Navigation




От атома до ядра

2011-12-25, Естествознание , Сергей Семиков

,

Считается, что химические свойства атомов, характер движения и размещения в них электронов никак не связаны со строением атомных ядер. А между тем многое говорит о наличии такой связи, которая, противореча квантовой физике, замалчивается. Лишь классическая модель атома вскрывает эту связь. Речь, конечно, не о планетарной модели атома Резерфорда, заведшей в тупик, а о куда менее известной классической магнитной модели атома, предложенной Вальтером Ритцем в 1908 г. Согласно Ритцу именно пространственная структура ядра является тем программным центром, который управляет жизнью атома и поведением в нём электронов, подобно тому как жизнь биологической клетки задана строением клеточного ядра и ДНК. В магнитной модели ядро управляет полётом электронов посредством магнитных, а не электрических сил. Это естественно: в природе и технике круговое движение электронов создаёт именно магнитная сила и лишь она объясняет стабильность атома.

Будь движение электронов, как в планетарной модели, вызвано силой Кулона, они неслись бы по орбитам со скоростями порядка скорости света C и мигом бы (за 10–10 с) падали на ядро, растратив энергию на излучение. Магнитные силы меньше электрических и позволяют электронам кружиться гораздо медленней и медленней терять энергию. В магнитной модели энергия электрона на орбите MV2/2=hf, где h – постоянная Планка, а f – частота обращения электрона. Сократив на MV/2, найдём V=2hf/MV=hMr, где r – радиус орбиты электрона. Если r порядка радиуса атома (10–10 м), то V=2300 км/с. Эта скорость, обычная для электронов в лучевых трубках и лампах, на два порядка меньше C. Тогда ускорение V2/r меньше уже на четыре порядка, радиационное торможение мало, и атом живёт долго.

Ядро такого атома мы изображали в виде двух цепочек из чередующихся электронов и позитронов (так и основа клеточного ядра – двойная цепочка ДНК из чередующихся нуклеотидов). Однако считают, что электроны и позитроны при контакте исчезают – аннигилируют с выделением энергии. Ведь после не находят ни электронов, ни позитронов. Здесь снова игнорируют аналогию химии и ядерной физики. Взять, к примеру, взрыв бомбы: горючее и окислитель соединяются, резко выделяя энергию. После взрыва не видно ни горючего, ни окислителя. Но разве они исчезли, обратившись в энергию? Атомы окислителя лишь соединились с атомами горючего, образовав невидимый газ, расширившийся взрывом. Так и при контакте позитрона с электроном частицы не исчезают, а, слившись в пару не имеющую заряда, перестают регистрироваться приборами. Из таких сочетаний электронов и позитронов образованы протон, нейтрон и другие "элементарные" частицы. Кстати, по квантовой механике электрон и позитрон могли б образовать позитроний, аналогичный атому водорода. Но на деле позитроний, в отличие от атомов, нестабилен: кружащиеся частицы сливаются за 10–10 с, растратив энергию, чем доказывают порочность планетарной модели (даже квантовой). Ведь позитрон, играя роль ядра, не имеет его структуры и сложного магнитного поля.

Рассмотрим ядро атома водорода. С одной стороны, это крестовина из двух цепочек электронов и позитронов, а с другой – протон, который мы конструировали из электронов и позитронов, уложенных плоскими слоями в форме куба, вроде кристалла поваренной соли, тоже сложенного из чередующихся заряженных частиц. Поэтому логичней и ядро водорода представить в виде куба или параллелепипеда, скажем, в виде двойного квадратного слоя частиц (рис.1). Раз протон имеет вес 1836 электронов, то его можно приближённо представить как параллелепипед размерами 2х30х30 частиц, или, для точности, 2х27х34=1836.

Структура протона

В каждом из слоёв магнитные моменты частиц ориентируются вдоль диагонали слоя, минимизируя энергию взаимодействия. В верхнем и нижнем слое моменты направлены противоположно (рис. 2.а), образуя структуру магнитного поля как у крестовины. В этом легко убедиться, представив систему набором магнитных диполей: в эквивалентной схеме (рис. 1, 2) только края квадратов создают магнитные поля (они перпендикулярны плоскости слоя и смотрят вверх и вниз). Электроны и позитроны расположены в шахматном порядке. В атоме водорода электрон прилипает к этой "магнитной шахматной доске", располагаясь точно над позитронами, а при малых колебаниях в магнитном поле ядра излучает свет. Как в крестовом атоме, частота f колебаний и излучения электрона принимает дискретный ряд значений f=RC(1/n2–1/m2), где n и m – целые координаты узла, в котором сидит электрон (рис.1).

