Электромагнитного излучения атомов нет, так как система «ядро-электрон» в динамически устойчивом (резонансном) состоянии сбалансирована взаимными электромагнитными полями.
Согласно классической электродинамике, электрон, совершая периодические движения в атоме, должен индуцировать магнитное поле. Но тем не менее в стационарном состоянии атом в целом не излучает. Следовательно, согласно той же теории, ядро формирует еще одно поле, по уровню напряженности равное полю электронного «облака». Векторы полей в каждой точке пространства равны и направлены встречно, сумма полей вдали от атома равна нулю, энергия из атома не уносится, и источники излучений не теряют своей энергии, а взаимно поддерживают равновесное состояние. Таким полем может быть поле вращающегося ядра атома. Итак, согласно классической физике, ядро в атоме является источником излучения, которое компенсирует излучение электронов и удерживает энергию в атоме.
Атом водорода (протия) уникален и любое рассмотрение модели на его базе неизбежно требует определенных допущений. Поэтому для максимального упрощения модели и подобия другим элементам рассмотрим атом дейтерия.
Ядро дейтерия – наличие протона и нейтрона. Эта пара вращаясь со смещенным положительным зарядом по окружности Rа создает магнитное поле с действующей силой + Fэм , электрон, вращаясь в том же направлении также создает магнитное поле с уравновешивающей силой - Fэм . Так как заряды одинаковы и противоположны происходит сложение полей в системе «ядро-электрон». Они обнуляются, а система « ядро-электрон» находится в равновесном резонансном состоянии под действием сил притяжения и центробежной силы (гравитационный диполь).
При воздействии внешней электромагнитной волны электрон находясь на стационарной n-орбите, увеличивает (уменьшает) в начальный момент угловую скорость и вызывает разбалансировку действующих электромагнитных сил системы до достижения условия для масс Мя = Мэ= const(m) на новом n– (+) 1 уровне, где m– номер стабильного энергетического уровня. Стабильность системы восстанавливается за счет большей инерции массы ядра Мя = const и противодействующих электростатической и магнитной силами атома. Т.е. система стремится к восстановлению динамической устойчивости.
Переменной величиной при переходе на другую стационарную орбиту выступает угловая скорость электронов. Изменение угловой скорости электрона (торможение или ускорение) влечет за собой разбалансировку системы действующих сил и обеспечивает ∆ Fэм – разность электромагнитных сил системы «ядро-электрон». Которая действует как тормозящая или ускоряющая для ядра При постоянном воздействии внешнего электростатического поля атом находится в «возбужденном» состоянии или ионизации. Рассмотрим ситуацию, когда на атом, находящийся в сбалансированном и несвязанном с другими атомами состоянии, действует электромагнитный импульс (например световой) совпадающий с фазой движения электрона. Электрон получает линейное ускорение (момент импульса) воздействуя на ядро ∆ Fэм, полученной от этого внешнего воздействия и направленной в сторону вращения ядра. В свою очередь ядро, получив импульс торможения, но имеющее значительно большую инерционность, приобретает ∆ q воздействуя на электрон ∆ Fэм притягивая его и тормозя. Электрон, получив отрицательный импульс от ядра изменяет угловую скорость и возвращает электромагнитный импульс (в квантовой физике испускает фотон) с той же длиной волны совпадающий по фазе (резонансный отклик – как камертон).
Примером использования этого эффекта является лазер. Если подразумевать под фотоном импульс волны. то можно воспользоваться следующим объяснением:
«В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным. Вынужденное излучение обладает удивительным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца.» (1)
Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров. Хаотичное воздействие ионизации на атом водорода обеспечивает известную картину восстановления стабильного состояния атома водорода с разных энергетических уровней:
Ионизация – это переход электрона под действием внешних сил (напр. облучение) на другие уровни орбиты от балансового уровня на валентный стационарный уровень или отрыв n - ∞. Любая электролитическая химическая реакция также приводит к изменению внешних орбиталей. Данная система в ионизированном состоянии неустойчива и стремится восстановить состояние равности полей. При этом облучение, химические реакции гальваники, другие электролитические реакции, электролиз являются процессами последующего восстановления равновесия полей системы «ядро-электрон». При молекулярной ионизации процесс значительно сложней, но имеет ту же сущность.
