Про атом. Системность формирования структуры и свойства
Дата: 29/05/2014
Тема: Физики и Мироздание


В.И.Поляков, д.т.н., профессор

От редакции. «Статья реально переворачивает физику ХХ века», - предупреждает автор и обращается к нам с просьбой вынести ее на обсуждение «широкой аудитории» нашего сайта. Что мы и делаем, в соответствии с собственным заявлением: Proatom – «площадка для обмена мнениями всех, кто имеет свою позицию».

На сайте PRоАТОМ в статье с названием «Про АТОМ» (31/10/2008) была представлена орбитально-волновая структура атомов, разработанная в одной из глав монографии «Экзамен на Homo sapiens…» [6].


В отличие от вероятностных «орбиталей» Шредингера – Паули и Ко (уравнения для волновых функций состояния электронов в пустом четырёхмерном пространстве теории относительности - ТО), эта модель, была разработана на основе единства законов Природы и системной организации материальных структур в не материальной волновой онтологической среде. Модель объясняет, существование атомов,  формирования всех электронных орбит, магнетизм и т.д.

Модель требовала дальнейшего развития от принципов до возможности расчёта размеров орбит и их размещения в пространстве. Поэтому автор призывал молодых физиков, не совсем зацикленных на современных постулатно-математических догмах, подключиться к формированию «естествопонимания»: «Многое только нащупано, не познано. Есть широкий фронт для развития. «Feci quod potui, faciant meliora potentes. (лат.) - я сделал всё, что мог, кто может, пусть сделает лучше». Энтузиасты не отозвались. Ещё раз убедился в реальности деградации знания и отсутствии стремления к нему, когда вместо аргументов – хамство и невежество. Поэтому, оставаясь в рамках этого афоризма, в статье в журнале «Успехи современного естествознания»[12]  сделан следующий шаг - представлены структуры атомов, обоснованные соответствием мировым константам и объяснением всех экспериментально известных свойств (например, рассчитанные размеры, соответствуют известным  с отличием менее 2 %). В настоящей статье сделаны дополнительные корректировки, пояснения, добавлены страницы со схемами атомов.

Следующий шаг развития модели, для энтузиастов, – разработка полного атласа структуры всех атомов с теоретическим объяснением спектра и других  физических свойств. Хочу верить, что ещё «может собственных платонов и быстрых разумом невтонов Российская земля рождать» (М.В. Ломоносов).

О современной модели атомов

Более 100 лет назад (1911 г) Э. Резерфорд на основе опытов предложил «планетарную» модель атома, согласно которой вокруг положительно заряженного ядра по замкнутым орбитам движутся электроны. Эта модель соответствовала теориям «эфира», развивавшихся выдающимися учёными 18-20 веков: Гюйгенс, Гук, Ломоносов, Юнг, Френель, Навье, Коши, У. Томсон, Стос, Герц, Фарадей, Максвелл, Лоренц, Д. Томсон, Тесла и др. Но уже насаждалась ТО, приписанная А. Эйнштейну. «Эфир» не вписывался в модель четырёхмерного координатно-временного континиума. Теоретики провозгласили, что «микромиру свойственны свои закономерности, отличные от макромира» [13]. Квантовую, ядерную, атомную физику построили на постулатах и математических моделях с множеством полей, без объяснения их природы, сотен частиц и античастиц (элементарных, гипотетических, виртуальных). Нет чётких определений массы (инерционная, гравитационная, равная энергии, изменяющаяся при движении, «тёмная»…), времени (не существует единой шкалы, также как и «мнимое время»), заряда (объект или явление, почему  притягиваются разноимённые и отталкиваются одноимённые?) Частицы - одновременно волны, у них не существуют размеры и траектории движения. В соответствии с постулатами Гайзенберга, де Бройля,  Шредингера, Паули было принято, что положение электронов в атоме неопределённо, оно описывается  волновыми функциями вероятности их нахождения в пространстве – «орбиталями» с некими квантовыми числами (n- главное, l- орбитальное, m- магнитное, s – спиновое) [13].

Эта математическая модель позволила создать атомные бомбы и АЭС, но болтающиеся где-то в пространстве электроны не объясняют структуру атомов, их существование и свойства. Модель не способна объяснить силы связи ядра и электронных оболочек, последовательность их заполнения и соответствующее изменение свойств всех атомов таблицы Д.И. Менделеева.

- Почему электрон в атоме водорода расположен на «боровской» орбите и не излучает?

