Что удерживает электрон в атоме на орбите атомного ядра?
На первый взгляд, особенно если смотреть на мультяшную версию атома, описанную мною ранее со всеми её недостатками, электроны, двигающиеся по орбите вокруг ядра, выглядят так же, как планеты, двигающиеся по орбите вокруг Солнца. И вроде бы принцип этих процессов одинаков. Но есть подвох.
Рис 1
Что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца? В Ньютоновской гравитации (Эйнштейновская сложнее, но тут она нам не нужна) любая пара объектов притягивается друг к другу посредством гравитационного взаимодействия, пропорционального произведению их масс. В частности, гравитация Солнца притягивает к нему планеты (с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. То есть, если расстояние уменьшается вдвое, сила увеличивается вчетверо). Планеты тоже притягивают Солнце, но оно настолько тяжёлое, что это почти не влияет на его движение.
Инерция, тенденция объектов к перемещению по прямым линиям в случае отсутствия действия на них других сил, работает против гравитационного притяжения, и в результате планеты двигаются вокруг Солнца. Это видно на рис.1, где изображена круговая орбита. Обычно эти орбиты эллиптические – хотя в случае планет они почти круглые, поскольку так формировалась Солнечная система. Для различных мелких камней (астероидов) и глыб льда (комет), двигающихся по орбитам вокруг Солнца, это уже не так.
Сходным образом все пары электрически заряженных объектов притягиваются или отталкиваются друг от друга, с силой, тоже обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Но, в отличие от гравитации, которая всегда притягивает объекты вместе, электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать. Объекты, обладающие одинаковыми, положительными или отрицательными зарядами, отталкиваются. А отрицательно заряженный объект притягивает положительно заряженный объект, и наоборот. Отсюда и романтическая фраза «противоположности притягиваются».
Поэтому положительно заряженное атомное ядро в центре атома притягивает легковесные электроны, двигающиеся на задворках атома, к себе, примерно как Солнце притягивает планеты. Электроны тоже притягивают ядро, но масса ядер настолько больше, что их притяжение почти не влияет на ядро. Электроны также отталкиваются друг от друга, что является одной из причин, по которым они не любят проводить время близко друг к другу. Можно было бы считать, что электроны в атоме перемещаются по орбитам вокруг ядра примерно так же, как планеты перемещаются вокруг Солнца. И на первый взгляд, именно так они и поступают, особенно в мультяшном атоме.
Но вот, в чём подвох: на самом деле, это двойной подвох, и каждый из двух подвохов оказывает эффект, противоположный другому, в результате чего они взаимно уничтожаются!
Двойной подвох: как атомы отличаются от планетных систем
Рис 2
Первый подвох: в отличие от планет, электроны, двигающиеся по орбитам вокруг ядра, должны излучать свет (точнее, электромагнитные волны, одним из примеров которых служит свет). А это излучение должно заставлять электроны замедляться и по спирали падать на ядро. В принципе, в теории Эйнштейна существует схожий эффект – планеты могут испускать гравитационные волны. Но он чрезвычайно мал. В отличие от случая с электронами. Получается, что электроны в атоме должны очень быстро, за малую долю секунды, по спирали упасть на ядро!
И они бы так и сделали, если бы не квантовая механика. Потенциальная катастрофа изображена на рис. 2.
Второй подвох: но наш мир работает согласно принципам квантовой механики! А у неё есть свой удивительный и контринтуитивный принцип неопределённости. Этот принцип, описывающий тот факт, что электроны – это такие же волны, как и частицы, заслуживает своей собственной статьи. Но вот, что нам нужно знать о нём для сегодняшней статьи. Общее следствие этого принципа состоит в том, что невозможно знать все характеристики объекта одновременно. Существуют наборы характеристик, для которых измерение одной из них делает другие неопределёнными. Один из случаев – это местоположение и скорость таких частиц, как электроны. Если вы точно знаете, где находится электрон, вы не знаете, куда он направляется, и наоборот. Можно достичь компромисса и с некоторой точностью знать, где он, и с некоторой точностью знать, куда он направляется. В атоме так всё и получается.