Скачкообразного перехода с «исчезновением» электрона не происходит. Просто система выходит из резонансного состояния и электрон как бы «пропадает» из «видимости» - из системы взаимодействия с другими микрообъектами и затем «возникает» после восстановления стабильного (устойчивого) состояния. При этом источником излучения во внешнею среду является электрон (внешний колебательный контур). Система «ядро-электрон» является по сути сложным резонансным контуром, где присутствует электростатические (конденсаторы) и электромагнитные (индуктивности) поля (рис.) Во всех случаях система стремится занять положение, близкое к состоянию с максимальной потенциальной энергией – вернуться в состояние резонанса. Недостаток энергии компенсируется поглощением энергии волн, а избыток выбрасывается в виде тех же волн.
Математики прошлого века многократно указывали на абсурдность схемы вероятностного метода определения состояний электрона А. Эйнштейна. (Вспомним кота Шрёдингера). В частности Э. Шрёдингер после приведения доказательств в пользу резонансных свойств системы, писал:
«Если бы упрощенная схема четко определенных энергетических состояний и резких переходов между ними работала во всех случаях (чего на самом деле, я думаю, нет), то следовало бы постараться вписать эту схему в согласованную теорию. К настоящему времени ничего подобного такой теории не существует, и я не вижу ни перспективы для ее создания, ни даже каких-либо побуждений к этому — по изложенным только что соображениям. В настоящее время эта схема не обладает внутренней согласованностью, причем не только оттого, что мистерия квантовых переходов продолжает присутствовать в ней со времен своего первого появления в теориях Планка (1900 г.) и Бора ( 1913 г.), но и по иным соображениям, тесно связанным с этими первыми.» (2) Стр.272 Шрёдингер Э.
Вернемся к формуле 1
ν = R ( 1/n² - 1/ m²):
1/ m² является коэффициентом Фурье для гармоник основных частот, при n = const, m = n + 1,2,3,4,5... Следовательно возбуждающими воздействиями может быть ¼ волны всего спектра частот описываемых этой формулой.
Таким образом можно предположить, что для «раскачки» системы «ядро – электрон» внешним воздействием необходимо совпадение фазы электромагнитной волны (знака импульса) этого воздействия с фазой стоячей волны самого электрона. При полном соответствии проявляется эффект удвоения воздействующего импульса (см. лазер), а при частичном – за счет ∆ М электрона (движение в зоне проводимости) возникновение электрического тока в проводнике (фотоэффект). Красная граница фотоэффекта при этом условна и определяется максимально возможной длиной волны возбужденного валентного электрона в конкретном проводнике с наибольшим радиусом орбиты. При достижении условия Vэм <1¼ V эл. мin , где Vэм – частота источника излучения, V эл. мin - частота возбужденного электрона на самой удаленной орбите фронт воздействующей полуволны начинает оказывать не только ускоряющее, но и тормозящее воздействие на электрон. Т.е. продолжительность воздействующего импульса должна быть меньше 1¼ полупериода волны электрона на максимально удаленной орбите и совпадать по знаку. При этом энергия импульса должна быть достаточной для совершения работы выхода электрона. Учитывая тот факт, что моментом импульса является фронт полуволны, частота следования импульсов может принимать значения < νкр и кратна n + ½. Логично, что при больших значениях энергии воздействующего импульса (но с продолжительностью меньше 1¼ полупериода νкр) или состоянии электрона в крайне возбужденном состоянии (например на ридберговских орбитах) красная граница может смещаться в длинноволновую область спектра.
