. Фізична природа магнітних полюсів. Фізична природа обмінної енергії.
М. А. Гайсин
Автор даної статті хоче повернути наочне фізичне уявлення структури електронної оболонки атома. І тому, вирішуючи цю проблему, змушений піддати критиці, деякі висновки отримані, як вважає автор, через занадто вільної інтерпретації принципів квантової механіки.
По-перше, з принципу невизначеності Гейзенберга, що полягає у принциповій неможливості одночасно точно визначити положення мікрочастинки в просторі і її імпульс, зроблено висновок, що для мікрочастинки неприйнятно поняття про траєкторію руху, оскільки воно пов'язане з конкретними координатами та імпульсом частинки. Автор даної статті вважає, що це спірне твердження, так як неможливість теоретично визначити траєкторію мікрочастинки не означає її відсутність у фізичній реальності.
Отже, в основу квантової теорії атома Бора покладено два постулати:
1. Атом не випромінює і є стійким лише в деяких стаціонарних станах відповідних дискретного ряду значень енергії. Будь-яка зміна енергії пов'язано з квантовим переходом з одного стаціонарного стану в інший.
2. При переході з одного стаціонарного стану в інший атом випускає або поглинає світло певної частоти у вигляді кванта випромінювання (фотона).
Постулати Бора були всебічно підтверджені експериментально. Але ж постулати Бора і модельна теорія атома Бора, є поданням одного цілого, тому що для визначення дозволених значень енергій атома (квантування його енергії) і для знаходження характеристик відповідних стаціонарних станів Бор застосував класичну механіку. І більше того, тільки використовуючи більш уточнені руху електронів в модельній теорії атома Бора (по еліптичних орбітах) та враховуючи екранування зовнішнього електрона в полі ядра і внутрішніх електронів, німецьким фізиком А. Зоммерфельдом вдалося пояснити ряд закономірностей спектрів лужних металів.
Автор вважає що, в світлі попередньої критики і міркувань, модельна теорія атома Бора є більш кращою, ніж квантовомеханічна.
Автор же, для подальшого розвитку модельної теорії атома Бора, пропонує думках зробити кілька моментальних знімків атома водню. Тоді на знімках було б видно, що електрон формує орбіту обертання і напрям обертання. На думку автора, це дуже важливо, так як по напрямку обертання по орбіті атома першого електрона, визначається напрямок обертання по орбіті атома і всіх інших електронів. Інакше поля зарядів електронів при зустрічних рухах створили б ефект взаємного відштовхування. Так як у зарядів рушійних електронів існують магнітні взаємодії і при однобічному русі електронів магнітні взаємодії притягають їх один до одного, а при зустрічних рухах відштовхують їх один від одного. Це добре видно на прикладі взаємодії струмів в металевих провідниках малюнок 1.
Малюнок 1
При однобічному русі струмів (електронів) провідники притягуються, а при зустрічних рухах струмів (електронів) провідники відштовхуються.
Автор вважає, що принцип мінімуму енергії не є визначальним при побудові електронної конфігурації атома, так як кількість енергії електрона є наслідком перебування електрона на відповідному рівні. Тобто не електрони будують оболонку атома, а атомне ядро з електронів будує свою оболонку. Начебто нюанс, але дуже важливий, тому що дозволяє ввести як основний принцип побудови електронної структури, фізичне явище, яке добре відомо у фізиці плазми, але яке до цих пір не враховується при теоретичному побудові електронних конфігурацій атомів. Це ефект екранізації заряду атомного ядра зарядом електрона. Та з істотним доповненням, з урахуванням співвідношення їх розмірів. Об'ємний розмір електрона мізерно малий щодо об'ємних розмірів атомного ядра і ця різниця збільшується зі збільшенням заряду атомного ядра ще на три порядки. А це дуже суттєвий фактор. Так як, дає можливість припустити, що інтенсивність екранізації заряду атомного ядра максимальна саме по орбіті обертання електрона рис. 2. З різким зменшенням екранізації в напрямок полюсів. З одного боку електрон буде проявлятися, при зіткненнях, як частка, що має неподільним зарядом і масою. У той же час електрон, як рушійна точка екранування заряду ядра, буде поширюватися подібно хвилі володіє певною частотою і певною довжиною. Тобто з введенням поняття локальної екранізації заряду ядра зарядом електрона, квантово-хвильовий дуалізм електрона набуває очевидний фізичний сенс.
Малюнок 2
З ростом заряду і розміру атомного ядра, при повній екранізації заряду атомного ядра електронами по екватору, не екранізовані полюсні воронки обертання атома сформують нові ярусу електронних орбіт. Рішення рівняння Шредінгера для одноелектронних іонів He +, Li2 +, Be3 + показує стислість орбіталі з-за більшого заряду ядра. Тому, по екватору обертання атома буде максимальне стиснення орбіт обертання електронів, а на полюсних електронних ярусах стягує центр обертання буде працювати тільки на утримання, і тому розміри орбіт будуть обмежені тільки не екранізованими полюсними воронками обертання. Це є першим фактором величезних розмірів атома щодо атомного ядра. Другим фактором є міжорбітальних відштовхування зарядів електронів. Звідси видно, що електронна конфігурація атома не оболонкові, як прийнято вважати, а орбітально ярусна. На малюнку 3 показані проекції електронних оболонок деяких атомів. З точки зору квантової механіки всі проекції рівноцінні і показують структуру електронних хмар атомів. А автора ж цієї статті цікавлять тільки ті проекції, які відображають обертове тіло - pz., Dz2, fz 3.