Допустим, электрон по спирали падает на ядро, как на рис. 2. В процессе его падения нам всё точнее и точнее будет известно его местоположение. Тогда принцип неопределённости говорит нам, что его скорость будет становиться всё более и более неопределённой. Но если электрон остановится на ядре, его скорость не будет неопределённой! Поэтому он не может остановиться. Если он вдруг попробует упасть вниз по спирали, ему придётся всё быстрее и быстрее передвигаться случайным образом. И это увеличение скорости уведёт электрон в сторону от ядра!
Так что тенденция падения по спирали будет нейтрализована тенденцией к более быстрому движению согласно принципу неопределённости. Баланс находится, когда электрон располагается на предпочтительном расстоянии от ядра, и это расстояние определяет размер атомов!
Рис 3
Если электрон изначально находится далеко от ядра, он будет двигаться к нему по спирали, как показано на рис. 2, и излучать электромагнитные волны. Но в результате его расстояние от ядра станет достаточно малым для того, чтобы принцип неопределённости запретил дальнейшее сближение. На этом этапе, когда найден баланс между излучением и неопределённостью, электрон организует стабильную «орбиту» вокруг ядра (точнее, орбиталь – этот термин выбран, чтобы подчеркнуть, что в отличие от планет, у электрона из-за квантовой механики нет таких орбит, какие есть у планет). Радиус орбитали определяет радиус атома (рис. 3).
Ещё одна особенность – принадлежность электронов к фермионам – заставляет электроны не спускаться до одного радиуса, и выстраиваться по орбиталям разных радиусов.
Насколько атомы крупные? Приближение на основе принципа неопределённости
На самом деле мы можем примерно оценить размер атома, используя только расчёты для электромагнитных взаимодействий, массу электрона и принцип неопределённости. Для простоты проделаем расчёты для атома водорода, где ядро состоит из одного протона, вокруг которого двигается один электрон.
Принцип неопределённости утверждает:
$$display$$m_e (Δ v) (Δ x) ≥ ℏ$$display$$
где ℏ - это постоянная Планка h, делённая на 2 π. Обратите внимание, он говорит, что (Δ v) (Δ x) не может быть слишком малым, что означает, что обе определённости не могут быть слишком малыми, хотя одна из них может быть очень малой, если другая будет очень большой.
Когда атом устанавливается в предпочтительном основном состоянии, мы можем ожидать, что знак ≥ превратится в знак ~, где A ~ B означает, что «A и B не совсем равны, но и не сильно отличаются». Это очень полезный символ для оценок!
Для атома водорода в основном состоянии, в котором неопределённость положения Δx будет примерно равна радиусу атома R, а неопределённость скорости Δv будет примерно равна типичной скорости V движения электрона вокруг атома, мы получим:
Как узнать R и V? Между ними и силой, удерживающей атом вместе, существует взаимоотношение. В неквантовой физике объект массы m, находящийся на круговой орбите радиуса r, и двигающийся со скоростью v вокруг центрального объекта, притягивающего его с силой F, будет удовлетворять уравнению
К электрону в атоме напрямую это неприменимо, но приближённо это работает. Сила, действующая в атоме, это электрическая сила, с которой протон с зарядом +1 притягивает электрон с зарядом -1, и в результате уравнение принимает вид
где k – константа Кулона, e – единица заряда, c – скорость света, ℏ - это постоянная Планка h, делённая на 2 π, а α – определённая нами постоянная тонкой структуры, равная . Совместим два предыдущих уравнения для F, и оценочное соотношение получается следующим:
Теперь применим это к атому, где v → V, r → R, и m → m e . Также умножим верхнее уравнение на . Это даёт:
На последнем шаге мы использовали наше соотношение неопределённости для атома, . Теперь можно вычислить радиус атома R:
И это оказывается практически точным! Такие простые оценки не дадут вам точных ответов, но очень хорошее приближение обеспечат!
