(5)

Следовательно, размер нуклона (из 3 кварков) имеет порядок ~10^-15 м, что соответствует экспериментальным данным, полученным по среднеквадратичному распределению заряда и магнитного момента [9] ~0,8∙10^-15 м.

Известна также эмпирическая формула для расчета радиуса ядра в зависимости от числа входящих в него нуклонов А [10]:

(6)

Эта формула также подтверждает правильность оценки (5), но, кроме того, недвусмысленно указывает на то, что не только кварки в нуклонах “упакованы бок обок”, но и сами нуклоны располагаются в ядре атома вплотную друг к другу! Это очень важно для понимания строения ядер.

Остановимся подробнее на свойствах составных частиц – протонов и нейтронов. Это объединение кварков (в тройки) происходило в далекие времена “горячей Вселенной” - значительно раньше того периода, когда уже сами протоны и нейтроны начали объединяться в ядра атомов.

Близкое расположение кварков друг к другу в составе нуклонов привело к их сильному взаимному влиянию. Именно тогда в “горячей Вселенной” возникла удивительная асимметрия строения вещества.

Находящиеся вплотную друг к другу солитоны интенсивно взаимодействуют подобно сильно связанным колебательным системам. Поэтому, помимо основных одиночных волн, в структурах кварков имеются дополнительные “наведенные” волны относительно малых амплитуд.

Вполне предсказуемо и то, что дополнительные малые волны (подобие гипотетических “глюонов”) изменяют и массу, и заряд, и магнитный момент “троек” основных солитонов, входящих в состав нуклонов.

Действительно, основные солитоны в составе нуклонов (рис. 3) располагаются таким образом, чтобы их взаимная энергия была минимальной (положительные и отрицательные кварки с противоположными направлениями магнитных моментов чередуются). Поэтому суммарный заряд и магнитный момент протона должны были бы быть равны некомпенсированному заряду и магнитному моменту одного положительного солитона (q=+e, P=3μ_яд). Соответственно нейтрон должен был бы иметь заряд и магнитный момент одного “некомпенсированного” отрицательного солитона (q=-e, P=-3μ_яд).

Заметим, что подобно магнетону Бора (4) магнитные моменты нуклонов нужно было бы измерять не в “ядерных магнетонах”, а в “магнетонах кварка”, так как кварк почти в 3 раза легче нуклона и поэтому его магнитный момент в 3 раза больше ядерного магнетона μ_яд=eћ/2m_p. Здесь m_p - масса протона.

Малые волны в составе нуклонов в меньшей степени сказались на параметрах протона (q=+e, P=2,793μ_яд) и в большей – на параметрах нейтрона (q=0, P=-1,913μ_яд). Оказалось, что совокупность малых “наведенных” волн в составе протона в целом имеет нулевой заряд и влияет только на массу и магнитный момент. В то же время, совокупность малых волн в составе нейтрона компенсировала отрицательный суммарный заряд основных солитонов и уменьшила почти на единицу отрицательную величину магнитного момента.

Но это не означает, что амплитуды или количество малых волн в протоне меньше, чем в нейтроне. Совокупности малых волн и в протоне, и в нейтроне являются результатом установления равновесия.

В “колебательных системах” элементарных частиц отсутствуют потери, а поэтому амплитуды полей в их структурах определяются только условиями равновесного обмена энергией с окружающим миром.

Вследствие этого совокупности малых волн в составе нуклонов выступают как полноценная дополнительная “единица”.

Таким образом, странное название “кварк” обозначает обычную одиночную волну (подобную электрону или позитрону), но вынужденную вращаться в “компании” меньших по амплитуде, но таких же по природе волн.

В этом заключается секрет “изотопического спина” нуклонов! Протон и нейтрон имеют разные конфигурации “комплектов” малых волн.

Подробнее влияние малых волн в составе нуклонов на характеристики протонов и нейтронов рассмотрено в [7]. Для нас же с точки зрения частотного подхода к анализу свойств вещества здесь важно отметить, что наложение полей малых волн на волны основных солитонов существенным образом сказалось на энергии - массах нуклонов.

Поэтому магнитные моменты в среднем на 6% оказались меньше соответствующих целочисленных значений в μ_яд (2,793 вместо 3 – для протона и 1,913 вместо 2 – для нейтрона). То есть, произошло увеличение эффективной массы и соответствующее уменьшение радиусов кварков (4), (5).

Эффективная масса кварков составляет около 332 МэВ, что превышает на упомянутые 6% одну треть “реальной” массы нуклонов (около 313 МэВ).

Исходя из усредненной эффективной массы кварков m_ke≈332 МэВ, мы можем, аналогично (1), определить ориентировочное значение “наиболее мощной” частоты колебаний в микромире, создаваемой нуклонами, – Главную частоту Вселенной (ГЧВ):

(7)

ГЧВ является наиважнейшей характеристикой Природы. Это результат глобального процесса установления всеобщего равновесия. Неисчислимое количество народившихся солитонов “молодой” Вселенной с течением времени пришли к равновесному состоянию – равновесной частоте, определяющей существующую ныне картину микро- и макромира, - 1,60∙10²³ Гц.

С другой стороны, “дефицит массы” протонов и нейтронов (в сравнении с эффективной массой) составляет огромную величину порядка 56-58 МэВ. Это и есть энергия “сильного” взаимодействия кварков внутри нуклонов.

Она в несколько раз превышает удельную энергию связи нуклонов между собой в составе ядер, которая даже в самых прочных ядрах составляет относительно небольшую величину порядка 8 МэВ [9].

Это соотношение определило последовательность формирования вещества в процессе развития Вселенной. Сначала “с помощью” малых волн из солитонов сформировались протоны и нейтроны, что сопровождалось огромным выбросом энергии, и только после этого этапа стало возможным образование ядер из нуклонов со значительно меньшим объемом выделявшейся энергии.

В нуклонах между кварками действует сильное взаимодействие за счет дополнительных малых волн (наподобие гипотетических “глюонов”). Это выражается в огромном дефиците массы нуклонов порядка 56-58 МэВ.

В то же время удельная энергия связи, приходящаяся на один нуклон в составе ядер (порядка 8 МэВ) говорит об электромагнитном характере взаимодействия между нуклонами.

Чтобы не быть голословными, определим порядок величины энергии электростатического взаимодействия двух одинаковых “стандартных” солитонов, располагающихся вплотную друг к другу (то есть, расстояние между их центрами полагается равным диаметру солитонов (2)).

(8)

Таким образом, в общем случае энергия электромагнитного взаимодействия солитонов, находящихся вплотную друг к другу, имеет порядок величины произведения постоянной тонкой структуры и энергии массы покоя взаимодействующих частиц. То есть, для нуклонов в составе ядер это будет величина как раз порядка 8 МэВ.

Электромагнитный характер взаимодействия нуклонов в составе ядер дает ответ и на вопрос о причинах более высокой прочности ядер с четным количеством нуклонов (и равным так называемым “магическим” числам). В составе ядер существуют своеобразные кластеры – подгруппы нуклонов в виде структурных элементов, обладающих повышенной прочностью.

Учитывая чередование положительных и отрицательных кварков, как в составе нуклонов, так и в составе ядер, структура “ядерного вещества” напоминает ионный кристалл. Этой особенностью строения определяется быстрое уменьшение “ядерных” сил с расстоянием (при делении ядер на части).

Конфигурации ядер атомов весьма многообразны и интересны. Но эта тема должна быть предметом отдельного исследования (в том числе, вопрос о соотношении количества протонов и количества нейтронов в ядрах атомов).

Важно только иметь в виду, что по мере увеличения размеров этого подобия кристалла, решающим фактором становится накопление некомпенсированного положительного заряда протонов, что увеличивает расталкивающие силы и делает большие ядра менее прочными.

Сотни искусственно получаемых частиц (на ускорителях) не имеют никакого отношения к “тайнам” окружающего нас мира. Это короткоживущие объекты, подобные частицам, генерируемым мощными космическими лучами в верхних слоях атмосферы.

Они представляют некоторый интерес только с точки зрения изучения возможных короткоживущих конфигураций из солитонов. При этом, чем больше энергия этих частиц, тем больше их частота и меньше размеры. Соответственно они все слабее взаимодействуют с реальным веществом, так как их частоты все сильнее отличаются от доминирующих частот микромира.

Следовательно, открываемые таким образом короткоживущие солитоны никак не могут быть встроенными в окружающую нас реальность, а уж, тем более, “наделять” частицы вещества массой (массивный бозон Хиггса).

Поэтому очень комично смотрятся всякого рода “размышления над глубинами тайн” материи, открывающимися в результате экспериментов на все более мощных ускорителях.

Получаемые на ускорителях новые частицы на самом деле являются в значительной степени следствием воздействия на эти эксперименты Главной частоты Вселенной и других мощных гармонических составляющих колебаний, которыми буквально наполнен окружающий мир.