Безусловно эта модель весьма упрощена и использованы законы классической электродинамики. На самом деле взаимодействие волн и элементарных солитонов гораздо более сложное. Рассматривая спектры поглощения, С.Э. Фриш «Оптические спектры атомов» (3) характеризует состояние движения электрона в атоме следующими квантовыми числами:
- главное квантовое число n, значения 1,2,3,4,5,6,…
- побочное квантовое число L , значения 0,1,2,3,4… (n-1) (момент количества движения принимает значения 2(L+1/2)) определяет численное значение орбитального момента, а следовательно форму орбиты и степень возмущения в поле ядра атома.
- квантовое число Mj , определяющее число возможных ориентаций момента электрона относительно преимущественного направления вращения при значениях j = L ± ½
- квантовое число Ms, принимающее значения ± ½ , собственный механический момент электрона (спин) имеет 2 значения: Ms х ħ = ± ½ ħ.
Квантование опять определяется действующей ½ полуволны (фронтом) с учетом спина (±) электрона. Далее логично предположить, что квантование должно также происходить по линейной зависимости от числа адронов (протонов и нейтронов) ядра конкретного элемента в таблице Менделеева. И как видно из того же источника (3 § 10-12) это так и происходит. Например для элементов расположенных по горизонтали частота резонансных линий является линейной функцией от атомного номера Z (Na, Mg, Al, …). Причем для этой группы
√ν/R = Z/3; (n=3). (14)
Или √ν/R = Z/n; ν = Z² х R /n, в этом случае n определяется номером орбиты валентного электрона для каждой группы.
Магнитное воздействие на ядро атома также приводит к резонансному отклику системы. Ядерный магнитный резонанс, как и другие виды магнитного резонанса, можно описать классической моделью гироскопа. В постоянном магнитном поле H0 пара сил, обусловленная магнитным моментом m, вызывает прецессию магнитного и механического моментов, аналогичную прецессии волчка под действием силы тяжести. Магнитный момент m прецессирует вокруг направления H0 с частотой w0 = gH0, угол прецессии d остаётся неизменным (см. рис.). В результате воздействия радиочастотного поля H1 резонансной частоты w0 угол d изменяется со скоростью gН1рад/сек, что приводит к значительным изменениям проекции m на направление поля H0 даже в слабом поле H1.
С квантовой точки зрения ЯМР обусловлен переходами между уровнями энергии взаимодействия магнитных дипольных моментов ядра с полем H0. В простейшем случае изолированных, свободных от других воздействий ядерных спинов, условие £= -ħHom (m = I, I — 1,..., ..., — I) определяет систему (2I +1) эквидистантных уровней энергии ядра в поле H0. Частота w0 соответствует переходу между двумя соседними уровнями.
Как видно квантовая теория использует аналог макромира и здесь также присутствует элемент квантования: (2I + 1)=2(I +1/2).
Вся таблица Менделеева четко синхронизирована квантовыми значениями и определяется массой элементарных солитонов, значением их зарядов и ориентацией движений. Система «ядро – электрон» откликается только на «резонансные» для неё частоты возбуждающего излучения и может излучать на связанных как разница дебройлевских частот. Мы видим, чувствуем, измеряем, фиксируем с помощью имеющихся органов чувств и приборного комплекса средств построенных из «наших» атомов той же таблицы Менделеева. Все выпадающие частоты имеющие значения отличные от частот (основной и гармоник) резонансного взаимодействия системы «ядро – электрон» для нас «невидимы», хотя утверждать, что их не существует и не существует обыкновенного, «классического» взаимодействия преждевременно. Просто на настоящий момент у нас нет соответствующих средств измерений. Классическая физика включается как раз на этой границе.
