§ 9-9. Взаимодействие атомов вещества со светом.
Атомные спектры. Атом Бора - Зоммерфельда
Всё началось в 1885 году, с работ Бальмера, а затем Ридберга и Лаймана по изучению СПЕКТРОВ излучения различных веществ. В книге: - «Начала Современной химии» (стр. 35), издательство «Химия» гор. Ленинград 1989 года, Э. Н. Рамсден пишет: - «Если пропустить солнечный свет или свет от электрической лампы сквозь щель и образовавшийся луч направить на призму, из призмы на экран, то на экране появится радужная полоса, состоящая из отдельных чистых цветов. Набор этих цветов соответствует видимому человеческим глазом излучению всех длин волн и называется непрерывным спектром. (Рисунок -1. Из книги Э.Н. Рамсдена).
«Если источником света, является газоразрядная трубка, содержащая некоторый элемент, или если элемент нагреть в пламени, то возникает спектр, состоящий из линий различного цвета на чёрном фоне. Газ конкретного элемента, светящийся
в разрядной трубке, создаёт спектр, состоящий из линий различного цвета на чёрном фоне. Такой спектр называют атомным спектром испускания (или линейчатым) этого элемента. Спектр испускания можно получить для любого вещества, если его очень сильно нагреть. Атомные спектры испускания лежат в видимой и ультрафиолетовой областях спектра».
«Если внести в пламя горелки натрий или его соединения, то излучается жёлтый свет с длиной волны 590 нм, у водорода цвет свечения красновато-розовый. Для наблюдения за спектрами поглощения и испускания используются приборы спектрометры». Существуют также спектры поглощения, их получают, пропуская через вещество белый свет (включающий все длины волн видимого спектра). Свет определённых длин волн поглощается веществом, и на местах поглощения появляются чёрные линии.
Для наблюдения за спектрами испускания и поглощения используют специальные приборы - спектрометры. В начале XX века были известны девять линий спектра, Иоганна Якоб Бальмер (1825-1898) создал формулу, которая позволяет вычислить все длины волн серии Бальмера:
1/l =R' ( 1/ 22 - 1/ n2 ) n = 3, 4, 5 ...
где R' = 10973731·1/m - константа определена Ридбергом и названа "постоянной Ридберга". Получающаяся при этом простая последовательность привела в 1885 году швейцарского физика Бальмера к мысли о том, что здесь скрыт некий закон, связанный со строением атома.
Исследование других спектров проводил Лайман, им были определены числа m = 1, 2, 3, 4.... из формул, выведенных для спектров, подтверждённых большим количеством опытов, выяснилось огромное значение целых чисел m и n в спектральных закономерностях. Изучением спектров и энергии излучения, последовательно занимались физики на протяжении XIX века, накопленные данные, привели Макса Планка в 1900 году, к открытию постоянной – h, названой в его честь, а затем к квантам света.
Поэтому все модели природы, построенные с помощью математики с использованием Постоянной Планка – h, являются КВАНТОВЫМИ. Исследователи задались вопросами: почему спектры дискретны, почему атомы испускают и поглощают свет определённых частот, почему спектральные линии сливаются, образуя континуум. После многих лет изучения спектров, создания теории "абсолютно чёрного тела" и создания Планком идеи квантов, а Эйнштейном – идеи о квантовом взаимодействии вещества и света, датский физик Бор дал ответ на вопрос, на который МОДЕЛЬ атома Резерфорда не давала ответа.
В 1913 году датский физик Бор предложил МОДЕЛЬ атома, в котором энергия электрона и орбита электрона должны быть квантованы. Энергия, необходимая электрону для движения по заданной орбите, зависит от радиуса этой орбиты. Для движения по орбите, удаленной от ядра, требуется больше энергии, чем для движения по орбите, близкой к ядру. При движении по одной из таких орбит электрон не излучает энергии.