Ряд масс искусственно создаваемых элементарных частиц подтверждает наличие доминирующих частот колебаний в микромире. Искусственные частицы взаимодействуют с мощными колебаниями микромира на кратных и соизмеримых частотах.

Многие искусственно создаваемые частицы имеют в своем составе (подобно протону и нейтрону) дополнительные малые волны, что нарушает соответствие масс частиц реальным частотам. Из-за этих “сдвигов” ряд масс элементарных частиц кажется бессистемным.

Но есть частицы, которые “напрямую” подтверждают существование доминирующих частот в микромире и указывают на частотный (резонансный) характер взаимодействий между частицами [10].

В частности, давно известны “странные” совпадения в мире элементарных частиц. Например, масса Ω^- (1672 МэВ) ровно в 1,5 раза превышает массу Λ^о (1115 МэВ). А масса D-мезонов практически совпадает с удвоенной массой протона. Более подробные сведения о частотах и ряде масс элементарных частиц можно посмотреть в [7, 8].

Впрочем, эти эксперименты дают пищу для размышлений другого рода.

Вселенная, действительно, могла бы иметь иные равновесные состояния. “Самая элементарная” частица – электрон “повторяется” на самых разных энергетических уровнях. Так называемый мюон является, как и электрон, обычным солитоном, но только почти в 200 раз массивнее и во столько же раз меньше по размерам, чем электрон. Что же касается “тау”, то этот аналог электрона имеет колоссальную массу, равную почти удвоенной массе протона.

С точки зрения частотного подхода к анализу природы элементарных частиц образование “аналогов” электрона не несет в себе ничего таинственного. Эти короткоживущие частицы взаимодействуют с гармоническими составляющими колебаний микромира: мюон имеет частоту, равную 1/3 от Главной частоты Вселенной, а частота тау в 6 раз превышает ГЧВ (332 МэВ). Незначительные отклонения реальных масс от указанных значений связаны с воздействием соответствующих нейтрино (мюонного и таонного) [7].

Естественно, использование вместо частоты ее эквивалента в виде энергии массы покоя является очень удобным, и поэтому чаще всего нами применяется.

Заметим также, что в рамках данной статьи мы не рассматриваем вопросы, связанные с нейтрино, а ссылаемся на работу [7], чтобы не утяжелять изложение.

Таким образом, ряд масс элементарных частиц формируется под влиянием мощных колебаний, определяющих “облик” микромира. С другой стороны, эксперименты по получению искусственных элементарных частиц дают весомые аргументы в пользу изложенной модели солитонного строения вещества и подтверждают правильность полученной величины важнейшего параметра микромира: ГЧВ (332 МэВ) – эффективной массы кварков в составе нуклонов.

Почему при формировании ряда масс элементарных частиц такое значение имеют кратные и соизмеримые частоты взаимодействия?

На самом деле взаимодействие происходит на одной общей частоте!

Но для каждой из взаимодействующих частиц эта общая частота является одной из многочисленных гармонических составляющих, производных от ее основной частоты – частоты вращения одиночной волны. Например, если для одной из взаимодействующих частиц эта частота взаимодействия совпадает с n – ой гармоникой ее основной частоты (вращения), а для другой та же частота совпадает с m – ой гармоникой ее основной частоты, то основные частоты этих двух взаимодействующих частиц являются соизмеримыми:

(9)

Отдельно следует упомянуть одну странную особенность описания фундаментальных взаимодействий, которая сложилась в физике в результате чрезмерного “увлечения” экспериментами на ускорителях. Формулирование видов взаимодействий оказалось “приспособленным” для описания различного рода превращений частиц друг в друга.

В качестве примера можно взять описание так называемого слабого взаимодействия. Считается, что в процессах взаимного превращения частиц возникают “переносчики” этого взаимодействия в виде “промежуточных бозонов”. Эти промежуточные частицы обеспечивают, таким образом, трансформацию одних видов частиц в другие частицы [5].

Но такая трактовка взаимодействия в виде “проводника” для процесса превращения одних частиц в другие частицы является слишком ограниченной. Дело в том, что в природе все виды взаимодействий присутствуют постоянно!

Мы убедились в этом, когда рассматривали электромагнитное и сильное взаимодействия между солитонами. Далее мы увидим, что все виды взаимодействий являются “постоянно действующими”.

На первый взгляд электрон никак не может “вписаться” в развиваемую нами концепцию частотного характера взаимосвязей в микромире.

Масса и частота электрона почти в 600 раз меньше усредненной эффективной массы кварков и соответствующей частоты (ГЧВ), “господствующей” в микромире. При таком соотношении частот трудно ожидать наличия какого-то резонансного взаимодействия между этими частицами.

Но здесь на помощь приходит “слабое взаимодействие”!

Протон и нейтрон, небезосновательно объединяемые одним названием – нуклоны, имеют, тем не менее, разный кварковый состав и незначительную разницу в массе покоя. Этими различиями и определяется характер связи нуклонов с электронами.

Прямым указанием на эту связь являются процессы взаимного превращения друг в друга протонов и нейтронов с “участием” электронов (позитронов). Кроме того, разница масс нейтрона и протона имеет порядок величины массы электрона. Более того, присмотревшись еще внимательнее, мы заметим, что эта разница с точностью в 1% равна 2,5 массам электрона [7]. Это небольшое отклонение в 1%, как в случаях мюона и тау, связано с нейтрино.

Таким образом, взаимодействие нуклонов с электронами происходит не “напрямую”, а опосредованно – через разностную частоту “кварков”, входящих в состав нуклонов. Именно поэтому эта связь является по-настоящему слабой!

Слабое взаимодействие, как видим, также “действует постоянно”! Электроны находятся в постоянном “общении” с разностной частотой “кварков”.

Значение слабого взаимодействия для формирования облика Вселенной оказалось поистине решающим. Оно “произвело на свет” эту легкую, слабо связанную с нуклонами, а потому очень подвижную и относительно “самостоятельную” частицу. Электрон - самая легкая заряженная частица, тем не менее, играет главенствующую роль в формировании структуры и свойств атомов. Он же благодаря своей легкости и подвижности определяет характер большинства электромагнитных явлений в природе.

Могут ли быть “переносчиками” слабого взаимодействия такие массивные частицы как “промежуточные бозоны”? Видимо, в процессах взаимного превращения частиц промежуточные частицы действительно могут образовываться. Но постоянно действующая связь между электронами и нуклонами поддерживается на частотном резонансном принципе.

В целом, для физика должно быть очевидным, что фундаментальные взаимодействия невозможно свести к обмену частицами. Дело в том, что обмен частицами может породить только силы отталкивания!

Существование сил притяжения в природе является самым коротким, весомым и наглядным доказательством существования эфира. Силы притяжения между частицами могут возникнуть только в результате действия полей, то есть, через насыщение эфира (среды) энергией.

Энергия не может быть “подвешенной” в пустоте, также как электромагнитные волны (свет) не могут распространяться в пустоте. Так считал основатель электромагнитной теории – Максвелл, который предложил, кроме того, весьма наглядную и эффективную модель эфира, позволяющую моделировать электромагнитные явления [11, 12].

Вот, например, как был проиллюстрирован закон Кулона методом расчета энергии среды (эфира) вокруг взаимодействующих зарядов q₁ и q₂. В модели Максвелла энергия электростатического поля – это энергия деформации среды (эфира), а удельная величина деформации соответствует электрическому смещению D. Поэтому общая энергия распределена в пространстве:

(9)

После интегрирования по частям этот интеграл приобретает вид:

(10)

Интегрирование ведется по всему пространству. На бесконечном удалении потенциал φ исчезающе мал, поэтому первые три слагаемых в (10) равны нулю. Естественно, подынтегральное выражение отлично от нуля только там, где расположены заряды (в данном случае – заряды q₁ и q₂). В то же время, потенциалы от этих зарядов в местах интегрирования складываются, но так как нас интересует не собственная, а только взаимная энергия зарядов (зависящая от их взаимного расположения), то из (10) получаем:

(11)

Любая система “стремится” к уменьшению своей потенциальной энергии, поэтому дифференцирование по величине расстояния между зарядами дает выражение для силы, действующей между зарядами

(12)

Направление силы, как видим, зависит от знаков зарядов и соответствует уменьшению энергии, распределенной в среде вокруг зарядов.

Касаясь “проблемы эфира”, образно можно сказать, что кроме эфира фактически ничего больше нет. “Все и вся” (и мы сами) оказываемся лишь энергией возбуждений эфира – великой и загадочной среды. Бытовавшее некогда понятие об эфире, “пронизывающем” весь мир как некая “сверхтонкая” субстанция, теперь уступило место другому более общему пониманию: все вещество и все поля являются энергетическими возбуждениями эфира. Поэтому ни о каком “обтекании” материальных тел эфиром не может быть речи!