Структура протона

Можно представить протон и в виде однослойного квадрата частиц. Складываясь вдоль диагонали пополам, он образует двойной треугольный слой со структурой поля крестовины и тем же спектром частот. Этот парный треугольник может быть и прямоугольным и равносторонним, тоже дающим водородный спектр (рис. 2). Кроме водородного модель позволяет рассчитать и другие атомы. Рассмотрим атом с номером Z – содержащим Z протонов. Квадраты протонов могут, как в сэндвиче, склеиться слоями, если над позитронами одного слоя окажутся электроны другого. Их притяжение и даёт те ядерные силы, что противостоят отталкиванию протонов и быстро (по экспоненте) спадают с удалением. Когда такая "стопка" протонов сложится вдоль диагонали пополам, получится слоёный уголок. В его верхней и нижней части магнитные моменты смотрят в разные стороны вдоль линии сгиба (рис. 3).

Склеивание протонов

Здесь магнитный момент единицы длины a окажется уже не μ, а μZ2: он найдётся как сумма магнитных моментов отдельных магнитных диполей, образующих арифметическую прогрессию 1μ+ 3μ+ 5μ+...+(2Z–1)μ=μZ2. Соответственно магнитное поле и частота колебаний в нём электрона вырастет пропорционально Z2: f=RZ2C(1/n2–1/m2). И точно, у водородоподобных атомов He+, Li2+, Be3+, B4+, C5+, лишённых всех электронов кроме одного, спектры описываются этой формулой, дающей спектр водорода с увеличенным в Z2 раз масштабом. Других электронов быть не должно, поскольку своим полем они б исказили движение электрона, генерирующего спектр. Но у атомов с большим Z магнитное поле столь велико, что вносимые электронами искажения оказываются незначительны. Поэтому для спектра излучения электронов, крутящихся в столь сильных полях с огромной частотой и генерирующих рентгеновское излучение, справедлив закон Мозли f=R(Z–b)2C(1/n2–1/m2), отличающийся от найденного лишь малой поправкой b, вызванной влиянием остальных электронов.

Как же расположены все эти электроны в атоме? Оказывается, строение и заполнение электронных слоёв определяется строением ядра – не одним его зарядом, как в квантовой физике, а именно структурой. Она же задаёт периодичность свойств элементов. Напомним, что числа элементов в периодах таблицы Менделеева образуют следующий ряд: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Это удвоенные квадраты целых чисел: 2=2·12, 8=2·22, 18=2·32, 32=2·42. Ещё до теории атома Бора многие учёные – Томсон, Льюис, Ленгмюр – поняли, что периоды связаны с последовательным заполнением электронами неких слоёв, уровней, оболочек в атоме: в первом слое 2 места, во втором – 8 и т.д. Когда электроны полностью займут один слой, уровень, начинает заполняться следующий, открывая новый период. В конце периодов, у инертных газов, слои заполнены целиком и крепко связывают электроны, отсюда инертность.

Но по квантовой механике ёмкости оболочек для периодов с 1-го по 7-й иные: 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98, что не соответствует числу элементов в периодах. Поэтому даже к концу периода оболочки остаются не заполнены, утрачивая свой смысл, ибо заполняются непоследовательно. Да и сама идея оболочек, способа их заполнения выглядит в квантовой механике весьма натянуто. Поэтому обратимся к забытым идеям Джильберта Льюиса. Как и Ритц, он считал причиной атомных спектров способность электрона занимать в атоме различные равновесные положения со своими частотами колебаний, а оболочки и число электронов в них связывал с наличием у атома определённой пространственной структуры – некоего правильного геометрического объёма, послойно заполняемого электронами, занимающими при переходе к новым периодам новые уровни. Ядро и задаёт эту пространственную структуру. Осталось найти тело, дающее нужную конфигурацию слоёв и числа электронов в них.