На проекції pz малюнка 3 ясно видно стислий екватор обертання атома і роздуті полюсні бульбашки. На проекції dz2 малюнка 3 добре видно тор, сформований з електронних орбіт, який додатково екранізує екватор обертання атома. На проекції fz 3 добре видно полюсна багатоярусна електронна структура атома має електронний енергетичний підрівень f. А решта проекції енергетичного підрівня f малюнка 3, автор статті вважає малоінформативними, тому що по них практично неможливо уявити справжній вигляд атома.
Малюнок 3 [Основи будови речовини]
У початковій модельної теорії атома Бора не було пояснення, чому два нейтральних атома водню, з'єднуються в молекулу водню, і не було пояснення природи валентності.
У хвильової механіки систем частинок для пояснення цього питання була створена теорія гомеополярной молекули. У теорії гомеополярной молекули введено поняття обмінної енергії. За цією теорією обмінна енергія величезна за величиною, і її неможливо уявити в класичній векторної формі, і не можна пояснити фізично. І обмінна енергія існує в тому і тільки в тому випадку, коли розподіли щільності ймовірності для двох частинок одного сорту перекриваються. За цією теорією, якщо спінові вектори обох електронів мають однакові знаки, обмінна енергія відповідає відштовхуванню між атомами, і молекула утворитися не може. Якщо ж вектори спінів мають протилежні знаки, обмінна енергія відповідає тяжінню атомів і утворення молекули. Тобто електрони двох атомів водню здатні утворити пару з протилежними спрямованими векторами спина і при цьому і самі атоми повинні мати протилежні спінові моменти.
У моделі атома, яку пропонує автор, не потрібно використанні додаткової сили для пояснення природи зв'язку двох атомів водню і при цьому є очевидне фізичне уявлення зв'язку з цим. І так, не екранізовані полюсні зазори атома мають спрямовані обертання зарядних полів електронів. На умовному малюнку 4 затемнена область показує не екранізовані полюсні зазори. При збігу напрямку обертання полюсів не екранізовані полюсні зазори атомів притягують полюсні електрони один одного див. малюнок 5.
Малюнок 4
Малюнок 5
Розглянемо останнє твердження детальніше. Струм створюється рухом електричних зарядів, значить і рухаються по орбітах навколо ядра в атомі електрони являють собою кільцеві мікроструми і вони повинні створювати навколо себе магнітне поле. Атоми стягує магнітна взаємодія однонаправлені обертаючих електронів. Кожен електрон навколо ядра атома є елементарним магнітиком. Магнітний момент електрона, що рухається по орбіті, перпендикулярний площині орбіти. Полюсні електрони двох атомів створять загальну орбіту, якщо будуть мати різно спрямовані спини. І ця електронна орбіта буде належати обом взаємодіючим атомам. І так обмінна енергія складається з трьох складових:
1. Тяжіння атомними ядрами загальної полюсної електронної орбіти;
2. Тяжіння самих атомів один до одного магнітними взаємодіями однонаправлені, що рухаються.
3. Тяжіння один до одного полюсних електронів атомів як двох магнітиків з різно спрямованими спинами.
А при зустрічному напрямку обертання полюсів, атоми відштовхуються. Якщо взяти два атоми водню з різно спрямованими спинами див. рис 6, то при суміщенні полюсів, атоми водню створять молекулу водню, тому що будуть мати одне спрямоване обертання електронів з протилежними спинами див. рис 7.
Малюнок 6
Малюнок 7
На малюнку 8 показані приклади полюсних зв'язків атомів.
рисунок 8 [Основи будови речовини]
У тексті до малюнка 8 [Основи будови речовини.] - "Між двома атомами в хімічній частинці можлива тільки одна σ-зв'язок. Всі σ-зв'язку володіють осьовою симетрією щодо меж'ядерной осі. Фрагменти хімічних частинок можуть обертатися навколо меж'ядерной осі без порушення ступеня перекривання атомних орбіталей, що утворюють σ-зв'язку "- у неявній формі описується односпрямоване рух електронів двох взаємодіючих атомів.
Північний і південний магнітний полюс є полюсами обертання зарядного поля одного об'єкта і тому не можна отримати магнітний монополь.
У моделі атома, яку пропонує автор, в атома є два рівноправних магнітних полюси. Хімічна взаємодія атома з іншими атомами може відбуватися як через південний, так і через північний полюс. Структура молекул при цьому буде ідентична, тим не менш, молекули будуть мати різні характеристики магнітних полюсів.
Подивимося це на прикладі молекули аміаку рис. 9.
Малюнок 9. Два можливі стани молекул аміаку NH3
Атом азоту формує з атомами водню молекулу аміаку, як через північний, так і через південний полюс. І ці два види молекул по-різному поводяться в електричних полях, тому їх можна сортувати, тобто відокремлювати один від одного за допомогою електричних полів.
Список літератури
Основи будови речовини. Методичний посібник. Москва 2004 МІТХТ Кафедра неорганічної хімії.
Поляризаційне гальмівне випромінювання частинок і атомів. Москва "Наука" 1987