Возвращаясь к видам физических взаимодействий, заметим, что только сильное взаимодействие внутри нуклонов оказывается несколько похожим на официально принятую гипотезу о “глюонах”.

Основной же принцип взаимодействий, базирующийся на солитонной природе частиц и на их частотах колебаний, определяющих облик микро- и макромира, оказался официальной наукой “не учтенным”!

Установление равновесия через взаимодействие на определенных частотах является причиной идентичности частиц и объясняет наличие в природе такого огромного количества одинаковых электронов (нейтронов, протонов). Во всяком случае, физически это понятно! В отличие, например, от известной “сумасшедшей” идеи об образовании такого большого количества одинаковых электронов в природе “методом” многократного движения одного и того же электрона по оси времени туда и обратно!

Оказались “не учтенными” и волны вокруг частиц! Но именно эти волны создают дополнительный энергетический фон в пространстве, а, следовательно, формируют и результирующую силу, добавляя переменную составляющую.

На возможность гравитационного эффекта за счет действия знакопеременных сил между частицами вещества указывал еще Максвелл [11]. Источником гравитационного взаимодействия являются не “гравитоны”, а как раз “неучтенные” переменные составляющие внешнего поля частиц.

Поэтому гравитационные эффекты (основанные на энергии знакопеременных полей в пространстве вокруг частиц) намного более слабы, чем эффекты от постоянных составляющих электрических и магнитных полей.

Описание электронных “оболочек” - пожалуй, самая запутанная часть теории атома. А произошло это из-за того, что физики в начале прошлого столетия фактически отказались от основополагающих принципов.

Возникла настоящая “коллизия” в умах! С одной стороны, для того, чтобы “не упасть” на ядро, электроны в атомах должны вращаться. А с другой стороны, электроны, вращаясь вокруг ядра, почему-то не излучают, хотя по законам электродинамики вращение электронов на орбитах неминуемо должно было вызывать излучение с последующим “падением” электронов на ядро.

Разрешение этой “коллизии” должно было быть однозначным и без всяких колебаний: электроны в атомах неподвижны!

Только после признания этого очевидного факта нужно было двигаться дальше и искать ответы на все возникающие отсюда вопросы.

Впрочем, и последующие “сопутствующие” вопросы оказываются не такими сложными, если учесть, что силы, действующие между частицами, как мы видели, не сводятся только к электростатическому взаимодействию. Частицы, как открытые колебательные системы, обладая переменными составляющими внешнего поля, интенсивно обмениваются энергией, что вызывает между частицами соответствующие “неучтенные” дополнительные силы.

Чтобы убедиться в том, что обмен энергией между электронами создает силу отталкивания того же порядка величины, что и сила электростатического притяжения к ядру атома, сделаем небольшой оценочный расчет. Представим себе электронную “оболочку”, удобную для такого расчета (рис. 4).

Рис. 4. Электроны, обмениваясь энергией, создают вокруг ядра замкнутый поток энергии, вследствие чего возникают центробежные силы.

Известно, что передача энергии W сопряжена с передачей соответствующего количества механического импульса W/c. Поэтому поток энергии, а, следовательно, и импульса в закольцованной электронной структуре приводит к возникновению центробежных сил. Определим порядок величины центробежной силы, действующей на один из шести электронов, расположенных симметрично вокруг ядра.

Предварительно заметим, что постоянная равномерная циркуляция энергии в кольцеобразной структуре электронной оболочки, очевидно, связана с определенными ограничениями на фазовые соотношения для входящих в эту структуру электронов. А именно, сдвиг фаз между соседними электронами должен быть один и тот же, а полный набег фазы по кольцу должен быть кратен 2π.

Поэтому на рис. 4 фазы электронов (условно отмечены точками) при переходе от любого электрона к соседнему электрону изменяются на 60 градусов (2π/6) и возвращаются к исходной фазе после совершения полного оборота.

Квантово-механическое описание с использованием волновых функций электронов приводит к аналогичным фазовым соотношениям. Однако это делается по формальным соображениям [13, 14], а не с позиций анализа взаимодействия электронов как колебательных систем.

Интенсивность взаимодействия между электронами определяется знаменитой постоянной тонкой структуры, так как амплитуды внешних полей находятся именно в таком отношении к внутренним полям в структуре электронов.

Поэтому за один период (вращения) электроны могут обменяться относительно небольшой долей энергии от полной энергии электрона mc² [8]:

(13)

Интенсивность обмена энергией, как следует из (13), резко уменьшается при увеличении расстояния между электронами (R). Это происходит из-за того, что амплитуды внешних переменных полей вокруг электронов уменьшаются при удалении обратно пропорционально квадрату расстояния [7]. Поэтому мы будем учитывать взаимодействие только между соседними электронами (рис. 4).

Интересно, что формула (13) перекликается с известным выражением для амплитуды волновой функции электрона, описывающей его перемещение в пространстве на такое же расстояние R [1]:

(14)

Так как физический смысл имеет только квадрат модуля волновой функции (вероятность перемещения электрона на расстояние R), то возведение модуля (14) в квадрат дает зависимость, аналогичную (13). Однако квантовая механика имеет свой условный язык, и мы с трудом можем догадаться о физике процесса.

Итак, из выражения (13) для количества энергии, передаваемой за один период (2πr_o/c), легко получить соответствующую мощность:

(15)

Каждый электрон принимает и сразу же отдает дальше по замкнутой цепочке указанный поток энергии. Однако направление передаваемого импульса при этом претерпевает поворот на угол 60 градусов (рис. 4), что равносильно изменению импульса, которое по абсолютной величине в данном случае равно абсолютной величине потока импульса:

(16)

Таким образом, центробежная сила ориентировочно равна:

(17)

Здесь учтено, что расстояния между соседними электронами при всем их разбросе имеют порядок величины радиуса Бора R_Б. Поэтому в рассматриваемом примере, учитывая (2), отношение r_o/R мы положили равным α/2.

Кроме того, выражение (17) для наглядности записано в виде, похожем на классическую формулу для центробежной силы, возникающей при вращении электрона вокруг ядра со скоростью αс. Как известно, именно такой порядок величины должна иметь скорость классического электрона на орбите, чтобы он “не упал” на ядро атома. Таким образом, порядок величины силы, появляющейся из-за обмена электронов энергией, соответствует нашим предположениям.

Вместе с тем, уменьшающий коэффициент 1/4π в формуле (17) косвенно указывает на то, что описанный механизм не является единственным фактором, приводящим к отталкиванию электронов от ядра. Очевидно, что свой вклад дает обмен энергией электронов непосредственно с самим ядром, а также эффект “экранирования” ядра другими электронами.

Кроме того, мы убедимся в наличии еще одного неучтенного фактора, обусловленного резонансной природой электронных оболочек атомов. На электроны действуют дополнительные силы, фиксирующие их расположение вокруг ядра в резонансных максимумах продольных волн. Подобные поля имеют место, например, вокруг антенных систем [15].

Остановимся на этом подробнее. Казалось бы, электроны могут располагаться на любом расстоянии от ядра, лишь бы они образовывали единую систему с циркулирующей по ней энергией. Однако это не так, и причиной “запрета” на произвольный выбор конфигурации электронной оболочки является наличие волновых свойств у электронов.

Речь идет об экспериментальном факте: движущийся электрон ведет себя как волна, характеризуемая так называемой длиной волны де Бройля [3]:

(18)

Откуда возникает и что физически означает длина волны де Бройля? Каким образом электрон “приобретает” волновые свойства?

Ответы на эти вопросы очень важны для понимания устройства атома.

Итак, если частица движется, то к ее энергии покоя добавляется кинетическая энергия, которая при скоростях, существенно меньших скорости света, выражается известной классической формулой:

(19)

В соответствии с (1) это приводит к изменению (увеличению) частоты электрона, пропорциональному удвоенной величине изменения энергии

(20)

Но как только частота рассматриваемого электрона становится отличной от частоты окружающих его неподвижных электронов, это немедленно вызывает “биения” с указанной разностной частотой Ω. Такие “биения”, как известно, имеют место при взаимодействии близких по частоте колебательных систем и сопряжены с “перекачкой” энергии между взаимодействующими колебательными системами. Так как электрон движется, то частота “биений” и скорость определяют соответствующую длину волны в пространстве:

(21)

Это и есть искомая формула (18) для длины волны де Бройля электрона.

Однако возникает логичный вопрос, каким образом могут проявиться волновые свойства у неподвижных электронов в составе атомов?

Дело в том, что движущийся электрон отличается от неподвижного электрона фотоном, который излучается в момент остановки движущегося электрона. Таким образом, излучение фотона “превращает” движущийся электрон в неподвижный. Но в составе электронной оболочки, как мы видели, электрон “не совсем расстается” с эквивалентом фотона в виде излучаемой энергии, так как излучение сопровождается одновременным поглощением энергии, циркулирующей между электронами (рис. 4).