Какие читатели хорошие бывают! Не только любят и уважают учителей природоведения, но и знают, как модель атома Бора объясняет, что электроны на ядра не падают.
Или падают?
В вопросе "почему электроны не падают на ядра" не упоминается про то, что речь идет исключительно об одноэлектронном атоме. Модель атома Бора (и старая квантовая механика в целом) ничего не говорит о стабильности многоэлектронных атомов и молекул. То, что "падения" не происходит в одноэлектронном атоме не гарантирует то же самое про другие системы. Если вы знатоки старой квантовой теории и взялись помогать учителям природоведения, то доведите свои рассуждения до конца. Мне, например, доказательства общего положения неизвестны.
P.S. Моделью Бора можно неплохо описывать синглетные и триплетные состояния простых двухатомных молекул. Обнаружили, это, правда, только в 2005-м, но лучше поздно, чем никогда. Построение довольно лобовое:
Работает немногим хуже первоначальной теории ГЛ о химической связи. По построению электроны гарантированно не падают на ядра (ура!), но сама модель далека по духу от квантования адиабатических инвариантов. Нечто подобное я видел сделанное для H2+ иона, но в более изощренном варианте. Идея была в том, чтобы квантовать не сами интегралы, а их сумму:
Наверно, этим занимались бы лет двадцать-тридцать, не придумай Шредингер свое уравнение. Догадаться, как сделать даже эту малость со старой квантовой механикой - непросто. Пирсон - корифей квантовой химии, член Национальной Академии, Хершбах - к тому же нобелевский лауреат. Перед вами гораздо более сложная задача. Надо создать то, что у Бора не вышло: работающую общую теорию многоэлектронных систем. После этого дело за малым: доказать в общем случае стабильность всех электронных орбит.
Желаю удачи.
PPS. Поскольку у меня нет желания дискутировать на тему, что стабильность многочастичных кулоновских систем в (новой) квантовой механике объясняется самосопряжением гамильтониана, фазами Луны, и т. д., комментаторам рекомендуется к прочтению
Кстати, почему один по себе принцип неопределенности Гейзенберга не объясняет стабильности атома (как утверждают выданные гуглом сливки интернета) написано на стр. 554-555 оного сочинения, часть I.
Объяснение и понимание - не одно и тоже. Это раз и навсегда доказал Дильтей.
С. Кургинян
Квантовая механика, основанная на теории относительности и физическая химия, основанная на квантовой механике «объяснили» атом, «размазав» электроны в «облаках орбиталей». Есть постулаты, законы чисел, но нет ни объяснения природных законов «почему так» и, тем более, полностью отсутствует понимание законов движения электронов в атоме. Парадокс состоит в том, что даже появление атома водорода противоречит закону электрического взаимодействия зарядов. Электрон должен притягиваться силами взаимодействия в пустоте или физическом вакууме к протону, поэтому он должен «упасть» на него и заряды должны «разрядиться». Почему электрон не «падает», а начинает вращаться вокруг протона и формирует атом водорода? Попытаемся развеять туманность облаков «орбиталей» и приблизиться к пониманию того, что можно считать орбитой элементарной частицы, каковы вид и расположение орбит, а главное, понять физические принципы их заполнения электронами в атомах.
Исходя из общности законов Природы, отказываясь от относительности и неопределённостей микромира, примем «подсказки» Солнца:
.Ø существование определённых орбит у электронов;
.Ø орбиты должны быть квантованы;
.Ø все орбиты - круговые или с незначительным эксцентриситетом;
.Ø орбиты расположены, в основном, в одной плоскости - в экваториальной плоскости ядра.
Такие же особенности формирования структуры атома непосредственно следуют из законов электрического и магнитного взаимодействия ядра и электронов в среде ДУХ.
