Однако и в том случае, если числа положительных и отрицательных зарядов в атоме или молекуле равны друг другу, мы можем иметь электростатические силы, когда расположение зарядов несимметрично. Только атомы нейтральных газов — гелия, неона, аргона и др. обладают совершенно симметричным строением, не создающим электрического поля вне атома; все же другие окружены полем, имеющим в одних участках одно, в других — другое направление. Например, может случиться, что совокупность всех отрицательных зарядов сдвинута несколько в сторону по отношению к положительным. Тогда мы имеем как бы систему из двух раздвинутых зарядов, называемую диполем. Такие диполи притягиваются друг к другу или отталкиваются в зависимости от относительного расположения. Силы взаимодействия убывают с увеличением расстояния между диполями еще быстрее, чем в случае двух зарядов, — как четвертая степень расстояния, тогда как силы между двумя зарядами убывают как квадрат расстояния.
Далее, можно представить себе систему, состоящую из двух противоположных диполей, несколько сдвинутых относительно друг друга, — это квадруполи. Между ними также возможно притяжение или отталкивание, убывающее с расстоянием как шестая его степень.
Можно идти и дальше по этому пути, рассматривая систему двух сдвинутых противоположных квадруполей или октуполь и т. д. Еще недавно казалось, что молекулярные силы в твердом поле можно будет целиком свести к такого рода электростатическим взаимодействиям. Оказалось, однако, что их недостаточно: приходится учитывать и силы динамического происхождения.
2. Индукционные силы. Если мы спросим себя, почему не только разноименные ионы, но и заведомо нейтральные атомы и молекулы взаимно притягиваются, несмотря на то, что каждая из рассмотренных систем (диполи, квадруполи или октуполи) в зависимости от расположения одинаково часто могла бы испытывать как притяжение, так и отталкивание, то это можно будет объяснить только взаимным влиянием атомов друг на друга. Когда два нейтральных атома сближаются, то электрическое поле одного атома всегда смещает заряды в другом гак, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — приближаются, и поэтому влияние притяжения последних преобладает над отталкиванием первых. Если бы даже атом был симметричен, то, попадая в поле другого несимметричного атома, он теряет свою симметрию, превращаясь в диполь, и притом в такой диполь, который втягивается в создавшее его поле. Это — то же самое явление индукции, которым мы объясняем притяжение легких незаряженных предметов всяким электрическим зарядом, например притяжение кусочков бумаги наэлектризованным гребнем.
3. Еще большее значение имеют силы, вызванные взаимной ориентацией атомов при их сближении. Если, например, каждый из атомов обладает дипольным моментом, то такие атомы не только притягиваются или отталкиваются, но и взаимно поворачиваются, притом так, что на каких бы больших расстояниях они ни были расположены, сближаясь и поворачиваясь, они всегда притягиваются. Это — тот тип притяжения, который легко наблюдать между намагниченными иголками. В зависимости от того, повернуты ли две иголки друг к другу своими разноименными или одноименными полюсами, они будут притягиваться или отталкиваться, но если двум иголкам дать возможность вращаться, они всегда повернутся так, чтобы потом притянуться.
4. Многие атомы обладают дипольным моментом н оказывают магнитные действия. Однако по своей величине магнитные взаимодействия между атомами очень малы и существенной роли не играют.
5. Зато исключительное значение получают динамические молекулярные силы, смысл и значение которых лишь в самое последнее время выяснен квантовой механикой. При изучении взаимодействия двух атомов новая механика, в отличие от старой, не может рассматривать каждый атом и его энергию в отдельности. Оба они образуют одну нераздельную систему, в которой и каждый электрон приходится рассматривать одновременно связанным с обоими атомами и учитывать возможность перехода электрона из той части, которая раньше была одним атомом, в другую. Эти электроны участвуют в высокочастотных колебаниях, и взаимодействие между ними особенно усиливается в случае резонанса. Характерной чертой новой квантовой механики является также отождествление частоты колебаний с энергией электрона. Поэтому резонируют электроны, обладающие одинаковой энергией. Наконец, третьей чертой, внесенной новой механикой, является утверждение, что в одной системе не может быть двух одинаковых электронов. Поэтому если в двух атомах имеются электроны, одинаковые и по своей энергии и по направлению спинов своей магнитной оси. то в общей системе из этих двух атомов эти электроны уже не могут сохранить прежних значений характеризующих их переменных; их энергии или направления спинов должны стать разными. Из-за этого при сближении двух атомов один или несколько электронов переходят на более высокие уровни энергии, затрачивая работу; следовательно, между ними должно существовать отталкивание. В других случаях, наоборот, переход в одну общую систему при сближении атомов сопровождается уменьшением энергии и, стало быть, приводит к силам притяжения.