Поэтому энергетические характеристики “оболочки” из неподвижных электронов в составе атомов соответствуют классическому движению по орбитам, а циркуляция энергии как эквивалента кинетической энергии движения электронов создает соответствующую добавку к частоте электронной оболочки (20).

При этом роль “участника” в биениях (обмене энергией) играет ядро атома. И для того, чтобы итоговый обмен энергией ядра с электронной оболочкой был нулевым, поле, создаваемое электронной оболочкой вокруг ядра, должно обладать периодичностью и пространственной симметрией. Этому требованию как раз удовлетворяет резонансное поле продольных волн, обеспечивающих рассмотренную выше циркуляцию энергии в электронных оболочках и характеризуемых длиной волны де Бройля.

Эти физические процессы находят свое отражение в формализме квантовой теории. Действительно, каждая совокупность электронов (“оболочка”), имеющих одинаковую энергию (частоту), описывается волновыми функциями со своей пространственной “плотностью” расположения максимумов.

Квантово-механические волновые функции, используемые для описания электронных “облаков” в атомах, можно в какой-то степени соотнести с пространственными резонансами продольных волн, связанных с ядром и с каждой из совокупностей электронов, имеющих одну и ту же энергию (частоту).

Особенно показательными в этом отношении являются возбужденные уровни энергии водорода, которые ведут себя как различные виды колебаний в пространстве вокруг ядра (связанные с электроном и с ядром).

Здесь следует еще раз подчеркнуть, что несомненным достижением квантовой механики является введение в физику понятия об особой материальной волне (λ=h/p), описываемой волновой функцией.

Однако электроны “не размазываются” по пространству (как это следует из вероятностной квантово-механической трактовки), а обмениваются энергией с окружающими частицами. Что же касается электронов в атомных оболочках, то они фиксируются вблизи соответствующих резонансных максимумов поля.

Такой механизм взаимодействия электронов оболочек с резонансным полем, создаваемым самими же электронами (во взаимодействии с ядром атома), объясняет многие свойства атомов.

Интересная аналогия для коллективных свойств электронов была подмечена Р.Фейнманом, который сравнил поведение электронов в состоянии сверхпроводимости с движением заряженной жидкости [14]. Им же была высказана идея о наличии вокруг электрона приходящих и уходящих волн [16, 17].

Фактически это было указанием на существование волн особого поля (мы его называем продольным электромагнитным полем), связанных с частицами и напоминающих стоячие сферические волны. Эти поля обеспечивают взаимодействие частиц и формирование их коллективных свойств.

 

Образование резонансных не излучающихся конфигураций особых продольных волн, связанных с электронами каждой оболочки (на отдельной частоте), обеспечивает циркуляцию энергии в оболочках даже в тех случаях, когда электронами заняты не все максимумы этого поля. Это важно, например, при анализе атома водорода.

Отметим также, что в многоэлектронных атомах симметричному распределению электронов в пространстве вокруг ядра, очевидно, в значительной степени “способствует” их взаимное электростатическое отталкивание.

Суммируя изложенное, можно сказать, что физическая природа электрона, являющегося открытой колебательной системой с переменными внешними полями, дает возможность понять как причины его волновых свойств, так и механизм “зависания” над ядром атома.

　

Свойства электронных оболочек

Акцентируем еще раз внимание на самых основных физических принципах формирования электронных оболочек атомов.

Во-первых, электроны, взаимодействуя друг с другом и с ядром атома, образуют электронные оболочки в виде резонансных структур. Каждая оболочка - резонанс объединяет в себе совокупность электронов и продольные волны в пространстве вокруг ядра. Резонансные максимумы этого поля играют формирующую роль, так как задают пространственное положение электронов, которые в результате повторяют пространственную периодичность поля и, таким образом, “демонстрируют” свои волновые свойства.

Во-вторых, неподвижные электроны в “оболочках”, взаимодействуя с резонансным продольным полем, создают циркулирующий поток энергии, который обеспечивает “зависание” электронов над ядром и создает имитацию вращения электронов по орбитам.

Коллективные свойства электронов в “оболочках” атомов фактически соответствуют наличию в оболочках явления сверхтекучести.

Действительно, так как энергия тепловых колебаний оказывается очень малой в сравнении с энергией связи электронов в атомах, то нет ничего удивительного в том, что внутри каждой оболочки электроны обладают свойствами сверхтекучести.

Процессы, происходящие в электронных оболочках атомов, фактически представляют собой явление сверхтекучести (сверхпроводимости) электронов. Реальное движение электронов при этом останавливается, а “включается” передача энергии (и соответствующей массы!) полевым “каналом” по цепочкам взаимодействующих электронов [8].

Как уже отмечалось, Р.Фейнман сделал очень интересное сравнение сверхпроводимости с течением заряженной жидкости. Как “положено” жидкости, она склонна растекаться по эквипотенциалям (а в составе атома – образовывать “оболочки”). Кроме того, такая “заряженная жидкость”, как известно, проявляет себя и как резонансная система. Например, когда она “течет” по замкнутому контуру, то общая волновая функция составляющих ее электронов содержит целое количество длин волн. Это, действительно, полностью аналогично свойствам замкнутых систем электронных оболочек атомов!

“Куперовскими парами” в электронных оболочках атомов являются соседние электроны, имеющие противоположные направления спинов (для получения минимума совместной энергии). Соответственно электроны, принадлежащие одной “куперовской паре”, оказываются на расстоянии полуволны друг от друга - в соседних максимумах поля.

Таким образом, каждая электронная оболочка обладает целым набором уникальных групповых свойств электронов, которые не сводятся к свойствам отдельных электронов. Эти групповые свойства электронов (бозе-конденсат куперовских пар) реализуются через “объединение” электронов каждой оболочки посредством резонансного продольного поля.

Перейдем теперь к анализу электронных оболочек конкретных атомов и проведем соответствующие количественные расчеты, которые послужат иллюстрацией и подтверждением изложенных выше соображений.

Начнем с атома водорода. Он состоит из одного протона (ядра) и одного электрона. Электрон, находясь в электростатическом поле ядра, имеет энергию (частоту), которая зависит от того, на каком расстоянии R от ядра он находится. Однако резонанс продольных волн в пространстве вокруг ядра (формирующий электронную оболочку) возникает только при условии, если на длине окружности 2πR укладывается целое число длин волн де Бройля:

(22)

Это так называемое условие Бора для квантования орбит электронов в атоме. По сути, оно задает величину пространственного волнового коэффициента (и соответствующей частоты) резонансного продольного поля электронной оболочки. Поэтому получающиеся из условия (22) уровни энергии совпадают с результатами решения уравнения Шредингера для атома водорода, которое, по сути, также является волновым уравнением и описывает волновой процесс.

Впрочем, планетарная теория атома Бора оказывается даже ближе к реальности, чем разработанная позже квантово-механическая теория атома. Во всяком случае, в модели Бора электроны “не размазываются” по пространству и не концентрируются в центре атома (где находится ядро), как это происходит с так называемыми s-электронами с нулевым орбитальным моментом.

Самая близкая к ядру оболочка в теории Бора соответствует согласно (22) одному полному пространственному периоду (n=1). Это согласуется с изложенными выше соображениями о резонансном характере оболочек атомов.

При этом в атоме водорода электрон занимает один из двух максимумов поля, а второй максимум (на противоположной стороне от ядра) остается вакантным. Поэтому заметим, что первая оболочка оказывается полностью “укомплектованной” в атоме гелия, имеющем два электрона, которые как раз располагаются напротив друг друга с разных сторон от ядра.

Забегая вперед, скажем, что если подходить корректно к описанию многоэлектронных атомов с использованием квантовой механики, то такая задача практически не выполнима. Дело в том, что добавление каждого последующего электрона (при разработке теории заполнения электронных оболочек) требует учета влияния “облаков” всех предыдущих электронов.

Поэтому даже добавление второго s-электрона не может сводиться только к замене в волновой функции направления спина на противоположное, как это фактически принято в существующей теории. Присутствие второго электрона изменит распределение пространственного заряда, и оба эти электрона уже не будут соответствовать первоначальной “идеальной” функции.

Кроме того, каждый последующий электрон будет влиять и на решения для предыдущих электронов. Причем это влияние оказывается существенным, так как “орбитали” внешних электронов (s-электроны) “проникают” вплоть до самого ядра, “не обращая внимания” на заполненные внутренние оболочки.

Очевидно, что уже на простейшем примере атома водорода мы получили принципиальные несоответствия с “общепринятым” на сегодняшний день квантово-механическим описанием электронов в атоме.

Действительно, квантово-механическая s-орбиталь фактически предполагает не азимутальное, а радиальное движение электрона через центр (ядро) атома водорода! При этом электронное “облако” получается сферически симметричным и самым плотным у ядра в центре атома.