Бипирамидальная модель ядра

Легко видеть, что этим телом должна быть бипирамида – две четырёхгранных пирамиды, вроде пирамид Хеопса, соединённых вершинами (рис. 4). Эти пирамиды послойно от вершины заполняются электронами, как блоками реальных пирамид. Уже то, что числа электронов в слоях – это удвоенные квадраты чисел 1, 2, 3, 4, должно говорить о том, что и слои имеют форму постепенно растущих квадратов – последовательных сечений пирамиды. Ну а то, что слои дублируются, означает, что пирамид этих две. Они имеют общую вершину – слой с числом мест равным 2, потому он и не дублируется. Интересно, что к подобной бипирамидальной форме ядра пришёл и В. Мантуров, но уже из соображений ядерной физики.

Схема электронных слоев

Электроны в слоях должны, во избежание отталкивания, перемежаться расположенными в шахматном порядке позитронами – теми самыми, которые, будучи в протонах избыточными, придают положительный заряд ядру. Тогда в каждом слое будет поровну электронов и позитронов, а всего частиц: 2k2+2k2=(2k)2. Итак, любой слой – это квадрат со стороной в 2k частиц. В крайних слоях, как на шахматной доске, 64 места: 32 чёрных клетки – для электронов и 32 белых – для позитронов (рис. 5). Слои уложены один над другим так, что над позитронами лежат электроны и наоборот (рис.6): чередование зарядов как в ионных кристаллах той же соли NaCl. Легко понять, как задаётся эта структура слоёв. Ядро атома должно представлять собой два пирамидальных раструба, вроде рупорных антенн, соединённых вместе. В этих рупорах, как в кульках, и уложены слоями электроны вперемежку с позитронами.

Заполненные слои в ядрах инертных газов

В месте соединения рупоры имеют сквозное отверстие, по типу песочных часов. Через него, как песчинки, проходят электроны (рис.4). Там же расположен общий для пирамидок слой из двух позитронов и двух электронов. Раструбы и будут ядром – той структурой, что задаёт все свойства атома. Стенки раструбов (грани пирамид) образованы всё тем же строительным ядерным материалом – позитронами и электронами – и представляют собой протоны и нейтроны, имеющие вид плоских слоёв и правильную форму (рис. 7). А протоны в форме прямых уголков могут входить в ядро в качестве перегородок, делящих пирамидальные полости пополам. В узлах на гранях пирамид и размещаются электроны, генерирующие спектр. Энергия возбуждения атомов идёт на придание электрону колебаний и на вырывание его из слоя. Может удивить, как возникают столь сложные и правильные формы ядер. Но здесь не больше странного, чем в идеально правильной форме снежинок, в точном подобии и симметрии кристаллов – причина в упорядоченном выстраивании частиц. Ещё Ритц говорил, что нельзя понять атомные законы, иначе как допустив у атома и ядра сложную пространственную структуру, напоминающую, пожалуй, структуру сложных органических молекул.

Грани и перегородки бипирамидального ядра

Бипирамидальная модель ядра объясняет связь MV2/2=hf скорости V и частоты f обращения электрона в атоме. Магнитный момент, как нашли, проявляется лишь на краях, рёбрах структур. Поэтому рёбра бипирамиды аналогичны магнитным стержням, и при ориентации как на рис.8, их магнитное поле в плоскости орбиты с центром в вершине O пирамид будет перпендикулярно плоскости и равно B0μ/πar2. На электрон, летящий по орбите радиуса r с центром O, действует сила Лоренца F=eVB=e2fμ0μ/ar (с учётом значений B и V=2πrf), направленная в O и равная MV2/r. Откуда MV2/2=feμ0μ/a, где eμ0μ/a=h. Именно эти электроны, запертые в магнитной ловушке атома, вылетают из него при облучении светом частоты f. Это объясняет фотоэффект, эффект Комптона и планковский закон излучения. Итак, в атоме три типа электронов: одни сидят на гранях ядра и генерируют спектр, другие уложены слоями в раструбах ядра, задавая химические свойства, а третьи, как на катушку, наматывают на ядро витки орбиты. Электроны легко переходят между этими тремя состояниями.

Движение электрона в магнитном поле

Даёт модель и такие свойства, которые не объяснила даже квантовая теория. Рассмотрим заполнение слоёв и связанные с этим физико-химические свойства. В первом периоде всё просто: в атоме водорода электрон занимает в слое №1 одно из двух мест и потому атом может отдать электрон, либо принять на вакантное место чужой, проявляя валентности +I и –I. Гелий, в котором весь слой заполнен двумя электронами, не может ни отдать их, ни поглотить новые. То же во 2-м и 3-м периоде: электроны заполняют второй и третий слой, имеющие по 8 мест, а атомы проявляют соответствующие числу электронов в слое валентности.