"Спектр поглощения возникает при поглощении атомом кванта световой энергии, тогда электрон может перейти с одной из внутренних орбит с энергией Е1, на внешнюю орбиту с энергией Е2. Для этого поглощаемый свет должен иметь частоту - υ, определяемую уравнением Планка: h· υ = E2 - E1".
"Спектр испускания возникает, если электроны, которые ранее были возбуждены, "падают обратно" на "орбиты с меньшей энергией". Электроны отдают свою энергию, испуская её в виде кванта энергии светового излучения с частотой, определяемой уравнением Планка". Так в настоящее время объясняют физики процесс поглощения и излучения света атомами вещества.
Г. Линднер в книге «Картины современной физики» издательство «Мир» 1977 год. (стр. 126…) пишет: «В 1911 году, датский физик Нильс Бор (1885 – 1962) пришёл к своей модели атома – так называемому квантованному условию: орбитальный момент импульса электрона, обращающегося вокруг атомного ядра, может принимать лишь значения, кратные постоянной Планка – h. Согласно Бору, атом состоит из положительно заряжённого ядра и отрицательных электронов на орбите. Почти вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, масса отрицательного электрона в 1836 раз меньше массы протона».
«Электроны, согласно Бору, находятся на стационарных орбитах, при поглощении кванта энергии равного Е = h ·υ электрон переходит на более высокую орбиту, а затем через некоторое время порядка 1/108 s, испускает такой же квант энергии и сваливается обратно на стационарную орбиту. Теория Бора просто объясняла спектральные линии вещества. Для водорода в обычных условиях радиус наименьшей стационарной орбиты составлял 0,53 · 10-10 m, радиусы следующих орбит выражаются как квадраты целых чисел и равны 1, 4, 9 .. · (0,53 · 10-10 m)».
«Однако в спектральных приборах высокого разрешения, пишет Линднер: можно наблюдать, как простые на вид спектральные линии распадаются на отдельные близко расположенные друг к другу более тонкие линии».
«Зная об этих исследованиях, немецкий физик из Мюнхена Арнольд Зоммерфельд (1868-1951 год), предположил по аналогии с небесной механикой, что электроны описывают не только круговые орбиты вокруг ядра, но вращаются по различным эллипсам».
§ 9-10. Квантовое определение спина электрона
«Исследования атомов в сильных магнитных полях привели к понятию пространственного квантования. Каждая из орбит, может принимать различные положения в пространстве; эти ориентации характеризуются магнитным квантовым числом – m, которое в свою очередь определяется значением побочного квантового числа – ι ».
И далее Линднер пишет: «Чтобы полностью исчерпать аналогию с движением планет, кратко упомянем о собственном моменте импульса, или спине электрона. Он связан с вращением электрона вокруг собственной оси – по часовой стрелке или против неё. И вновь спектроскопические данные дали повод для раздумий. В спектрах особенно щелочных металлов, наблюдаются дуплеты – тесно прилегающие друг к другу спектральные линии. Они соответствуют двум близко расположенным уровням энергии электронов, моменты импульсов которых составляют - ½ (h/2π) и + ½ (h/2π), разность между ними равна h/2π. Поэтому электрону приписываются значения спинового квантового числа s = - 1/2 или +1/2».
Рисунок № 134 (Линднер стр.131)
А вот с этим можно поспорить. Несложно доказать, что у электрона имеется только одно направление спина. Результаты этого эксперимента физики трактуют совершенно неверно, только из-за того, что «В спектрах особенно щелочных металлов, наблюдаются дуплеты – тесно прилегающие друг к другу спектральные линии, и они соответствуют двум близко расположенным уровням энергии электронов». На этой основе физики пришли к выводу о наличии положительного и отрицательного значения спина электрона. Однако как следует далее в главе 12 в моей Теории образования и строения ядер атомов, изображённых в таблице «Строение атомных ядер»; наличие s-орбитали и соответственно двух s-электронов на внешней оболочке щелочноземельных металлов определяется энергией двух протонов в альфа-частицах ядрах атомов этих металлов.