Почему же в ряде случаев довольно успешно “работает” так называемое одноэлектронное приближение? Оно сводится к тому, что задача решается для простейшего случая наличия только одного электрона. А затем, реально присутствующие в условиях задачи другие электроны “распределяются” по получившемуся набору возможных состояний первого рассмотренного электрона.

Такая “хитрость” применима в случаях, когда каждый последующий электрон не “пересекается” с предыдущими электронами системы, а занимает строго свою “нишу”.

При квантово-механическом описании электронов в атомах такое взаимное влияние, как мы видели, является весьма существенным, так как электронные “облака” взаимно перекрываются. Следовательно, успех применения одноэлектронного решения можно рассматривать как косвенное подтверждение идеи резонансной природы электронных оболочек атомов, когда каждый последующий электрон попадает в уже “приготовленный” для него “свободный” максимум общего резонанса электронной оболочки.

Природа сама упростила для нас эту многоэлектронную задачу, так как электроны в атомах проявляют в меньшей степени индивидуальные свойства, а в большей степени – коллективные свойства.

Итак, в случае водорода электрон располагается сбоку от ядра в одном из двух симметрично расположенных максимумов поля резонансной оболочки. Энергия резонанса поля, связанного с этой оболочкой, соответствует, как уже говорилось выше, кинетической энергии электрона на воображаемой орбите

(23)

Из (23) видно, что в этом простейшем случае величина энергии резонанса, имитирующей кинетическую энергию, получается непосредственно из равенства центробежной силы силе притяжения к ядру. Одновременно эта величина энергии оказывается равной половине абсолютной величины отрицательной потенциальной энергии электрона в поле ядра, что соответствует теореме о вириале. Поэтому энергия, которая требуется для удаления электрона из атома (энергия ионизации), равна разнице между энергией связи и кинетической энергией и по абсолютной величине оказывается равна кинетической энергии (23)

(24)

Из выражения (23) с учетом условия (22) получаем выражение для R и так называемого первого радиуса Бора (n=1) орбитали электрона в атоме водорода

(25)

Радиус Бора приближенно равен 0,529Ǻ и оказывается в 1/α раз больше, чем диаметр электрона (2).

Потенциал ионизации φ_i атома водорода (24) с учетом (25) равен

(26)

и численно совпадает с известным экспериментальным значением [10].

Радиус первой орбиты электрона (25) и потенциал ионизации (26) водорода являются естественным мерилом для аналогичных характеристик других атомов.

Два атома водорода объединяются в молекулу. Мы коротко рассмотрим этот пример для иллюстрации несколько усложненной задачи.

Интересно, что и в жидком состоянии водород сохраняет молекулы, то есть, атомы водорода оказываются объединенными в достаточно прочные пары.

В чем состоит “секрет” относительной прочности молекулы водорода?

Основываясь на резонансном принципе построения электронных оболочек и учитывая естественную симметрию молекулы водорода, наиболее вероятную конфигурацию молекулы можно представить себе следующим образом (рис. 5).

Рис. 5. Схематическое изображение молекулы водорода.

Общая резонансная орбиталь, включающая в себя электроны двух атомов, располагается между двумя ядрами. Она компенсирует взаимное отталкивание ядер и скрепляет, таким образом, всю эту “конструкцию”. На орбитали укладывается одна длина волны, обеспечивая симметрично расположенные на противоположных сторонах орбитали “места” для двух электронов.

Очевидно, что в отсутствии резонансного поля орбитали, которое фиксирует пространственное положение электронов в максимумах поля, такая конфигурация из четырех заряженных тел была бы неустойчивой.

Проведем ориентировочный расчет параметров молекулы водорода, основываясь на модели, изображенной на рис. 5.

На каждый из электронов действует сила притяжения двух ядер и сила электростатического отталкивания между электронами. Поэтому результирующая центростремительная сила равна

(27)

Эта сила должна уравновешиваться центробежной силой, которая образуется в результате циркуляции энергии в резонансной оболочке, имитирующей вращение

(28)

Приравнивая друг другу (27) и (28), с учетом (25) получаем уравнение

(29)

Если предположить, что радиус резонансной орбитали, как и в атоме водорода равен радиусу Бора

(30)

то уравнение (29) сводится к условию:

(31)

Отсюда, с учетом (30), получаем: sinβ=0,855; cosβ=0,519; R=0,62Ǻ, а расстояние между ядрами атомов равно 2Rcosβ=0,643Ǻ, что для прикидочного расчета достаточно близко к фактической величине 0,74Ǻ.

Кроме того, угол β=1,025 (или 58,76^о) близок к 60^о, то есть, к величине угла, при котором обеспечивается равновесие сил, действующих на ядра (рис.5):

(32)

Таким образом, ромбовидная конфигурация молекулы удовлетворяет одновременно двум условиям: равновесию сил, действующих на электроны оболочки (орбитали) с учетом циркуляции энергии в ней, а, с другой стороны, равновесию электростатических сил, действующих на ядра.

Очевидно, что присоединение третьего электрона невозможно к оболочке, имеющей только два места (резонансных максимума), которые уже заняты электронами молекулы водорода. Это напоминает свойства полностью заполненных оболочек инертных (благородных) газов.

Поэтому для того, чтобы водород вступил в какую-либо химическую реакцию необходимо сначала “разбить” его молекулу.

Отметим также, что в рассмотренной модели молекулы водорода расчетный потенциал ионизации оказывается близким к потенциалу ионизации атома водорода 13,6 эВ. Это, в свою очередь, достаточно близко к фактической величине потенциала ионизации молекулы водорода 15,4 эВ.

Мы не будем дальше уточнять эту модель, а сосредоточимся, как и раньше, в большей степени на принципиальной стороне вопроса, продолжив изучение свойств электронных оболочек атомов.

Электронная оболочка атома гелия аналогична рассмотренным выше резонансным орбиталям атома водорода и молекулы водорода. В атоме гелия резонанс электронной оболочки также имеет один пространственный период (n=1) и соответственно два максимума поля. В этих максимумах симметрично с двух сторон от ядра располагаются электроны. Однако радиус электронной оболочки гелия почти в два раза меньше, чем у атома (и молекулы) водорода, так как электроны испытывают на себе большую притягивающую силу со стороны ядра гелия, заряд которого равен двум зарядам электрона.

Проведем расчеты, исходя из баланса сил, действующих на электроны оболочки - электростатической (центростремительной) и центробежной

(33)

Учитывая условие резонанса

(34)

и приравнивая друг другу силы (33), получаем:

(35)

Анализируя атом водорода, мы убедились, что потенциал ионизации численно соответствует кинетической энергии электрона. Принимая это в расчет и учитывая (34) и (35), для атома гелия получаем

(36)

В действительности потенциал ионизации обычно включает в себя дополнительную “поправку”, которая вызвана перестройкой электронной оболочки, происходящей непосредственно в момент удаления электрона.

Дело в том, что удаление электрона из оболочки (ионизация) затрагивает коллективный организм электронов оболочки атома, а, следовательно, акт ионизации не является простым “выбиванием” электрона.

Электронная оболочка “берет на себя” энергию ионизующего воздействия и после этого “излучает” электрон, одновременно переходя в другое состояние (соответствующее меньшему количеству электронов в оболочке). Поэтому электрон получает “добавку” энергии от произошедшей перестройки оболочки.

Если же взять удвоенную расчетную энергию (36), то она должна быть равна сумме двух потенциалов ионизации атома – при последовательном удалении сначала первого электрона, а затем второго электрона. Это исключает необходимость перераспределения “добавки” энергии и дает возможность прямого сравнения расчетной удвоенной величины с экспериментом.

Таким образом, расчетная сумма двух потенциалов ионизации, исходя из (36) равна 83,3 эВ, а сумма экспериментальных значений равна 24,58+54,4≈79 эВ.

Можно сказать, что полученная точность для такого элементарного расчета является более чем удовлетворительной!

Самая близкая к ядру электронная оболочка у всех других атомов, также как и электронная оболочка гелия, состоит из двух электронов (n=1). Поэтому у нас есть возможность проанализировать, каким образом изменяется эта внутренняя оболочка при увеличении заряда ядра.

Повторив расчеты, аналогичные расчетам электронной оболочки гелия, но положив заряд ядра равным z, получаем формулы для радиуса электронной оболочки и для суммарной величины потенциалов ионизации двух электронов оболочки:

(37)

Расчеты и экспериментальные данные [18] сведем в таблицу.