Ядро атома должно притягивать к себе электроны силой электрического взаимодействия. Электрические силы, как мы выяснили (см. 4.2), определяются вращательным движением среды ДУХ, «схваченной» вращением материального массона - электрона. В среде ДУХ действует закон сохранения импульса: движение материи рождает движение среды и наоборот. Поэтому наибольшая скорость движения среды ДУХ, взаимодействующей с массоном, должна проявляться в его экваториальной плоскости. Мы также выяснили, что единичный заряд протона и его спин определяются центральным «позитроном» в центральном мюоне, а остальные заряды и спины мюона и пи-мезонов скомпенсированы. В ядрах атомов заряды протонов суммируются, что соответственно, приводит к увеличению напряжённости электрического поля - силе притяжения электронов. Наибольшие силы притяжения электронов протоном и ядрами элементов должны действовать в их экваториальной плоскости, плоскости наибольшего действия вихревого движения среды ДУХ. Это объясняет, почему заполнение оболочек во всех слоях n начинается с круговых орбиты: 1s, 2s, 3s и т.д.
Орбиты определяются электрическим полем ядра, и поэтому должны быть обязательно круговыми, экваториальными.
Но почему орбиты существуют? Почему протон, встретившись с электроном не притягивает его, а электрон при движении в электрическом поле не достигает положительно заряженного протона или ядра с многими протонами? Почему электрон перестаёт притягиваться и остаётся на боровской орбите? Этот парадокс - свидетельство невозможности образования атома водорода - в физике замалчивается.
В соответствии с законами электростатики отсутствие притяжения между положительным и отрицательным зарядами в отсутствие среды (физический вакуум) или в отсутствие её сопротивления («эфир») возможно только в случае отсутствия у одной из частиц заряда или его смене на противоположный. Физика, не знающая, что такое заряд, допустить смену зарядов не может, и потому замалчивает проблему. В среде ДУХ такая проблема отсутствует (см. 3.2).
Рассмотрим поведение электрона при образовании атома водорода, используя добротную модель электрона И. Дмитриева как вращения сферического объёма. Заряд - это определённое направление вращения: правое или левое. Приблизившись к протону, электрон оказывается в области сильного вихревого движения среды ДУХ, которое представляется вихревым вращением со скоростью света. Электрон в электрическом поле положительного заряда должен ускоряться. Но движение поверхностных точек электрона относительно среды уже соответствует скорости света и поэтому не может быть ускорено. Это не «позволят» электрическая и магнитная постоянные среды ДУХ. Приблизившись к ядру, электрон оказывается в вихревом движении среды, обусловленном зарядом ядра. В гл. 4.4 показано, что размер вихрей среды ДУХ многократно превышает размер вихрей, «схваченных» электроном (комптоновская длина волны). Поэтому для электрона их воздействие окажется хаотичным. При таком движении в потоке среды ДУХ от ядра электрон, который по нашей гипотезе - это единственная массовая элементарная частица (см. 3.2), может при вращении оказываться по отношению к ядру то «электроном», то «позитроном». Частица подвергается то силам притяжения, то отталкивания, разрывающим её. Основное условие существования частицы - однозначное соотношение между её объёмом и поверхностью, определяемое значением постоянной Планка, нарушается.
Как единственно возможное физическое объяснение возможности образования атомов, следует принять вариант, в соответствии с которым электрон, как волна, заключённая в сфере, при деформации поверхности под воздействием вихревого движения среды ДУХ может сформировать волну, заключённую в торе. Этому способствует магнитный момент электрона, который в 658,21 раз превышает магнитный момент протона. Процесс взаимодействия «облака» среды ДУХ вокруг электрона и «облака» вокруг протона можно представить как преобладание магнитного поля электрона, которое рассматривается как направленное движение среды ДУХ, над магнитным полем протона. Вращательное движение вихрей в среде ДУХ закономерно переходит в поступательное движение. Это движение среды ДУХ «уносит» электрон по круговой орбите вокруг протона и «размазывает» его по орбите. Силы магнитного взаимодействия на определённом расстоянии от ядра, которое называется боровской орбитой, преобладают над электрической силой притяжения. Как показывают нижеприведённые формулы, характеристики среды ДУХ на боровской орбите в атоме водорода однозначно связаны с характеристиками электрона, который на ней можно представить как волновой тор («электронный жгут»), сохраняющий массовые и электрические характеристики электрона.