Электрические заряды электронов (протонов), (об этом написано в моей книге «Вещество и пространство» в 2009 году), являются импульсами энергии – Рzе; то есть векторами, направленными к положительным зарядам в центре атома – протонам ядра атома. В современной «Теории образования химических связей», электроны находятся противоположно на максимальном удалении друг от друга. Два электрона s-орбитали, в SP-оболочке атома, расположены противоположно, на максимальном удалении друг от друга, в этом «виновато» взаимодействие их круговых магнитных полей (одинаковые заряды отталкиваются друг от друга).
Следовательно, заряды – импульс-векторы - Рzе каждого электрона атома направлены к ядру атома, они расположены по одной линии, следовательно, направлены в разные стороны. Но сторонний наблюдатель, из-за малости размеров атома видит в спектрометре линии этих электронов расположенными рядом, поэтому их ошибочно определяют как частицы, имеющие разнонаправленное вращение.
На самом деле спин каждого электрона имеет одинаковое направление вращения относительно заряда – импульс-вектора - Рzе электрона. Чтобы это понять, достаточно левый электрон, изображённый на рисунке № 134 Линднера расположить вверху на РИСУНКЕ АТОМА ГЕЛИЯ, а правый электрон внизу. Известно, что круговое магнитное поле проводника с током определяется правилом «буравчика», и оно не знает исключений. В проводнике тока магнитное поле поддерживается потенциалом зарядов - импульс-вектора - Рzе в свободном облаке электронов, и в конечном итоге магнитными импульсами - Рмагн.е электронов, имеющими одно единственное направление относительно заряда.
РИСУНОК АТОМА ГЕЛИЯ
pzе – импульс заряда электрона
Рмагн.е – магнитный импульс электрона.
§ 9-11. Квантовая, волновая модель
атома Луи де Бройля
Модель атома Зоммерфельда, с вращающимися на орбитах электронами, была отвергнута по той причине, что скорости движения и размеры орбиты противоречили физическим законам.
Линднер, так же как и другие авторы, пишет следующее: «В свете соотношения неопределённостей корпускулярная модель с механической точки зрения невозможна». Свет увидела идея Луи де Бройля, который «поставил в соответствие каждой частице волну. Электрон не движется по орбите подобно шарику, он имеет форму круговой стоячей волны. Возможны лишь такие окружности, в которые укладываются целые длины волн».
Рисунок 137 на стр. 134 из книги Линднера. «Волновая модель атома. Электрон представлен в виде стоячей волны де Бройля».
И далее Линднер пишет: «Квантование в модели де Бройля является неизбежным следствием закона стоячих волн, причём круговая замкнутая волна не должна излучать никакой энергии».
«Тогда снимается проблема существования стационарных орбит без излучения. Но модель де Бройля не могла полностью отразить трёхмерные процессы, происходящие в атоме. Поэтому следующим был шаг определения свойств двумерных поверхностных объектов, в которых могут также устанавливаться стоячие волны».
§ 9-12. Пространственные квантовые орбитали
Шредингера
П. 9-12-1. Атом водорода Линднера. Говоря о решении проблемы собственных частот трёхмерных колебаний, Линднер об атоме водорода, пишет следующее: - «Представим себе жидкую сферу, находящуюся в невесомости, или крупное облако газа, плотность которого падает по мере удаления от центра».
Рисунок 141 Линднера «Одно из положений электрона в атоме водорода».
Естественно, что никакая жидкость и газ, о которой пишет Линднер, не может заполнять пространство атома, так как любая жидкость и газ состоит из тех же атомов.
Пространство атома заполняет среда пространства находящаяся в сверхплотном состоянии - SP-пространство, именно оно находится в таком состоянии, о котором говорит Линднер. Плотность SP-оболочки сверхплотного пространства максимальна у поверхности протона, являющимся ядром атома водорода.