Таблица 1 Параметры первой электронной оболочки (из двух электронов)

Заряд ядра, е	Расчет φ1+φ2, эВ	Факт. φ1+φ2, эВ	Расчет/Факт.	R / RБ
2 (He)	83,3	79	1,0544	0,571
3 (Li)	205,7	198	1,0389	0,364
4 (Be)	382,5	371,51	1,0296	0,267
5 (B)	613,7	599,43	1,0238	0,211
6 (C)	899,3	881,83	1,0198	0,174
7 (N)	1239,3	1218,76	1,0168	0,148
8 (O)	1633,7	1610,23	1,0146	0,129
9 (F)	2082,5	2057,6	1,0121	0,114
10 (Ne)	2585,7	2555,6	1,0118	0,102

　

Из таблицы 1 следует (графа расчет/факт), что при увеличении заряда ядра относительное отличие между результатами расчетов потенциалов ионизации и соответствующими экспериментальными данными уменьшается (с более, чем 5% до почти 1%). То есть расчетные величины становятся ближе к фактическим.

Обращает на себя внимание и то, что самая первая электронная оболочка приближается очень близко к ядру уже в конце первой десятки элементов периодической таблицы Д.И.Менделеева (0,054Ǻ у атома неона).

Завершая рассмотрение самой близкой к ядру электронной оболочки, необходимо особо отметить удивительно точное совпадение расчетного и экспериментального значений потенциала ионизации для последнего электрона у атома любого химического элемента. Расчет аналогичен расчету потенциала ионизации атома водорода, но заряд ядра принимается равным z

(38)

Например, экспериментальное значение потенциала ионизации последнего (десятого) электрона атома неона равно 1360,2 эВ.

Следуя по порядку, нам предстоит теперь ответить на вопрос, каким образом располагаются электроны вокруг ядра атома лития?

Параметры первой электронной оболочки атома лития, состоящей из двух электронов, нам уже известны (табл. 1). Но ядро лития имеет заряд, равный трем зарядам электрона и, таким образом, литий является первым химическим элементом с двумя электронными оболочками. При этом вторая (внешняя) оболочка представлена всего одним электроном (рис. 6).

 

Рис. 6. Схематическое изображение атома лития.

Этот внешний электрон оказывается на довольно большом расстоянии от ядра и от двух электронов внутренней оболочки. Поэтому можно считать, что внешняя оболочка формируется центрально симметричным полем суммарного единичного положительного заряда центральной части (остова) атома.

Как и раньше, запишем баланс сил, действующих на внешний электрон лития (это справедливо для любого одновалентного атома)

(39)

Отсюда следует, что в одновалентных атомах единственный электрон внешней оболочки должен находиться на расстоянии от ядра, определяемом по той же формуле, что и в атоме водорода:

(40)

Тем не менее, именно здесь возникают непредвиденные трудности! Действительно, если бы радиус внешней оболочки лития был как у атома водорода (n=1), то и его потенциал ионизации был бы равен потенциалу ионизации водорода (13,6 эВ). Но у лития потенциал ионизации составляет всего 5,39 эВ и указывает на то, что радиус внешней электронной оболочки атома лития существенно (в 2,523 раза) больше, чем у водорода.

Значит, внешняя оболочка лития должна содержать больше, чем один пространственный период, то есть, число n должно быть больше единицы.

Но, положив n=2, мы получим слишком большое расстояние R, равное четырем радиусам Бора. Потенциал ионизации при таком расстоянии должен быть равен 3,4 эВ, что не соответствует фактической величине 5,39 эВ.

Эта ситуация представляется тупиковой! Тем не менее, она имеет логичное разрешение. В первой части статьи мы специально так подробно остановились на частотных взаимодействиях в микромире. Поэтому для нас нет ничего удивительного в том, что эти взаимодействия могут происходить на соизмеримых и кратных частотах. Аналогичные эффекты, как мы увидим, проявляются и при формировании электронных оболочек атомов.

Чтобы убедиться в этом, проведем расчеты волновых характеристик электронов, исходя из величины эквивалента кинетической энергии, заключенной в поле электронной оболочки. Эта энергия, как мы видели, численно соответствует потенциалу ионизации.

Для получения наибольшей точности расчетов нам наилучшим образом подходят атомы с единственным электроном на внешней оболочке, так как присутствие большего количества электронов не только усложняет расчеты, но и снижает их точность. В этом мы уже убедились на примере гелия.

Начнем с более подробного расчета основных количественных характеристик электрона в атоме водорода.

Изменение частоты электрона из-за нахождения его в составе атома, как следует из выражения (20), можно определить, исходя из удвоенной величины его кинетической энергии (эта энергия, как мы помним, принадлежит не конкретному электрону, а всей электронной оболочке):

(41)

Подставляя конкретные величины, получаем частоту и скорость (в качестве вспомогательных параметров для определения длины волны):

Отсюда

Аналогичным образом сделаем расчеты для электрона внешней оболочки атома лития (первый потенциал ионизации равен 5,39 эВ)

В этих расчетах нами введено новое обозначение R_λ для условного радиуса (обратная величина волнового коэффициента), являющегося показателем скорости пространственных волновых изменений. Фактически эта величина фигурирует уже в формуле (22). Как мы и ожидали, внешняя электронная оболочка лития характеризуется числом (n=1,593), которое в отличие от водорода (n=1), не является целым числом и находится в промежутке между числами 1 и 2!

Однако в действительности внешняя электронная оболочка лития также является резонансной и характеризуется целым количеством длин волн. Достигается это за счет возбуждения более высокочастотной гармоники.

То есть, некоторое неизвестное нам целое число длин волн N₁, характеризующее резонанс оболочки, должно быть результатом умножения числа 1,593 на другое число N₂ - номер гармонической составляющей. Поэтому здесь есть некоторый элемент неопределенности, и нам придется сделать несколько простых расчетов и подобрать подходящие цифры.

Например, поделив число N₁=8 на n=1,593, мы получаем N₂=5,02, то есть, пятая гармоника позволяет получить восемь длин волн для резонанса электронной оболочки лития. При этом формула (40) для реального радиуса оболочки оказывается справедливой и при значении n, отличном от целого числа

(42)

Эта величина действительно соответствует реальному значению радиуса внешней электронной оболочки лития, полученному непосредственно, используя формулу (24) для потенциала ионизации

(43)

Так как атомов, подобных литию, с одним электроном на внешней электронной оболочке довольно много, то мы имеем возможность провести аналогичные расчеты и для них. Результаты всех расчетов сведены в таблицу 2.

Мы уделяем этим расчетам так много внимания, чтобы убедиться в закономерном характере результатов. Приведенные в таблице 2 данные позволяют сделать вывод о справедливости сделанных предположений.

Природа использует в электронных оболочках резонансы, возбуждаемые на гармонических составляющих, в результате чего атомы оказываются очень компактными и, в то же время, обладают способностью “разместить” в электронных оболочках большое количество электронов!

Таблица 2

Атом	φ1, эВ	n	n2	R/RБ	N1/n=N2
3 (Li)	5,39	1,593	2,54	2,52	8/1,593=5,02
11 (Na)	5,138	1,632	2,66	2,65	5/1,632=3,06
19 (K)	4,339	1,775	3,15	3,13	7/1,775=3,94
55 (Cs)	3,893	1,875	3,51	3,49	15/1,875=8,00
37 (Rb)	4,176	1,81	3,27	3,26	9/1,81=4,97
47 (Ag)	7,574	1,342	1,8	1,79	4/1,342=2,98
78 (Pt)	8,96	1,236	1,53	1,52	5/1,236=4,04
81 (Tl)	6,106	1,498	2,24	2,23	3/1,498=2,00

Здесь следует сразу оговориться, что цифры и расчеты в правом столбце таблицы получены подбором и должны быть подтверждены в ходе дальнейших исследований (например, путем изучения пространственной симметрии соединений, образуемых этими атомами). В частности, числа N₁ и N₂, очевидно, могут иметь значения, кратные указанным в таблице числам.

Однако с принципиальной стороны не столь важно, будут ли эти числа кратными или соизмеримыми, так как в любом случае полученные результаты демонстрируют нам чрезвычайно важную закономерность строения атомов.

Естественно, предстоит очень большая работа по подробному описанию свойств и определению параметров всех электронных оболочек атомов. Эти чрезвычайно интересные и важные вопросы, несомненно, привлекут к себе внимание исследователей и станут предметом жарких дискуссий. Но мы теперь попробуем взглянуть на свойства электронных оболочек атомов с еще одной не менее интересной стороны.

Из проведенного анализа следует, что устройство атомов основано на послойном расположении электронов вокруг ядра. Каждый из этих слоев, который мы именуем резонансной электронной оболочкой, является совокупностью электронов, связанных единым полем. Таким образом, многоэлектронную оболочку можно представить себе в виде сферы с симметрично расположенными на ней электронами (например, в вершинах многогранника, мысленно вписанного в эту сферическую поверхность).

Такая конфигурация электронной оболочки дает возможность при анализе ее свойств использовать наиболее простую модель в виде заряженной сферы. При этом структура атома напоминает “матрешку”, в центре которой расположено ядро, а концентрические электронные оболочки располагаются вокруг него - одна внутри другой.

