, потому что данное описание потребовало бы
таких экспериментов, которые должны были бы прийти в слишком сильный
конфликт с биологическими функциями организма.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52