Физические законы электрического взаимодействия препятствуют образованию атомов. Только гипотезы о единственной элементарной частице «массон = электрон+позитрон» и о превращении частицы на орбите атома в волновой тор («электронный жгут») способны объяснить рождение атомов.
Представление об электроне - массоне как организованном движении среды ДУХ и его взаимодействии со средой ДУХ превращают парадокс дуализма в закономерное явление, происходящие в электромагнитном поле ядра.
В обычных физических представлениях электрон «вращается» вокруг ядра со скоростью более 2000 км/с на орбите длиной 3,3·10 -10 м. Подобное движение, также как теоретические орбитали вероятности, не могут соответствовать реалиям в Природе. Представление о преобразовании массона в волновой тор разрешает физические противоречия и объясняет, когда и почему электрон-частица превращается в электрон-волну.
Основная гипотеза настоящей работы о единстве «ДУХ+материя» приводит к выводу, что свободный электрон должен рассматриваться не как самостоятельная субстанция, а как организованное движение среды ДУХ, как стоячая волна колебаний среды в сферической поверхности . Это «стоячая» волна колебаний, непрерывное взаимодействие которой со средой ДУХ рождает массу - меру инерции. Эти колебания на сферической границе раздела вызывают ответные колебания среды ДУХ с её характеристиками - электрической и магнитной постоянными, которые интерпретируются нами, как движение со скоростью света. Реально это колебательный процесс. Для объяснения парадокса рождения атома следует только «развернуть» шаровую волну в некий «шнур» на орбите. При этом наш электрон окажется «размазанным» в круговом пространстве в экваториальной плоскости ядра. Такой аналог электрического тока в кольцевом проводе - «электронный жгут» представляет стоячую электромагнитную волну в торе, расположенную в пространстве в экваториальной плоскости ядра, обеспечивает экранировку его заряда. Модель электронных орбиталей не способна дать такое объяснение.
Преобразование в электромагнитном поле ядра «стоячей» волны, ограниченной сферической поверхностью, в тороидальную не противоречит физическим законам. В Природе возможно образование в мощном электромагнитном поле шаровой молнии, её существование, и её распад с выделением энергии. Преобразование электромагнитной волны, каковой является электрон, из сферической формы в торообразную в вихревом движении среды ДУХ - аналогичный процесс формоизменения электрического заряда. Доказательствами в пользу гипотезы преобразования сферической волны в тороидальную может служить то, что такая форма существования электрона в атоме соответствует способу образования, форме и структуре электромагнитной волны - квантам (см. 4.4). Она объясняет стабильность атомов, их структуру и процессы образования квантов излучения при орбитальных переходах электронов. Природа ещё раз подтверждает единство принципов формирования систем!
Торообразная модель электрона на орбите вокруг ядра, соответствует природным принципам образования электромагнитных волн. Движение электрона не происходит по орбите, а эта орбита есть электрон-волна.
Это волна колебательного движения, вызванная взаимодействием со средой ДУХ подобна элементарному кругу переменного тока очень высокой частоты. Наружное вращение тора характеризуется константами среды ДУХ, а энергия, соответствующая массе покоя электрона модулирует волну внутреннего коаксиального движения, которая и определяет радиус орбиты. В этом случае понятие орбиты также требует изменения, например, «электронный жгут», «электрический пояс». Оценки физических параметров «электронного жгута» подтверждают его реальность.
Захваченный протоном электрон должен сохранить свою массу, то есть объём заключённой внутри него среды ДУХ. «Размазанный» электрон занимает боровскую орбиту в атоме водорода, радиус которой определяется константой Планка, зарядом (квадратичным) электрона, электрической и магнитной постоянными, массой «покоя» электрона:
a 0 = h 2 /(π ·μ 0 ·m e c 2 ·e 2) = ε 0 h 2 /(π · ·m e ·e 2) = 0,529177 10 -10 м.
Здесь a 0 - радиус боровской орбиты, h - постоянная Планка, m e - масса электрона, c - скорость света, e - заряд электрона, μ 0 и ε 0 - магнитная и электрические постоянные среды ДУХ.