Подобные квантовые силы играют основную роль как при образовании молекул, так и при всякого рода взаимодействиях между ними. Наряду с ними существуют и остальные четыре типа сил, но из них только силы между ионами и лишь иногда силы между диполями по своей величине превышают квантовые. Поэтому все химические и молекулярные явления можно разбить на два больших класса: на системы из противоположно заряженных ионов, связанные преимущественно электростатическими силами, и на системы из нейтральных элементов, в которых преобладают динамические квантовые силы.
Рассмотрим сначала ионные, или полярные, системы. Электроны, входящие в состав атома, распределяются в замкнутые группы, окружающие ядро. Ближайшая к ядру группа заключает в себе два электрона с наименьшей энергией. Следующие электроны, в силу того требования, что в атоме не может быть двух одинаковых электронов, уже не находят себе места в первой группе и образовывают вторую замкнутую и симметричную группу, заключающую 8 электронов. Далее могут быть группы в 18 и 32 электрона.
Те элементы, число электронов которых как раз заполняет эти замкнутые группы, являются особенно устойчивыми, не вступают а химические реакции и в обмен электронами с другими атомами. Это — нейтральные газы: элементы № 2 (гелий), 10 (неон), 18 (аргон), 36 (криптон), 54 (ксенон), 86 (эманация).* Все же остальные атомы имеют сверх этих законченных групп один, два или три лишних электрона или же им не хватает для образования вполне законченной группы соответственного числа электронов. Первые легко теряют лишние электроны и остаются заряженными положительно; вторые присоединяют недостающие им электроны извне, заряжаясь отрицательно. Таково происхождение положительных и отрицательных ионов. Противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу и соединяются попарно, образуя полярную молекулу. При достаточном охлаждении газ, состоящий из отдельных молекул, конденсируется в жидкость, где ионы различных молекул, притягиваясь друг к другу, отрываются or прежних связей. Однако сильное тепловое движение мешает им расположиться определенным образом, и такая ионная жидкость представляет собою хаотическую смесь положительных и отрицательных ионов, постоянно меняющихся местами.
Наконец, при дальнейшем охлаждении тепловое движение оказывается уже не в силах срывать ионы из положений с наименьшей энергией. Участвуя в хаотическом тепловом движении, они не удаляются заметно от этого своего положения равновесия. Вместо хаотической смеси мы получаем правильно расположенную систему ионов. В тех случаях, когда ионы совершенно симметричны, легко представить себе характер их расположения. Стремясь сблизиться под влиянием электростатических сил, ионы одного знака собираются вокруг ионов другого знака, взаимно окружая друг друга. Вокруг каждого положительного иона справа и слева, сверху и 'снизу, спереди и сзади расположится по отрицательному иону. Если мы проследим расположение ионов по одному из этих направлений, то на одинаковых расстояниях мы обнаружим чередование противоположных ионов. Из таких цепочек, расположенных рядом друг с другом, составляются плоскости, наподобие шахматной доски заполненные ионами, а из этих плоскостей, наслоенных друг над другом, — целое тело, твердый кристалл. Таков, например, кристалл каменной соли, построенный из положительных ионов натрия (атом натрия имеет 11 электронов, т. е. две замкнутые группы и один лишний электрон, который легко отдается, оставляя положительный ион натрия) и отрицательных ионов хлора (№ 17, которому не хватает одного электрона для образования третьей замкнутой группы).
Однако такое представление о кристалле, как о системе геометрически правильно расположенных зарядов, есть только схема, которая могла бы быть близкой к реальной картине лишь при полном отсутствии теплового движения. При обычных температурах тепловое движение, если и не достаточно для того, чтобы разрушить структуру кристалла, в отдельных местах все же удаляет то один, то другой ион из положения равновесия. Таким образом, и в твердом кристалле всегда имеется определенная часть ионов, не закрепленных и хаотически перемещающихся в кристалле. Другими словами, и в кристалле возможна диффузия и обмен местами индивидуальных ионов.
Так как сорванные со своего места ионы обладают зарядами, то под влиянием электрических сил они будут преимущественно перемещаться в ту сторону, куда направлена действующая на них сила. В электрическом поле создается односторонне направленный поток зарядов, т. е. электрический ток. Такова природа электропроводности кристаллов рассматриваемого ионного типа.