Каким образом отражается на свойствах атомов такая особенность строения? Рассмотрим в качестве примера атомы инертных газов, внешние электронные оболочки которых достаточно плотно “заселены” и должны действительно походить на заряженные сферы.

Как известно, электростатическая энергия заряженной сферы равна [9]

(44)

Применительно к электронной оболочке заряд Q определяется количеством электронов в оболочке. Вспомним также, что потенциал ионизации соответствует половине абсолютной величины энергии связи электрона в составе оболочки.

Исходя из этого и с учетом (44), сумма потенциалов ионизации всех электронов внешней оболочки, например, атома неона выражается формулой:

(45)

Дело в том, что удаление каждого электрона оболочки (акт ионизации) сопровождается “проникновением” соответствующей части некомпенсированного поля остова атома за пределы внешней оболочки, что воспринимается как увеличение ее заряда. Поэтому удаление каждого последующего электрона оболочки требует все больших затрат энергии, а суммарный результат будет как раз соответствовать формуле (45).

Используя формулу (44), можно определить и каждый потенциал ионизации в отдельности (как изменение энергии при удалении одного электрона). Выражение (45) можно представить в виде суммы таких изменений энергии

(46)

Как мы и ожидали, потенциалы ионизации изменяются пропорционально кратности ионизации (слагаемые в скобках (46) записаны в обратном порядке по кратности ионизации). Электронные оболочки, конечно, не являются равномерно заряженными сферами (особенно при малом числе электронов), тем не менее, результаты экспериментов в целом подтверждают применимость модели (рис. 7). Отклонения от линейной зависимости, очевидно, связаны также с уже упоминавшимися ранее процессами перестройки электронных оболочек после каждого акта ионизации. В результате, общая энергия электронной оболочки дополнительно перераспределяется между потенциалами ионизации.

Однако суммарная величина (45) “поглощает” все перераспределения и, также как в уже рассмотренном случае первой оболочки из двух электронов, дает возможность наиболее наглядно сравнить расчеты с данными опытов.

Рис. 7. Потенциалы ионизации неона и аргона

в зависимости от кратности ионизации

Проверим сначала на примере неона, насколько точно выполняется соотношение (45). Но для этого нам необходимо как можно точнее определить радиус внешней электронной оболочки.

Для этой цели, как мы уже убедились, лучше всего подходит вариант, когда электронная оболочка содержит всего один электрон. Поэтому радиус внешней оболочки атома неона определим, исходя из величины восьмого потенциала ионизации

(47)

Подставив конкретные величины в (45), получим

(48)

Таким образом, правая и левая части (45), действительно, близки друг к другу. Сделаем аналогичные расчеты для других благородных газов и для наглядности сведем результаты в таблицу.

Таблица 3 Суммы потенциалов ионизации внешних оболочек атомов инертных газов

Атом	φ8, эВ	R/RБ	Расч. Σφi, эВ	Факт. Σφi, эВ	Расч./Факт.
10 (Ne)	239,1	0,455	956,48	953,89	1,003
18 (Ar)	143,4	0,759	573,39	577,64	0,993
36 (Kr)	126	0,863	504,29	508,16	0,992
54 (Xe)	126	0,863	504,29	484,43	1,041

У галогенов на внешней оболочке всего на один электрон меньше, чем у благородных газов, поэтому мы можем ожидать хорошего совпадения расчетов с данными экспериментов и в этом случае. Правда, расчетные формулы необходимо соответственно “подправить”:

(49)

(50)

Расчеты и фактические величины также приведены в таблице

Таблица 4 Суммы потенциалов ионизации внешних оболочек атомов галогенов

Атом	φ7, эВ	R/RБ	Расч. Σφi, эВ	Факт. Σφi, эВ	Расч./Факт.
9 (F)	185,14	0,514	648,25	658,75	1,016
17 (Cl)	114,2	0,834	399,52	408,61	0,978
35 (Br)	103	0,924	360,6	367,94	0,98
53 (J)	104	0,915	364,15	362,44	1,005

Как видим, расчетные и фактические данные для внешних достаточно плотно заселенных оболочек галогенов (как и благородных газов) хорошо согласуются друг с другом.

Проявляются ли эти закономерности так же отчетливо для последующих оболочек? Чтобы ответить на этот вопрос, сделаем аналогичные расчеты для заполненных оболочек, находящихся непосредственно под внешними оболочками одновалентных и двухвалентных атомов.

Здесь также потребуются вполне очевидные изменения в расчетных формулах. Сначала запишем эти формулы для атомов с одним электроном на внешней оболочке:

(51)

(52)

Аналогичным образом модифицируем формулы для атомов с двумя электронами на внешней оболочке:

(53)

(54)

Результаты анализа представлены соответственно в таблицах 5 и 6.

Таким образом, сравнение расчетов с фактическими величинами показывает, что электроны в атомах действительно располагаются послойно в электронных оболочках, форма которых близка к сферической.

Таблица 5 Суммы потенциалов ионизации предпоследней оболочки одновалентных атомов

Атом	φ9, эВ	R/RБ	Расч. Σφi, эВ	Факт. Σφi, эВ	Расч./Факт.
11 (Na)	299,7	0,408	1333,33	1299,31	1,026
19 (K)	176	0,695	782,73	769,01	1,018
37 (Rb)	150	0,816	666,67	660,76	1,009
55 (Cs)	150	0,816	666,67	621,7	1,072

Таблица 6 Суммы потенциалов ионизации предпоследней оболочки двухвалентных атомов

Атом	φ10, эВ	R/RБ	Расч. Σφi, эВ	Факт. Σφi, эВ	Расч./Факт.
12 (Mg)	367,2	0,370	1764,32	1702	1,037
20 (Ca)	211,3	0,644	1013,66	982	1,032
38 (Sr)	177	0,768	850	830,4	1,024

Завершая анализ строения электронных оболочек атомов, необходимо кратко упомянуть о так называемой “экранизации” заряда ядра или остова атома электронами оболочек. Об “экранизации” обычно говорят, когда имеют дело с водородоподобными решениями для электронов внешних оболочек.

Каков механизм “экранизации”? Модель сферических электронных оболочек дает возможность уточнить этот вопрос.

Согласно теореме Гаусса [9], на каждую последующую заряженную сферу (по нашей модели электронных оболочек, рис. 8) воздействует только электрическое поле суммарного заряда, находящегося внутри этой сферы. Соответственно, заряд оболочек большего радиуса не может воздействовать на оболочки меньшего радиуса.

Рис. 8. Модель сферических электронных оболочек атома.

Однако в этой простой схеме есть одна не столь очевидная особенность. Дело в том, что каждая заряженная сфера, кроме того, “действует сама на себя”. Заряды, находящиеся на ее поверхности, испытывают на себе воздействие электрического поля, напряженность которого равна половине величины напряженности, создаваемой самой заряженной сферой непосредственно у внешней поверхности:

(55)

Эту величину поля можно получить интегрированием по всем элементарным зарядам, расположенным на поверхности сферы.

Соответственно каждый единичный заряд, находящийся на поверхности сферы, испытывает на себе воздействие силы, численно равной напряженности поля (55), создаваемой всеми остальными зарядами сферы. Поэтому суммарная сила на заряд сферы будет в Q раз больше

(56)

Величину силы (56), действующей на заряд сферы, можно получить и более простым способом - непосредственно из выражения для энергии заряженной сферы (44) путем дифференцирования по R.

Так как сила “самодействия” всегда направлена от центра, то она уменьшает результирующую силу притяжения электронов оболочки к ядру (остову атома). В частности, если внешняя электронная оболочка атома достаточно плотно “заселена”, то результирующая сила притяжения, действующая на каждый электрон оболочки, уменьшается в два раза!

Заметим, что расчетные величины в таблицах 3, 4, 5 и 6, полученные на основе модели заряженных сфер, “автоматически” учитывают рассмотренный эффект взаимного влияния электронов в составе оболочки.

Поэтому соответствие результатов расчетов экспериментальным данным свидетельствует об одновременном и постоянном нахождении электронов в составе сферических оболочек. А, следовательно, электроны не являются независимыми друг от друга и не “размазываются” по квантово-механическим вероятностным “облакам”!

　

Заключение

Проведенный анализ со всей очевидностью показал, что теория атома в ее нынешнем виде нуждается в полном пересмотре, так как она не соответствует реальности и основывается на ошибочных представлениях.

Столь плачевное состояние теории явилось следствием излишней формализации физики в последние десятилетия и фактического отказа от исследования реальных процессов, происходящих на уровне микромира.

Колебания и волны не только реально существуют, но и непосредственно являются основой микромира, из которой вырастает все устройство материи. Волновые процессы определяют строение и ряд масс элементарных частиц, обеспечивают структурирование вещества.