Присутствие в уравнении электрической и магнитной постоянных среды ДУХ и характеристик электрона (квадратичный заряд и масса) - свидетельства закономерного взаимодействия «материя+ДУХ» на боровской орбите и, соответственно, её единственности. Как подтверждение того, что электрон на орбите представляет реальное волновое движение, а не полёт частицы, служат и волновые уравнения Шредингера, дающие правильные результаты, и эксперименты по рассеянию фотонов на атомах, в соответствие с которыми на связанных электронах происходит упругое рассеяние волн, причём массе электрона соответствует комптоновская длина волны λ К :
λ К = h / m e c = 2,426311·10 -12 м.
Из известных формул квантовой механики следует:
λ К = α ·2π·а 0 .
Здесь α = 1/137,036 - постоянная тонкой структуры.
Таким образом, основная орбита электрона в атоме водорода равна 137,036·λ к. Комптоновская длина волны, как показано (см. 3.2), может рассматриваться как минимально возможный «скачёк» электрона и как радиус облака ДУХ вокруг него.
Комптоновская длина волны - длина электрона-волны на орбите атома, физически обусловленная константой тонкой структуры часть боровской орбиты .
Объединив две вышеприведённые формулы, можно понять физический смысл постоянной тонкой структуры:
1/α = 2π·а 0 m e c / h
Вспомнив, что постоянная Планка соответствует энергии одного витка вихря в структуре ДУХ (см. 4.4), определим, что обратная величина постоянной тонкой структуры - это отношение импульса электрона на первой орбите вокруг протона к импульсу среды ДУХ.
Отношение импульса электрона на первой орбите вокруг протона к энергии минимального вихря в среде ДУХ (константа Планка) равно обратной величине постоянной тонкой структуры. Это закон сохранения импульса между средой ДУХ и электроном, в котором константа 1/α играет роль коэффициента передачи, аналога коэффициента полезного действия!
Также получено обоснование размера основной орбиты электрона в атоме водорода. Только на длине окружности 2π·а 0 происходит передача импульса электрона среде ДУХ и наоборот. Происходит их непрерывное взаимодействие.
В отличие от квантово-механического представления об орбиталях вероятности волновое представление электрона на боровской орбите закономерно обусловлено размером комптоновской длины волны - его минимального скачка в среде ДУХ. Эти же представления позволяют получить все параметры орбиты электрона в атоме. Рассматривая волну, расположенную на боровской орбите и ограниченную поверхностью с радиусом тора, можно оценить его, приравняв объёмы тора и электрона-частицы с известным радиусом 4,536· 10 -17 м.
Электрон на боровской орбите (a 0 = 0,529177· 10 -10 м) представляет торообразную волну - «электронный жгут» с радиусом сечения R е-тор = 1,9346 ·10 -20 м.
Превращение в поле ядра сферической частицы в «электронный жгут» приводит к резкому возрастанию поверхности взаимодействия «материя+ ДУХ». Площадь поверхности электрона-частицы S e-сфера = 2,5856 ·10 -32 м2 , а площадь поверхности «электронного жгута» S e-тор = 4,0417 ·10 -29 м2 . Поверхность непрерывного взаимодействия со средой ДУХ возросла в 1563 раза. Возрастание поверхности электрона должно свидетельствовать о резком увеличении движения среды ДУХ вдоль окружности электрона-тора. Такое движение есть магнитное поле.
Магнитный момент электрона-частицы известен: М e-сфера = 0,928477· 10 -23 А·м 2 (Дж/Тл).
Магнитный момент электрона на орбите - М определим как круговой ток I , умноженный на площадь круга S : M e-тор = I·S . Подставляя I = q e ·ν = q e · m e · c 2 / h и S = π·а 0 2 , определим ν = 1,2356· 10 20 c -1 ; I = 19,794 А. Магнитный момент электрона на орбите М e-тор = 1,7413· 10 -19 А·м 2 .