Волновое резонансное взаимодействие элементарных солитонов и электромагнитных волн доказал и математически обосновал Э. Шрёдингер. Чтобы не обременять настоящий материал существующими доказательствами приведем только выдержку его выводов и логику этих доказательств:
«Принцип суперпозиции не только ликвидирует разрывы между «стационарными» состояниями и позволяет нам, нет, более того, принуждает нас допускать промежуточные состояния, не устраняя дискретности «энергетических уровней» (поскольку их роль играют собственные частоты); этот же принцип полностью ликвидирует прерогативу стационарных состояний. Сам эпитет «стационарное» становится устаревшим. Каждый, кто бы ни познакомился с квантовой (волновой) механикой, не зная предшествовавшей теории Планка—Эйнштейна—Бора, не будет склонен думать, что квантовая система в каждый данный момент времени отдает предпочтение лишь одной из собственных мод. И все же именно такое «предпочтение» подразумевается при текущем использовании слов «энергетические уровни», «переходы», «вероятности переходов». Упорное постоянство такого стиля мышления понятно, ибо громадные и остроумнейшие достижения, основанные на идее порций энергии, должны были сделать свое дело и превратить в укоренившуюся привычку точку зрения на произведение планковской постоянной и частоты как на «порцию» энергии, теряемой одной системой и приобретаемой другой. Но как же еще следует понимать этот точный «подгон» в великой «двойной бухгалтерии» Природы? Я утверждаю, что во всех случаях это можно понимать как явление резонанса. Следовало бы, по крайней мере, попытаться рассматривать атомные частоты именно как частоты, отбросив пресловутую идею о порциях энергии. Я обращаю внимание на то, что слово «энергия» используется ныне в двух совершенно различных смыслах: в макроскопическом и в микроскопическом. Макроскопическая энергия — это «количественная концепция». Микроскопическая же энергия — это «качественная концепция» или «концепция интенсивности»; вполне уместно было бы говорить об энергии высшего класса и энергии низшего класса — в соответствии со значением частоты v. Правда, как это ни странно, величина макроскопической энергии получается суммированием, с соответствующими весами, по упомянутым частотам, и здесь использование константы h дает правильный результат. Однако это еще отнюдь не означает с необходимостью, что в каждом отдельном случае микроскопического взаимодействия происходит обмен целой порцией hv макроскопической энергии. Я уверен в допустимости рассмотрения микроскопического взаимодействия как явления непрерывного — без утраты при этом и весьма ценных результатов Планка и Эйнштейна о макроскопическом равновесном распределении энергии между излучением и веществом, и любых других достижений теории, основанной на «порциях энергии», в понимании явлений. Одного лишь следует придерживаться — того, что представляет собою неотъемлемое следствие волнового уравнения, в какой бы форме оно ни использовалось для решения той или иной задачи, а именно: что взаимодействие между двумя микроскопическими физическими системами контролируется специфическими законами резонанса. Эти законы требуют, чтобы разность двух собственных частот одной си- системы равнялась разности двух собственных частот другой системы:
А): v1 — v1' = v2 — v2 '
Такое взаимодействие описывается, соответственно, как постепенное изменение амплитуд рассматриваемых четырех собственных колебаний. Уже вошло в привычку умножать обе части этого равенства на h и твердить, что первая система падает с энергетического уровня h v1 на уровень h v1', причем энергия, равная разнице уровней, передается второй системе, позволяя ей повысить свою энергию от h v2 до h v2' Эта привычная интерпретация устарела. Ничто не заставляет ее придерживаться, но она служит помехой пониманию того, что происходит в действительности. Приверженцы этой интерпретации упрямо отказываются по-настоящему осознать принцип суперпозиции, который дает нам возможность предусматривать одновременные постепенные изменения любой в отдельности и всех вместе амплитуд, не избегая и существенных разрывов, если таковые имеются, например разрывного изменения значений частоты. Следует уточнить, что условие резонансаA) может учитывать три взаимодействующие системы и более многочисленную группу систем. Условие это может, например, приобретать вид
