Они просто не хотели быть примитивными упругими шариками, какими их воображал себе конструктор планетарной модели атома Резерфорд. Но тогда каковы же они в действительности, эти мельчайшие атомы электричества, изображавшиеся обыкновенными точками в льюисовских дублетах и октетах?
Ответ пришел из парижской лаборатории на улице Байрона, где работал Луи де Бройль. Откровение ученого оказалось ошеломляющим. Частица-волна! Математическое выражение этого беспрецедентного в истории науки двуличия выглядело довольно непритязательно: λ = h/mv («ламбда» равна «аш», деленному на «эм» «вэ»). Но какую бурю оно вызвало в среде ученых!
Движению любого тела, обладающего массой и скоростью, де Бройль приписывал волновой характер. Например, теннисный мяч, отброшенный ракеткой со скоростью 25 метров в секунду, — тоже волны. Можно даже подсчитать их длину (λ); она составит 10–32 сантиметра. Это в миллиарды миллиардов раз меньше размеров атомного ядра. Понятно, почему в макромире, в царстве массивных тел, двойственность «волны-частицы» совершенно незаметна и не играет практически никакой роли. Зато в микромире…
Для электрона, вращающегося по околоядерной орбите со скоростью тысяча километров в секунду, подсчет дает длину волны, равную одной стомиллионной доле сантиметра. Это означает, что пучок электронов, несущихся с такой скоростью, должен вести себя подобно рентгеновым лучам. И действительно, эксперименты подтвердили двуличие электрона.
С одной стороны, у него давно уже были вскрыты все признаки крохотной крупицы материи. Скажем, вполне определенный вес. C другой — обнаружилось такое поведение при прохождении электронного пучка через кристалл, которое свойственно невесомому электромагнитному излучению!
Традиционные мерки, оказавшиеся не впору странному кусочку вещества-излучения, отбросила квантовая механика.
Весной 1926 года в Париж на имя де Бройля пришел пакет из Цюриха. В нем содержалось изложение волновой механики Эрвина Шредингера.
В этом пакете было будущее химии.
А незадолго до этого молодой геттингенский ученый Вернер Гейзенберг разработал свою матричную механику. Глубокое раздумье над дуализмом волны-частицы привело ученых к созданию особого математического аппарата для описания микрособытий, к которым неприложимы формулы ньютоновской физики.
Авторы в своих построениях опирались на разные, если не сказать несовместимые, посылки. Один хотел утвердить в физике волны и непрерывность, другой — частицы и прерывность. Оба оперировали несхожими математическими средствами. Но противоположные по духу и по методам волновое уравнение Шредингера и матричное исчисление Гейзенберга давали одинаковое приближение к реальности. Трудно было отдать предпочтение какой-нибудь из идей, хотя каждый автор отстаивал правомерность лишь своей механики. Но очень скоро новые эксперименты, подтвердившие волнообразность электронов, доказали безуспешность одностороннего подхода к одной из самых удивительных загадок микромира — дуализму (двойственности) корпускул-волн. Так две механики слились в одну, которую позже стали именовать просто квантовой.
Уже нельзя было мыслить себе электрон, как крошечную Луну вполне определенных размеров и формы, обращающуюся по геометрически четкой трассе вокруг маленькой Земли — атомного ядра. Орбита стала напоминать расплывчатое шаровидное облако, по которому «размазан» электрон-волна.
В 1927 году немецкие физики Вальтер Гейтлер и Фриц Лондон, исходя из новых представлений, оценили энергию связи и межъядерное расстояние для молекулы водорода. Теоретический расчет полностью совпал с экспериментальными данными!
Это означало больше, чем триумф квантовой механики. Это было рождение квантовой химии. Ведь молекула водорода — простейшее химическое соединение. Не просто сумма двух атомов, а сложная система, где ядра и электроны спаяны валентной связью в целостный коллектив со всеми присущими ему особенностями.
Древнее пробирное искусство получило невиданный доселе инструмент для исследования тончайших механизмов межатомного взаимодействия. Валентный штрих заговорил языком математики, волнуя химиков неожиданными откровениями, а подчас и сюрпризами.
Квантово-механический расчет вскрыл важный признак ковалентной связи — антипараллельность электронных спинов.
«Спин» в переводе с английского означает «кручение». Речь идет о вращении, но уже не вокруг ядра, а вокруг собственной оси при движении по орбите. Спин придает электрону свойства крошечного магнитика. Именно это обстоятельство не было известно Шредингеру, когда он рассчитывал атом водорода. Потому-то и появилось расхождение между расчетными данными и результатами опытов. Так математика привела к открытию в физике — подобно тому как в свое время Леверье, исходя из чисто математических расчетов, предсказал существование планеты Нептун.