Как распределение электронов по энергетическим уровням повлияет на общую массу атома?

Большинство из вас прочитают заголовок материала и скажут — да как это вообще может на что-то повлиять? Это же вещи, которые абсолютно не связаны друг с другом. Но если вы уже знакомы с основными «сюрпризами» физики материалов, то тема статьи покажется вам довольно интригующей. Давайте вместе разберем проблему и сделаем суть обсуждения понятной для всех.

Атом традиционно состоит из протонов, нейтронов и электронов. Все обычно хорошо запоминают планетарную модель атома Резерфорда. Сегодня это представление является сильно устаревшим, но некоторая его логика продолжает работать. Ядро атома всё также состоит из нуклонов и находится в центре, а электроны распределены в виде электронного облака вокруг центра атома. Изменилось тут главное — электроны больше не крутятся по орбитам, а имеют вероятностное расположение. Но это не меняет того факта, что электроны находятся на энергетических уровнях, которые связаны с расстоянием от электрона до ядра атома.

Электроны на разных энергетических уровнях внутри атома имеют разное количество энергии, причем более высокие энергетические уровни означают, что электроны находятся дальше от ядра и обладают большей энергией. И тут есть важное ключевое слово. Это слово энергия.

Связь между энергией и массой, выраженная знаменитой формулой E=mc², является одним из краеугольных камней современной физики, олицетворяющим глубокую взаимосвязь между, казалось бы, разными сущностями. Эта формула, выведенная Альбертом Эйнштейном в рамках специальной теории относительности, утверждает, что энергия (E) и масса (m) эквивалентны и связаны друг с другом через квадрат скорости света (c²), являющейся фундаментальной константой.

Нельзя сказать, что энергия — это просто масса, и наоборот. Масса — это одна из форм энергии, а формула E=mc² показывает, сколько энергии эквивалентно определенному количеству массы. Это как говорить, что лед — это вода. Лед является одной из форм воды, но вода — это более широкое понятие, которое может существовать в виде жидкости, газа или твердого вещества.

Но по факту простое следствие тут одно — большее количество энергии подразумевает и большую массу. Горячая вода будет иметь большую массу, чем холодная. По этой логике если в атоме больше электронов, находящихся на высоких энергетических уровнях и имеющих больше энергии, то он будет весить больше такого же атома, но в обычном его состоянии. Однако, и тут нет простоты.

Подавляющая часть массы атома приходится на его ядро, которое содержит протоны и нейтроны, в то время как электроны значительно легче и поэтому вносят очень незначительный вклад в общую массу. Электроны примерно в 1800 раз легче протонов и нейтронов, поэтому их масса пренебрежимо мала при расчете общей массы атома.

Это не отменяет того факта, что электрон с высокой энергией действительно имеет большую массу, но на данном этапе развития науки от этого нет никакой практической пользы. Эту разницу не получится зафиксировать. Ведь даже ту же самую горячую и холодную воду до сих пор не сравнивали по массе, отдавая всё на откуп хорошо проработанной теории и наблюдаемым корреляциям в физике частиц.

Поэтому, ответ на поставленный вопрос будет звучать как речь поплывшего студента на экзамене, где есть и да, и нет. Уровни энергии электронов играют решающую роль в определении химического поведения атома, но они не оказывают существенного влияния на его общую массу. Если электронов с высокой энергией больше, то и атом имеет более высокую массу, но это отклонение от стандартного результата настолько незначительное, что не имеет никакой реальной значимости.