В): v1 — v1' = v2 — v2 ' + v3 — v3 '
Более того, можно принять, что две или большее число взаимодействующих систем рассматриваются как одна система; это дает повод переписать A) и B) в следующем виде:
v1 + v2 = v1'+ v2 '
т. е. условие резонанса формулируется так: в процессе взаимодействия участвующие колебания должны быть составляющими одной и той же частоты. Это не ново. Незнакомым является молчаливое допущение, что частоты аддитивны, когда две или большее число систем рассматриваются как формирующие единую систему. Это допущение представляет собой неизбежное следствие волновой механики. Так ли уж противоречит оно нашему здравому смыслу? Если я выкуриваю 25 сигарет в день, моя жена — 10, а дочь — 12, разве не расходует вся наша семья в день 47 штук — в среднем? В качестве одной из простейших фотохимических реакций мы можем рассмотреть фотоэлектрический эффект, который послужил одной из главных причин, побудивших Эйнштейна в 1905 г. пустить в обращение гипотезу световых квантов. Если металлическую пластинку облучить светом достаточно высокой частоты, то ее тут же начнут покидать электроны с энергией, соответствующей этой частоте. Не будет никакой задержки во времени, даже тогда, когда интенсивность падающего света столь слаба, что в соответствии с электронной теорией Лоренца, которая в те времена была наиболее популярна, электрону потребовалось бы полчаса на то, чтобы набрать такую скорость. Современники расценили это как убедительное доказательство внезапности передачи целого кванта энергии от света к электрону. И сегодня, боюсь, считается так же. По-моему, нынешняя ортодоксальная интерпретация сводится к следующему: Падающий луч света вызывает в каждом из десятков тысяч электронов крайне малую вероятность в следующее мгновенье перепрыгнуть в состояние более высокой трансляционной энергии; соответственно малая доля этих десятков тысяч так и поступают, выскакивая из металла, и именно поэтому данная игра начинается без промедленья. Однако в соответствии с волновой интерпретацией, т. е. согласно общепринятым идеям де Бройля и автора этой статьи, падающая световая волна производит отклик в виде наблюдаемых цугов электронных волн повышенной частоты, выскакивающих из металла (наблюдать дебройлевскую частоту электронов то же самое, что наблюдать их скорость). Но если признавать нашу волновую интерпретацию, то зачем еще нужна та вероятностная схема? Разве не становится беспочвенной сама идея о мистических внезапных скачках одиночных электронов? Для чего нужны эти скачки? Без волн обойтись нельзя, и нам ничего не стоит доказать это. Достаточно лишь поместить пробирку с кристаллической пудрой на пути электронного потока и зафиксировать интерференционное изображение того типа, что впервые было получено Г. П. Томсоном (оно может оказаться не столь красивым, как томсоновское, но и оно послужит гарантией, что волны те же).
Процессы одиночного взаимодействия между микросистемами («столкновения»)
И кроме химии имеются области теоретических исследований, для которых упрощенная схема индивидуальных составных частей микросистем, расположенных на четко определенных энергетических уровнях, с резкими переходами между ними, обеспечивает весьма удобную «стенографическую запись», сокращенное описание. Почти любое термодинамическое рассмотрение значительно облегчается принятием этой схемы при дискуссиях и размышлениях; это если и приводит к какой-то разнице в результатах, то к очень небольшой. В этом таится определенная угроза. В неразрывном союзе речи и размышления предпочтение, как это ни парадоксально, отдается речи. Когда мы слышим одни и те же слова снова и снова, да еще произносимые с авторитетностью, то мы склонны забывать, что именно значили первоначально эти слова-сокращения, повторением которых нас понудили поверить в то, что они описывают некую реальность.
Реальной трудностью волнового аспекта является точное соблюдение при отдельном событии баланса энергии (и импульса), о котором явно свидетельствуют упомянутые регистрации (на фотопластинке или в камере Вильсона).