“Приходящие” и “уходящие” волны, существующие вокруг любой частицы, устанавливают равновесие, взаимосвязь и взаимозависимость между всеми (огромными и самыми малыми) объектами Природы.

Наиболее интенсивная частота колебаний в микромире 1,60∙10²³ Гц принадлежит протонам и нейтронам и соответствует удвоенной эффективной массе кварка 332 МэВ. Между кварками в составе нуклонов действует сильное взаимодействие, о чем свидетельствует впечатляющий “дефицит массы” протонов и нейтронов порядка 56 – 58 МэВ.

В то же время, взаимодействие между самими нуклонами является электромагнитным и характеризуется, как известно, максимальной энергией связи в атомных ядрах на уровне 8 МэВ на один нуклон, что по порядку величины (относительно массы нуклона) соответствует постоянной тонкой структуры.

Слабое взаимодействие, связывающее нуклоны с электроном, основано на том, что кварки, входящие в состав нуклонов, имеют немного отличающиеся массы и частоты. Именно с разностной частотой кварков (частотой “биений”) связан электрон, что определило относительно небольшую интенсивность слабого взаимодействия. Соответственно частота электрона 2,47∙10²⁰ Гц и его масса оказываются сравнительно малыми.

Использование квантовой механики при построении теории атома в самом начале было довольно обнадеживающим (например, в спектроскопии). Также как несомненным достижением было введение в теорию микромира особых волн, характеризуемых длиной волны λ=h/p, которые использовались при описании движения частиц. Правда, эти волны были мистифицированы и представлены в виде неких вероятностных характеристик.

Квантово-механический подход к описанию движения электронов в поле атомного ядра предполагает наличие у каждого электрона “отдельной орбитали” с индивидуальными квантовыми характеристиками. Однако решение такой задачи в случае многоэлектронного атома оказалось непосильным, да и сама постановка задачи – ошибочной.

Условие Бора для электронных орбит в атомах (22) может быть истолковано двояко. Первое толкование, чисто формальное, “постулирует” квантование момента количества движения и не имеет физического смысла. Странным образом именно эта формулировка победила и стала доминирующей, а сами слова “квант” и “квантовый” стали синонимом “научности”. А второе толкование, которое исходит из того, что на орбите укладывается целое количество длин волн и указывает на резонансный характер явления, почему-то “не прижилось”, хотя и несет в себе очевидный физический смысл.

Но это не просто различие в трактовке выражения (22)!

С этого момента физика пошла по пути все большей формализации, а в случае теории атома этот путь оказался и формальным, и ложным одновременно.

Электронные оболочки атомов даже отдаленно не напоминают картину, созданную с помощью формализованного аппарата квантовой механики.

На самом деле электроны в атомах теряют индивидуальные свойства, образуя в каждой оболочке единый “коллектив” - бозе-конденсат.

Это означает, что электроны оказываются включенными в общий резонанс и фиксируются в пучностях резонансного поля оболочки, так как именно в пучностях происходит наиболее интенсивный обмен энергией.

Вследствие этого обмена энергией возникают центробежные силы, которые обеспечивают неподвижное “зависание” электронов над ядрами атомов. Такой механизм формирования электронных оболочек атомов снимает известное противоречие, связанное с предполагаемым вращением электронов вокруг ядер (они должны постоянно излучать энергию и неминуемо “падать” на ядро атома!).

Резонансные электронные оболочки характеризуются целым количеством длин волн N₁. При этом так называемое главное квантовое число может быть как целым числом, так и простой дробью n=N₁/N₂ , что объясняется возможностью возбуждения резонанса оболочки на более высокой гармонической составляющей (N₂ - номер гармоники).

Таким оригинальным способом Природа сделала атомы более компактными, а число “посадочных мест” для электронов на электронных оболочках существенно выросло!

Когда-то Р.Фейнман, отвечая на вопрос о том, с чем больше всего у него ассоциируются законы Природы, сказал – с комбинаторикой. Устройство атома является замечательным подтверждением этих слов. “По ходу дела” в атоме происходит подбор наиболее подходящей пространственной гармоники для каждой электронной оболочки (с точки зрения минимума энергии). Более того, распределение общего количества электронов по оболочкам также подбирается, не в последнюю очередь, исходя из того же принципа минимума энергии.

В рамках статьи нам удалось лишь немного приоткрыть тайны атома. Несомненно, предстоит еще огромная работа не только по развитию теории атома, но и масштабные экспериментальные исследования.

Необходимо глубже изучить природу волн (приходящих и уходящих) вокруг элементарных частиц и закономерности резонансов “особого” поля в сферических электронных оболочках. В моих работах я пытался описать эти волны, но не считаю сделанную попытку завершенной [7, 8, 19].

За этим странным названием “продольные волны”, вполне возможно, мы обнаружим еще не одну захватывающую тайну.

Изучение электронных бозе-конденсатов оболочек атомов, очевидно, будет способствовать развитию теории сверхпроводимости и созданию новых сверхпроводящих материалов, которые бы работали при обычных температурах.

Интересно, что наиболее высокотемпературные сверхпроводники при нормальной температуре вообще являются изоляторами. Это, скорее всего, говорит о неподвижности электронов и при более низких температурах - в сверхпроводящем состоянии. Точно также неподвижны электроны и в сверхпроводящих оболочках атомов. И в том, и в другом случаях неподвижные электроны встраиваются в общий резонанс, а возникающий при этом обмен энергией-массой эффективно заменяет реальное движение электронов.

Атом каждого химического элемента должен быть дополнительно охарактеризован целым набором параметров электронных оболочек атомов: частотами, главными квантовыми числами оболочек, числами N₁ и N₂ и т. д. Уточнение характеристик и свойств симметрии электронных оболочек очень важно, так как именно они определяют свойства атомов.

Дополнительные знания об атомах позволят более осмысленно и успешно “конструировать” химические соединения с нужными свойствами, расширить наше понимание принципов формирования самых сложных молекул.

Предстоящие исследования, направленные на уточнение свойств и строения атомов, несомненно, принесут новые открытия и обогатят наши представления о строении вещества.

В заключение считаю своим приятным долгом выразить искреннюю признательность П. И. Радикевичу за неизменную поддержку и ценные замечания.

Литература

1. Фейнман Р. КЭД странная теория света и вещества. Гл. ред. физ.-мат. а. литературы. - М.: Наука, 1988. - С. 144.
2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). М.: Физматгиз, 1963. – С. 704.
3. Шпольский Э.В. Атомная физика. т. 1: Введение в атомную физику. 7-е изд. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. — С. 552.
4. Шпольский Э.В. Атомная физика. т. 2: Основы квантовой механики и строение электронной оболочки атома. 5-е изд. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. — С. 439.
5. Ахиезер А.И., Рекало М.П. Элементарные частицы. М.: “Наука” 1986. – С. 256.
6. Верин О.Г. Солитон и физика. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/12297.html
7. Верин О.Г. Динамика вакуума и солитонная теория элементарных частиц. М.: РТ-Пресс. 2002 г.
8. Верин О.Г. Природа элементарных частиц, квантовая теория и Великое Объединение. М.: Контур-М. 2005 г.
9. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. Главная редакция физ.-мат. литературы. - М.: Наука, 1985. - С.468.
10. Физические величины. Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1991. С 1232.
11. Максвелл Д. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. Перевод под редакцией П. С. Кудрявцева. - М.: Государственное изд. технико-теоретической литературы, 1952.
12. Верин О.Г. Модель Максвелла и свойства вакуума. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8864.html
13. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т .8. М.: Мир, 1966.
14. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т .9. М.: Мир, 1967.
15. Корбанский И.Н. Антенны. Учебное пособие для вузов. - М.: Энергия, 1973. - С. 336.
16. J. A. Wheeler and R. Feynman. Interaction with the Absorber as the Mechanism of Radiation. Rev. Mod. Phys. 17, 157 (1945).
17. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т .6. М.: Мир, 1966.
18. Справочник химика. Под ред. Б.П.Никольского. Т.1 М-Л.: “Химия”, 1982.
19. Верин О.Г. Энергия. Вещество и поле. М. Контур-М. 2006 г.

　

Дата публикации: 12 октября 2014
Источник: SciTecLibrary.ru

---

Вы можете оставить свой комментарий по этой статье или прочитать мнения других в следующих разделах ФОРУМА:

---

Защита интеллектуальной собственности и авторских прав Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения. Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков. Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр. Точные науки и дисциплины Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации. Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение. Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики. Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях. Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им. Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства. Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы. Мозговой штурм Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора. Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда. Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике. Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении. Взгляд в будущее и настоящее Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности. Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний. Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества... Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения. Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете. Гуманитарные науки и дисциплины Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий. Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран. Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными. Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить. Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

---

Хотите разместить свою статью или публикацию, чтобы ее читали все?
Как это сделать - узнайте здесь.

Назад

О проекте	Контакты	Архив старого сайта
Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017 Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.