Это значит, что для того чтобы ионизировать водород, то есть оторвать от него электрон, надо к этому электрону, а следовательно – к атому, приложить энергию («плюсовую»), равную этой полной энергии атома, и тогда энергия атома (фактически – разорванного на две части) будет нулевой:
Физики, уточняя, говорят в этом случае об «энергии ионизации из основного состояния атома», то есть из его состояния, в котором электрон «пребывает на первом энергетическом уровне» (как говорят квантовомеханики), а мы скажем – когда электрон кружит вокруг протона по первой стационарной круговой орбите.
И вот только теперь мы перейдём к определению «потенциальной энергии» атомной системы. Эта система состоит (у физиков) из двух «частей»: из электрона и из протона. У нас, правда, эта же система состоит из трёх частей: из электрона, из протона и … из эфирного поля протона, о чём физики подразумевают, но не договаривают школьнику лишь потому, что не знают пока из чего конкретно «сделано» это поле. Но мы уже, даже последним выражением («из эфирного поля») фактически сказали школьнику, из чего сделано это поле: оно сделано из эфира, а конкретно – из его квантов-частиц.
И только теперь мы приведём рисунок распределения энергий, который (наконец-то) будет понятен школьнику (заметим, что физики не опускаются с их высот понимания ими процессов до таких простецких рисунков – диаграмм, рис. 21.4).
Из приведённого рисунка прозрачно вытекает следующая основная формула распределения энергий атомной системы:
Но поскольку «энергия ионизации» по своей физике должна быть такой, чтобы «обнулять» полную энергию атома, то она должна быть в точности равной по абсолютной величине этой полной энергии:
И, следовательно, наука химия нам определяет полную энергию атома:
Рис. 21.4
А это значит, что потенциальная энергия атома с электроном, кружащим по первой боровской орбите, равна:
Таким образом, потенциальная энергия атомной системы оказывается по абсолютной величине ровно вдвое больше кинетической составляющей энергии системы так, что можно записать:
Кстати, ровно об этом же говорит так называемая «теорема вириала», хотя эта теорема была доказана в науке задолго до того, как физики начали конкретно заниматься теорией атома.
Например, в применении этой теоремы к гравитационной системе тел, она указывает, в какой пропорции начальная энергия «делится в среднем» между кинетической и потенциальной энергией во время движения замкнутой гравитационной системы.
Выражение «вириал» происходит от латинских слов «vis» – «сила» или множественное число «vires» – «силы» или «энергии». Оно было введено Клаузиусом в 1870 году.
В применении к квантовой физике: среднему по времени от некоторой классической величины можно сопоставить математическое ожидание квантового аналога этой величины в состоянии с определённой энергией. В переводе на язык механики атома, и глядя на наш рисунок 21.4, мы видим, что «математическим ожиданием», как некоторым средним по времени, является монотонное движение электрона по стационарной орбите. Но по какой из них, если у атома – несколько (много) таких орбит? В теории атома нам надо оттолкнуться от какой-то конкретики. Конкретика же определяется опытом людей. Но все физики с незапамятных времён проводили свои опыты не в каком-нибудь «холодном далёком космосе», как и не в какой-нибудь «жаре внутри Солнца», но на поверхности планеты Земля; да ещё, кроме того, не «на морозе» или не на «африканской жаре», но вполне себе в «тёплых лабораториях» с комнатной температурой. Химики в своих реакциях ионизировали атомы элементов тоже в этих же «комнатных» условиях. Обобщая свой опыт, физики выяснили, что у атома любого элемента есть, при этих условиях, одна главная «чёткая» орбита, на которой электрон задерживается при этих условиях на длительное время. И если каким-нибудь образом возбуждать атом (например, нагреванием газа), то выяснилось (методом спектроскопии и последующими из неё расчётами), что электрон в атоме норовит опуститься на некоторую «нижнюю» орбиту, которую физики назвали первой «боровской». И сейчас мы поясним школьнику следующее, о чём физики ему не договаривают.
Выражение «электрон находится на первой орбите» не означает, что он там чётко вращается по окружности с чётким радиусом