П. 9-12-2. Волновая модель Э. Шредингера. Далее Линднер пишет: «Эту задачу мог решить только физик с высокоразвитыми математическими способностями, им стал австрийский учёный Эрвин Шредингер (1887-1961), опубликовавший в 1926 году свой труд «Квантование как проблема собственных значений». Электрон здесь представляется как пространственная стоячая волна, распределенная вокруг ядра. Амплитуда колебаний в этой волне описывается знаменитой ψ-функцией. Результат сводился к следующему: различным типам колебаний соответствовали только вполне определённые значения энергии». Очень важно то, что в основе этой Теории лежит, прежде всего, энергия.
«Какая именно форма колебаний возникает, зависит в каждом данном случае, от хорошо знакомых нам квантовых чисел - n, l, m. Вместо параметров электронных орбит в корпускулярной модели они описывают теперь число и вид узловых поверхностей».
Линднер далее описывает объёмные 2-s и 2p-состояния и даёт их теоретическое изображение, однако далее Линднер пишет самое интересное (то же пишут и другие физики): «Первое время после появления волновой модели предпринималось много попыток выяснить физический смысл таинственной ψ-функции. Шредингер с самого начала говорил о «размазанном электроне», заряд которого также рамазан по пространству и распределён по пучностям колебаний. Ещё раньше писали об «облаках заряда»; говорилось, что вообще неизвестно, что колеблется в этих волнах».
«Однако Макс Борн, пишет Линднер, - сразу же показал, что эти волны следует толковать статистически с точки зрения теории вероятности. Сами волны не материальны, они лишь математические выражения, которыми описывается распределение электронов в пространстве. Интенсивность этих волн, выраженная через квадрат амплитуды ψ-функции даёт вероятность обнаружения электрона в данной точке пространства, наибольшая вероятность обнаружить их в пучностях колебаний: для краткости принято говорить о волновых функциях как об орбиталях. Орбитали ограничивают замкнутые пространства. Однако, пишет Линднер, - в какой именно точке находится электрон в данный момент, совершенно невозможно установить путём разумных рассуждений».
Точно установить нахождение отдельного электрона невозможно, однако химики создали прекрасную Теорию взаимодействия электронов между собой на основе свойств их зарядов: одинаковые заряды отталкиваются на максимально доступное расстояние. В главе 13 настоящей книги приведено определение данное химиками: «Атомный остов, включающий ядро и все электронные оболочки, также считается сферическим (с некоторыми исключениями). Сферические облака электронных пар окружают остов так, что их взаимное отталкивание минимально, т. е. они максимально удалены друг от друга».
Физики не сумели точно определить орбиты электронов в атомах, кроме орбиты в атоме водорода. Расстояние от центра атома водорода до электрона на стационарной орбите, определенное Бором, равно 0,53· 10-10 метра. В этих же пределах находится, по расчётам Шредингера, энергетическая К-оболочка и в ней квантованная 1s-орбиталь. Поэтому электрон атома водорода, представленный на рисунке 141, не может находиться в любом месте объёма атома, а только в пределах объёма квантованной 1s-орбитали (энергетической оболочки).
В те годы, физики согласились, с утверждением Макса Борна, что волновые уравнения Шредингера описывают математически не материальные орбитали (энергетические оболочки), на которых находятся электроны.
Физическую - материальную сущность вещества физики по выражению Бора, «заменили математическими правилами квантовой механики», поэтому атом предстаёт перед читателем «Квантовой механики» в виде "абстрактно-ненаблюдаемой суммы уравнений". К этому следует добавить, что ни Шредингер, ни Эйнштейн никогда не соглашались с таким определением М. Борна.
Эйнштейн говорил о том, что «прогресс науки в будущем позволит найти не абстрактное математическое, а физическое понимание квантованных орбиталей Шредингера».
В разработанной мной Теории сверхплотного пространства – (ТСП), физической реальностью является сверхплотное пространство – SP-оболочка сверхплотного пространства вокруг ядра атома. Квантованные орбитали Шредингера находятся в среде SP-оболочки сверхплотного пространства. Энергия квантованных орбиталей Шредингера в SP-пространстве, создаётся энергией зарядов протонов, находящихся в ядрах атомов. Определение величины энергии заряда электрона (протона), выполнено выше в части III, в главе 3.