Ограничимся простейшим случаем: рассмотрим альфа-частицу с данной начальной скоростью в вильсоновской камере. Такая частица дает трек вполне определенного размера; она всегда останавливается, пройдя определенное расстояние, 5 см, скажем. Произведя некоторое число актов ионизации, практически всегда одно и то же, соответствующее расходу своей кинетической энергии, частица в итоге останавливается. Разве мы можем понять этот процесс, если будем считать, что ионизация означает не передачу порций энергии, а только явление резонанса? Да, это неплохой аргумент. Однако трудность в таком понимании процесса торможения частицы исчезает, если это торможение обусловлено статическим полем — гравитационным или электрическим, против сил которого движется частица. В последнем случае, если мы представим себе частицу наглядно в виде сложного волнового образования (обычно называемого «волновым пакетом»), то оно, в соответствии с волновой теорией, действительно испытает в целом замедление и придет, на том же расстоянии, в состояние покоя в целом, когда его «кинетическая энергия растратится». Происходящее сводится к тому, что все части рассматриваемой системы медленно, «адиабатически» увеличивают свою длину волны в процессе объединения. Для лучшего понимания реального случая, о котором идет речь, стоит придерживаться такой точки зрения: ионизуемая среда воздействует на частицу, проходящую сквозь нее, так же адиабатически, как на нее действовало бы некоторое поле. Почему бы не считать такую точку зрения совершенно приемлемой; раз мы уже решились избавиться от того наваждения, что физические процессы состоят в непрестанных последовательных мелких припадках и судорогах», в передаче «из рук в руки» порций энергии от одной частицы (или группы частиц) к другой? (или группы частиц) к другой?
Я уверен, что даже явно катастрофические события (в микромире) не обязывают нас принимать «воззрения припадков и судорог»; я здесь имею в виду явления, регистрируемые как «звезды», которые позволяют видеть ядра, разорванные на куски соударением с быстрой частицей. Эти явления происходят лишь при воздействии чрезвычайно быстрых частиц, дебройлевские волны которых обладают чрезвычайно высокой частотой. А это как раз наводит на мысль о том, что и эти явления также могут оказаться «медленными», адиабатическими процессами, ибо критерий «медленности» всегда состоит в том, что процесс должен быть медленным в сравнении с быстро осциллирующим волновым полем. Приходится, разумеется, пользоваться вспомогательной концепцией, знакомой физикам-квантовикам,— концепцией волновых пакетов в пространстве более чем трех измерений; на самом деле число измерений этого пространства втрое превышает число частиц, участвующих в игре. Распространяться на эту тему здесь на более обобщенном уровне не стоит. К тому же я вполне сознаю, что в конце-то концов здесь так и остался без ответа важнейший вопрос: что же такое эти наглядно представляемые частицы? Допустимо ли такое понимание, при котором эти частицы располагаются в пределах непрерывных цугов волн — как нечто вроде белесых гребешков на волнующемся море — и что в некоторых случаях они составляют единственную наблюдаемую особенность таких волновых цугов? Я отдаю себе полный отчет о сущности этих вопросов. Они, я бы сказал, уж не настоль нам страшны. И прежде чем углубиться в их сущность, мы сейчас зададимся вопросом несколько иным: чем наверняка не являются частицы (микромира)? Так вот они не являются чем-то долговечным, маленьким, обладающим индивидуальностью».Шрёдингер Э. (2 Стр. 284)
Таким образом Э. Шрёдингер камня на камне не оставил от идеи сторонников «элементарных частиц». В микромире нет взаимодействия твердых тел и передачи энергии путем соударения. Есть резонансное взаимодействие электромагнитных волновых пакетов имеющих базовую частоту.
Это первый уровень резонансного электромагнитного взаимодействия в микромире - атомы и электромагнитные волны.
Продолжение безусловно следует...
Литература:
1. Физика Лазеры
2. Шрёдингер Э. Избранные труды по квантовой механике. М.,
«Наука», 1976 г., 422 с.
3. Фриш С.Э. Оптические спектры атомов. Москва, ГИФМЛ, 1962.