В последующих – 4-м и 5-м периодах важен уже порядок заполнения слоя. Сперва электроны заполняют слой по периметру, где они удерживаются крепче. Таких крайних мест всего 10, соответственно и элементов этого типа в периодах по 10 - с калия по никель и с рубидия по палладий. Когда периметр заполнен, прочно связанные в нём электроны уже не способны отрываться (рис.9). Поэтому с началом заполнения середины слоя отсчёт групп и валентностей начинается заново, подобно тому как это происходит во 2-м и 3-м периодах.

Лантаноиды и актиноиды в таблице Менделеева

В 6-м и 7-м периодах возникают группы лантаноидов (La–Lu) и актиноидов (Ac–Lr), содержащие по 15 химически подобных элементов с валентностью +III, разом помещаемых в IIIБ группу своего периода. Такое число элементов есть следствие того, что электроны из периметра слоя крепко связаны и мало влияют на свойства атома. А потому элементы, у которых идёт заполнение 14-ти мест этого периметра химически подобны. После того, как периметр заполнен, дальнейшее заполнение слоя идёт так же, как у слоёв 4-го и 5-го периодов.

В лице лантаноидов и актиноидов квантовая физика имеет массу нерешённых проблем. Так, известно, что элементы эти способны проявлять помимо валентности +III и другие, совершенно необъяснимые. А с позиций пирамидальной модели они естественны: электроны периметра, хоть и с трудом, всё же могут отрываться, тогда атом проявляет соответствующие степени окисления. Кроме того, если полость каждой пирамиды разделена перегородкой пополам (рис.7), и периметр заполняется сперва в одной полости, а затем в другой, то электроны периметра можно разбить на две равных группы по 7 электронов в каждой. Соответственно элементы образуют две группы, расположенные одна под другой в таблице Менделеева (рис.9). Именно такую форму придал некогда таблице Менделеева его друг – чешский химик Браунер. Его таблица сразу объясняет, как элементы Ce и Tb могут иметь валентность (+IV), а Eu и Yb – валентность (+II): они просто попадают в 4-ю и 2-ю группы. Элементы же La, Gd и Lu, стоящие в третьей группе, проявляют всегда только валентность +III.

Другое важное свойство этой формы таблицы в том, что она позволяет выделить элементы с ферромагнитными свойствами. Если рассмотрим элементы второй строки 6-го периода – Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, то увидим, что или они сами, или их соединения – сильные ферромагнетики. Такое подразделение сразу позволяет выявить выделенные элементы с ферромагнитными свойствами и в других чётных периодах таблицы. Так, во втором периоде периметр слоя содержит 6 электронов. Разделяя их и соответствующие элементы на две равных группы и беря элементы из второй – C, N, O, найдём, что именно их соединения обладают ферромагнитными свойствами. То же и в четвёртом периоде, где периметр слоя содержит 10 электронов, вторая половина соответствующих элементов – Cr, Mn, Fe, Co, Ni (рис. 9) – сами, либо в соединениях – яркие ферромагнетики. Итак, пирамидальная модель сразу выделяет те редкие элементы, что наделены ферромагнитными свойствами. По сути, это атомы, в которых идёт заполнение мест возле граней правого отсека нижней пирамиды (рис.7).

То же, что у лантаноидов построение таблицы применимо и к 7-му периоду с актиноидами (рис. 9). Таблица и пирамидальная модель атома снова объясняют, почему многие актиноиды проявляют вместо 3-й нетипичные для себя валентности: Md – (+I); No – (+II); Th, Bk – (+IV); Pa – (+V); U – (+VI); Np – (+VII), чего не может объяснить квантовая физика.