§ 9-13. Сложные атомы. Принцип неопределён-
ности или нерешённые загадки атома
«Линднер пишет; - «Речь шла о водороде, пришла пора объяснить строение более сложных атомов. Их можно расположить в так называемой периодической системе. Порядок следования определяется порядковым числом. Это число совпадает с числом протонов находящихся в ядре атома, и соответственно, с числом электронов в электронной оболочке».
«Оболочку атома можно представить как систему уровней энергии, расположенных по вполне определенной схеме. Самая «грубая» структура представлена главным квантовым числом – n; более тонкая градация уровней даётся остальными квантовыми числами»».
Линднер пишет: «Из схемы на этом рисунке видно, что с увеличением главного квантового числа n число уровней всё более возрастает. Для определения, того, как устроена оболочка данного конкретного атома, необходимо распределить полное число электронов (совпадающее с порядковым номером в периодической системе) по указанным уровням энергии».
«Если бы наше рассмотрение производилось в рамках классической механики, то ответ был бы получен мгновенно: все электроны устремились бы на низший уровень 1s, соответствующий наименьшему значению потенциальной энергии. При этом они обращались бы столь близко от ядра, насколько это вообще допустимо с учётом их взаимного отталкивания».
И вот Линднер (и не только он, как мы увидим ниже) приводит в обоснование существующих в современной физике воззрений нечто мистическое, он пишет: «Однако такое распределение запрещается принципом Паули (1900-1958), в одном атоме или системе взаимодействующих атомов никакие два электрона не могут иметь совпадающие наборы всех квантовых чисел. Применительно к нашей схеме это значит, что любое состояние из низшего ряда может быть занято только одним электроном. Почему это так мы не знаем, однако настоящий факт является столь же непреложным законом квантовой механики, как и неделимость планковского кванта действия – h. Рассматривая химические элементы по мере увеличения их номера, мы обнаруживаем, за некоторым исключением, (я бы добавил значительным исключением), что электронами заполняются, прежде всего, низшие уровни энергии».
Примечание: Выше в главе 7 читатель уже видит, что Постоянная Планка делима и является произведением импульса кванта энергии умноженной на длину волны света. Впервые в моей книге «Вещество и пространство» издания 2009 года.
В этом вся прелесть квантовой механики, «мы не знаем» почему, так происходят в природе эти процессы и почему так и именно таким образом работают созданные ими уравнения и поэтому физики создали не только уравнения, но и ограничения и запреты, которые ограничивают действия, описанные этими уравнениями. Рассмотрим проблемы атома с точки зрения другого авторитетного физика - Ричарда Фейнмана.
В первой книге лекций по физике - «Законы механики» (издательство Мир 1976 год стр. 47) Р. Фейнман пишет: «Раз атомы сделаны из плюс и минус зарядов, отчего бы минус зарядам просто не усесться на плюс заряды (они ведь притягиваются), от чего бы им не сблизиться до того тесно, что они погасят друг друга? Почему атомы столь велики? Почему ядро находится в центре, а электроны - вокруг него?»
В системе СИ диаметр атома примерно равен 10-10 метра, размер ядра в 100.000 раз меньше размера атома и равен 10-15. «Но почему же электроны не падают на ядро? Это происходит из-за «принципа неопределённости». Фейнман полагает, что: «Если б электрон находился в ядре, мы точно знали его положение и, следовательно, его импульс должен стать неопределённо большим. С такой энергией он бы выскочил из ядра». «Немудрено, что ядро идёт на соглашение с электронами: они оставляют себе какое-то место для этой неопределенности и затем колеблются с некоторым наименьшим запасом движения, лишь бы не нарушать этого правила, то есть, утверждает Фейнман, Принципа неопределённости».
Так один из лучших физиков - теоретиков объясняет принципы устройства атомов тем, что видимо мыслящие ядра и электроны «идут на соглашение», только потому, что они должны выполнять искусственные законы созданные людьми.