Значение магнитного момента «электронного жгута» на четыре порядка больше, чем у электрона-частицы, что свидетельствует о значительных магнитных силах, формируемых электронными орбитами. Отметим, что орбитали квантовой физики с неопределённым существованием электрона исключают возможность говорить о магнетизме в атомах и поэтом не способны объяснить, почему сохраняются эти орбитали и сам атом.
Выполненная оценка не может претендовать на точность расчёта магнитного потока в атоме вследствие неопределённости физического смысла самих понятий электрический ток и магнитный момент (см. 4.2) и возможности применения понятия ток к одному электрону. Однако, из общего понимания физического содержания магнитного поля, как направленного движения среды ДУХ, образованного взаимодействием с поверхностью электрона, становится очевидным значительное усиление магнитного поля «электронного жгута» по сравнению с электроном-частицей.
Таким образом, увеличение поверхности электрона при его включении в атом в виде «электронного жгута» приводит к формированию магнитного поля электрона на орбите - направленного и способного бесконечно сохраняться потока среды ДУХ; именно этот поток является той физической силой, которая обеспечивает удержание и существование электрона-тора на атомной орбите.
Выполненный анализ в достаточной степени объясняет дуализм электрона. Именно в поле ядра электрон представляет собой электромагнитную волну, в то время как свободные электроны, несомненно, частицы.
В противовес математическим моделям, в которых электрон в атоме оказывается не обнаруживаемым внутри облаков-орбиталей, предложенная модель «электронного жгута» с чёткими размерами и координатами является физически естественной. Под действием электромагнитных сил частица электрон, представляющая упорядоченную волну среды ДУХ, в поле ядра вынужденно «растягивается» по всей орбите, превращаясь в волну-тор, являющуюся материальным аналогом электромагнитной волны. Как показано (см. 4.4), любая электромагнитная волна, как носитель энергии, представляет из себя торообразное образование, распространяющееся со скоростью света. Совершенно аналогично, электрон в атоме должен представлять торообразное волновое движение с энергией эквивалентной массе электрона, зафиксированное на орбите вокруг ядра. В этой модели достаточно просто можно объяснить и переход электрона с орбиты более высокого уровня на нижнюю орбиту с излучением электромагнитного кванта. Торообразная волна большого радиуса при движении к ядру сжимается до радиуса нижней орбиты, и при этом движении отправляет в пространство квант-тор, соответствующий энергии разницы между энергетическими уровнями атома.
Физические расчёты могут уточнить модель перехода электрона-частицы в волну, но её суть не должна измениться. Потому что в такой гипотезе оказываются логично и математически связанными свойства массона (электрона/позитрона) и среды ДУХ. Представление о торообразной волне позволит нам объяснить формирование электронных оболочек атомов, а структура оболочек позволит лучше понять химические свойства элементов, как результат действия сил магнетизма.
Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
Китайгородский А.И. Физика для всех. Электроны . Под редакцией Главная редакция физико-математической литературы - М.: Наука, 1979. - 208 c.Скачать (прямая ссылка): fdvek3kn1979.djvu Предыдущая 1 .. 13 > .. >> Следующая
Итак, сразу же становится ясным, что атомы в основном состоят... из пустоты. Редкие-лобовые столкновения надо понимать так: внутри атома имеется положительно заряженное ядро.. Около-ядра расположены электроны. Они очень легкие и поэтому не составляют серьезного.препятствия для альфа-частицы. Электроны тормозят альфа-частицу, но столкновение с каждым отдельным электроном не может отклонить частицу от ее пути.
Резерфорд допустил, что силы взаимодействия,между одноименно заряженными ядром атома и альфа-частицей являются кулоновскими силами. Предположив далее, что масса атома сосредоточена н его ядре, он рассчитал вероятность отклонения частиц на заданный угол и получил блестящее совпадение теории с опитом.
Вот так физики и проверяют выдуманные ими модели.
Модель предсказывает результаты опыта? - Да. ,
Значит, она отображает действительность?
Ну, зачем же так резко. Модель объясняет ряд явлений - значит, она хороша. А ее уточнение - дело будущего...