Наконец, рассмотрим связь химических и ядерных свойств. Так, ядерные свойства элементов тоже имеют некую периодичность, которая часто повторяет периодичность химических свойств. Это видно из распространённости элементов, числа их изотопов, значений атомных масс. Скачки этих характеристик обычны на границах периодов. Не зря выбиваются из общей последовательности элементы VIIIA группы – инертные газы He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn (рис. 6) – хотя бы по резким скачкам масс у них. Рекорд принадлежит радону со скачком аж на 12 единиц. Особенно интересен феномен элементов VIIБ группы – почти все они либо не встречаются в природе, либо имеют ничтожную распространённость. Этот закон, открытый ещё в 1924 г. В. Прандтлем и А. Гриммом, был забыт, как и всё противоречащее квантовой теории. В самом деле, из пяти элементов группы VIIБ (по Браунеру) – Mn, Tc, Re, Pm и Np – распространён только марганец, рений же крайне редок (это самый дорогой металл), а все прочие элементы, будучи нестабильны, в природе не встречаются и их получают искусственно. Ещё пример дают нестабильные нечётно-нечётные ядра. В природе можно встретить лишь 4 таких ядра: 40K, 50V, 138La, 176Lu. Но ведь La и Lu – это крайние элементы ряда лантаноидов, а K и V – крайние элементы полупериметра 4-го слоя (рис. 9). Всё это доказывает тесную связь строения ядра и электронных слоёв в атоме. Выходит, таблица Менделеева отражает взаимосвязь не только физико-химических, но и ядерных свойств элементов.

Бипирамидальная кристаллическая модель позволит не только наглядно и классически истолковать все свойства атомов и ядер, глубже понять суть таблицы Менделеева, но и открыть новые закономерности и свойства элементов, найти новые соединения с заданными свойствами, включая ферромагнитные сплавы, полупроводниковые материалы, высокотемпературные сверхпроводники. Квантовая же теория объясняет лишь уже известные свойства, да и то ограниченно. В своём стремлении спасти ошибочную планетарную модель атома творцы квантовой физики, во главе с Бором, предпочли уничтожить механику, нежели отказаться от своего идола. А идеи Ритца, Льюиса, Лэнгмюра, Циолковского, которые пытались построить альтернативную модель атома в рамках классической механики, были отвергнуты и забыты. В итоге вот уже век наука не имеет ясных представлений о структуре атома и ядра.

Сергей Семиков. От атома до ядра.

Другие статьи на подобные темы:
Электричество без проводов
Частная теория относительности
ТО и психология Иосифа Гольдфаина
Поперечный эффект Допплера
Физический смысл преобразований СТО


Теория происхождения культурных растений

2016-10-15, Естествознание, Светлана Аксенова,

Основоположник российской селекции Николай Иванович Вавилов родился в 1887 г. в Москве. С юных лет его интересовала окружающая природа. Ещё будучи студентом Московского сельскохозяйственного института, он занимался проблемой иммунологии растений. Впоследствии Н.И. Вавилов много путешествовал, собирая коллекции различных культурных растений и общаясь с видными учеными Англии, Франции, Германии. Неоднократно он ездил с научной целью в Азию — Иран, Бухару, Афганистан, бывал на Кавказе. На основе собранных коллекций семян и гербариев Н.И. Вавилов готовил серьезный обобщающий труд по селекции и генетике растений.

Подробно


Биоценоз и экосистема

2016-04-21, Естествознание, А.В. Ганжина,

На основе биотических взаимоотношений создаются сообщества растительных и животных организмов — биоценозы.

Подробно


Теория отражения

2016-04-07, Естествознание, Константин Платонов,

Любой живой организм беспрерывно взаимодействует с окружающей средой, в результате чего происходит его развитие.

Подробно


Структура периодической таблицы химических элементов

2016-03-13, Естествознание, Н. Ахметов,

Химию можно определить как науку, изучающую вещества и процессы их превращения, сопровождающиеся изменением состава и строения. В химическом процессе происходит перегруппировка атомов, разрыв химических связей в исходных веществах и образование химических связей в продуктах реакции. В результате химических реакций происходит превращение химической энергии в теплоту, свет и пр.

Подробно


Периодическая система химических элементов

2016-04-01, Естествознание, Светлана Аксенова,

Дмитрий Иванович Менделеев родился в г. Тобольске 8 февраля 1834 г. Окончив в 1855 г. Главный педагогический институт в Петербурге, он служил учителем гимназии в г. Одессе. В 1857 г. Менделеев вернулся в столицу, а с 1865 г. получил профессорскую должность в Петербургском университете.

Подробно


Точка зрения администрации сайта может не совпадать с мнением авторов.
2010-2017 © Анидор
Любое использование материалов сайта, полностью или частично, разрешается только с согласия правообладателя.
Если Вы обнаружили опечатку или неработающую ссылку, просьба сообщить администрации сайта.