Из-за отсутствия реальной физической – материальной картины мира физики создали квантовую механику, в которой реальный мир описывается математическими уравнениями.
Однако, для того чтобы они отражали реальные процессы, происходящие в природе, на них вынуждены были наложить всевозможные ограничения и запреты, всё это в целом приводит к столь мистическим и абсурдным представлениям. Поэтому в моей книге, далее рассказывается о том, что такое материально, квантованные орбитали Шредингера, и почему они соответствуют его уравнениям.
§ 9-14. Пространство, в котором мы живём
П. 9-14-1. Очень краткая история. В своё время физики согласились с предложением Макса Борна: «Что эти волны следует толковать статистически с точки зрения теории вероятности. Сами волны не материальны, они лишь математические выражения, которыми описывается распределение электронов в пространстве».
Это случилось потому, что Макс Борн принял идею Эйнштейна о том, что пространство в целом пустое, в том числе пространство внутри атома, а тем физикам, которые в этом с ним были не согласны, он пытался дать отповедь в своей книге: «EINSTEINS THEORY OF RELATIVITY».
В науке так бывает, когда великий Ньютон дал миру законы притяжения, значительная часть физиков восстала против него, не потому, что его законы были не правильные, а потому, что он не мог объяснить, почему и как это происходит. Его критики смеялись над ним, говоря, что: - «Земля видимо знает, где находится Луна и притягивает её». Формулы Ньютона работали, но причины гравитации были не ясны. Только через два столетия другой великий мыслитель – Эйнштейн, не очень удачно пытался объяснить, как, и почему происходит притяжение. Точно такое же положение существует в «Квантовой механике», её формулы и уравнения, ограниченные различными запретами в определённых пределах работают, но причины физических процессов не известны, объяснить их она не может.
Нечто подобное было в истории науки до Ньютона. Ещё на заре новой эры Птолемей создал модель, в которой вокруг неподвижной Земли по небесной сфере вращались Солнце, Луна и планеты Солнечной системы, он выполнил замечательной точности математические расчеты, которыми люди пользовались 1500 тысячи лет. Человечество пользовалось бы ими и сейчас, если бы Колумб не открыл Америку, Галилей в телескоп не взглянул на планеты, а Кеплер не рассчитал движение материальных планет.
Коперник рисовал схему движения планет вокруг Солнца внутри просторной тонкой сферы (скорлупы), на которой светились и ежегодно вращались звёзды. В изданной в Англии книге Томаса Диггеса, звёзды располагались в бесконечном пространстве, а Д. Бруно предположил что звёзды такие же как Солнце. Только тогда мир неба стал материальным. У Птолемея Солнце, Луна, звёзды и планеты были всего лишь яркими невесомыми, не материальными точками на небесной сфере, учёные сотни лет постоянно спорили, из чего сделана небесная сфера, из хрусталя, золота или железа.
Начался XXI век и учёные спорят, что такое пространство, которое находится между звёздами, между атомами и молекулами, и внутри самих атомов (Фейнман пишет, что внутри атома пространство, в диаметре в 100000 раз больше размера ядра атома).
В предыдущие столетия Ньютон, Эйнштейн, Макс Борн говорили, что пространство это пустота – вакуум, только вещество это материя, и им в настоящее время вторит значительная часть физиков.
Наоборот Декарт и Гюйгенс, Френель и Фарадей, Максвелл, Герц, Лоренц и Пуанкаре считали, что пространство это материальная среда (они называли эту среду эфиром, многие называют её так и сегодня), что эта среда столь же материальна, как и вещество, и у них есть многочисленные последователи.
Интересно то, что Эйнштейн определил действие своих уравнений в пустоте, но практически во всех своих работах он не раз говорит о пространстве как среде взаимодействующей с веществом и даже как эфире. Всё-таки, он был материалист до «мозга костей», и, не смотря на поддержку его теорий Максом Борном, он не соглашался с его математической абстрактной интерпретацией физических процессов в атомах вещества.
© ЛИПОВ Б.Е. 2016 год.