Результаты опытов Резерфорда не оставляли сомнения в справедливости следующего утверждения: электроны под действием кулоновских сил движутся около ядра.
Из теории следовали и некоторые количественные оценки, которые подтвердились в дальнейшем. Размеры самых малых атомных ядер оказались равными примерно 10""13 см, в то время как размеры атома - порядка Ю-8 см. ^
Сопоставляя результаты опыта с расчетами, оказалось возможным оценить и заряды сталкивающихся ядер. Эти оценки сыграли большую, если не основную, роль в трактовке периодического закона строения элементов.
Итак, модель атома построена. Но немедленно возникает следующий вопрос. Почему электроны (отрицательно заряженные частицы) не падают на ядро (заряженное положительно)? Почему атом устойчив?
Что же тут непонятного, скажет читатель. Ведь планеты не падают на Солнце.. Сила электрического происхождения является, как и сила тяготения, центростремительной, силой и обеспечивает круговое движение электронов около ядра.
Но в том-то и дело, что аналогия между планетной системой и атомом носит лишь поверхностный характер. Как мы узнаем позже, с точки зрения общих законов электромагнитного поля атом обязан излучать электромагнитные волны. А, впрочем, можно и не знать теорию электромагнетизма. Вещество, т. е. атомы,
способно излучать свет и тепло. Раз так, то атом теряет энергию, а значит электрон должен падать на ядро.
Каков же выход из положения? Он очень «прост»: надо примириться с фактами и возвести- эти факты в ранг закона природы. Этот шаг и был сделан в 1913 г. великим физиком нашего столетия Нильсом Бором (1885-1962).
КВАНТОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
Как и все первые шаги, этот шаг был относительно робким. Мы изложим новый закон природы, который ле только спас атом Резерфорда, но и заставил нас прийти к выводу, что механика больших тел неприменима к частицам малой массы.
Природа устроена так, что ряд механических величин, таких, например, как момент импульса и как энергия, для любой системы взаимодействующих частиц не могут иметь непрерывный ряд значений. Напротив, атом, о котором у нас идет речь сейчас, или атомное ядро, о строении которого мы будем говорить позже, имеют свою, свойственную только данной системе последовательность энергетических уровней. Имеется наинизший уровень (нулевой). Энергия системы не может быть меньше этого значения. В случае атома это означает, что есть такое состояние, в котором электрон находится на некотором минимальном расстоянии от ядра.
Изменение энергии атома может происходить только скачком. Если скачок произошел «вверх»г то это значит, что атом поглотил энергию. Если скачок произошел «вниз», то атом излучил энергию.
Мы увидим позже, К?к красиво с этих позиций расшифровываются спектры излучения различных систем.
Сформулированный закон называют законом квантования энергии. Можно также говорить, что энергия имеет квантовый характер. ~
Следует отметить, что закон о квантовании носит совершенно общий характер. Он применим не только к атому, но и к любому предмету, состоящему из миллиардов атомов. Но, имея дело с большими телами, мы можем зачастую «не заметить» квантования энергии.
Дело в том, что, грубо говоря, у предмета, состоящего из миллиарда миллиардов атомов, число энергетических уровней возрастает в миллиард миллиардов раз. Энергетические уровни будут расположены столь близко друг к другу, что практически сольются. Поэтому мы не заметим дискретности возможных значений энергии. Так что та механика, которую мы излагали в первой книге, практически не изменяется, когда речь идет о больших телах.
Во второй книге мы выяснили, что передача энергии от одного тела другому может произойти в форме работы и в форме тепла. Теперь мы в состоянии объяснить, в чем различие этих двух форм передачи энергии. При механическом воздействии (скажем, при сжатии) энергетические уровни системы смещаются. Смещение это очень незначительно и обнаруживается лишь тонкими опытами и лишь если давления достаточно велики. Что же касается теплового действия, то оно состоит в переводе системы с более низкого уровня энергии на более высокий (нагрев) или с высокого на более низкий (охлаждение).