- Почему орбитали р, d, f, (эллиптические, лемнискаты, «бабочкины крылья» и т.д.) способны экранировать ядро и почему их  заполняют именно 6, 10, 14, 18 электронов?

- Почему размеры атомов в периодах при увеличении числа оболочек уменьшаются?

- Почему свойством магнетизма обладают только Fe, Co, Ni и ещё 6 лантаноидов?

Орбитально-волновая модель структуры атомов закономерно объясняет все их свойства. Поэтому её нельзя охаять, но можно и следует развивать.

Основы системного миропонимания

Построение моделей системной структуры материального мира от единственной элементарной частицы, ядер и атомов до галактик оказалось возможным только на основе представления об единстве мироздания, в котором все материальные структуры закономерно существуют в  единой волновой среде при  непрерывном взаимодействии с ней [2,6]. Такое понимание сущности среды подсказал В.И. Вернадский: «Излучениями НЕ МАТЕРИАЛЬНОЙ среды охвачено всё доступное, всё мыслимое пространство… Кругом нас, в нас самих, всюду и везде, без перерыва, вечно сменяясь, совпадая и сталкиваясь, идут излучения разной длины волны… Всё пространство ими заполнено…» [1]. Вселенная - это единство принципиально различных и дополняющих друга субстанций: материальных масс в не материальной волновой онтологической среде. Эта среда, характеризующаяся наибольшей энтропией и универсальными физическими константами, была названа «Действие, Упорядочивающее Хаос - ДУХ». Безмассовое действие характеризует среду, в отличие от десятков иных современных названий:  «эфир» (кипящий, энергетический, электромагнитный, гравитирующий, газообразный), «живая материя», «фундаментальное энергетическое поле», «физический вакуум». Законы организации сложных  систем позволяют представить  картину материального мира в не материальной среде на основе:

  •              единства законов Природы от микро-мира (10-17 м) до галактик,
  •             системности мироустройства («кирпичик» - «блок» - структура),
  •             оптимальности структур,
  •             единства противоположностей.
На этих принципах и на основе анализа сотен работ в монографиях [2,6] даны обоснования, определения и объяснения природных сущностей: материя, масса, заряд, время, кванты, все типы полей. Это позволило представить семи-уровневую картину системного устройства материального (массового) мира из частиц массонов.  Масса частицы – «мера инерции в среде» равна массе электрона me = 9,10939·10-31 кг. Массон – первичная структурная единица материи, представляющая собой сферическую стоячую волну, окружённую «облаком» среды, соответствующим комптоновской длине волны - λK. Волновое движение среды создаёт силу притяжения/отталкивания, называемую заряд. Заряд частицы – свойство массы. Оно определяется движением среды вокруг суммарной координатной оси вращения по двум осям одного знака, а третья ось вращения определяет спин частицы. Направление вращательного движения среды ДУХ при приближении к частице с полюсов противоположно: вращение «против часовой стрелки» на северном и «по часовой стрелке» на южном полюсе. Массон – это единство противоположностей + и –  в сферической структуре (позитрон и электрон, Инь и Ян - [) [4]. Частицы «позитроны» - это математическая модель (знак минус перед корнем). Так же как иные античастицы, они не существуют в Природе!

Масса и размер частицы однозначно определяются универсальными постоянными, являющимися характеристикой среды: магнитная постоянная 1/μ0 (м/Гн) - энергия, отнесённая к массе электрона - м22,  электрическая постоянная 1/ε0 (м/Ф) - безразмерный коэффициент ослабления силы электрического заряда, постоянная Планка h (Дж·с) - минимальная передача энергии  единичным вихрем в среде. Радиус массона можно определить по λК :
 Re = 2πλК0)1/2 =  2π h ε00)1/2 / me = 4,536·10-17 м . 

Первочастицы материи образуются в соответствии с законами Природы из квантов «фонового» излучения Вселенной («реликтовое» в теории Большого взрыва) в атмосфере звёзд [3,5, 6], а из них – тоже закономерно структуируются нуклоны, ядра, атомы [6-12]. В настоящей работе теоретически обоснована структура атомов.

Основные принципы формирования атома в среде ДУХ

Предлагаемая модель атома - следствие общности законов Природы на всех уровнях её организации. «Природа не роскошествует в идеях» (Ньютон), и закономерности системного образования структур делают их подобными. При разнице массы Солнечной системы и атомов более чем на 50 порядков,  различие в структурных соотношениях - в несколько раз. Отношение массы всех планет к массе Солнца 1:750, а массы электронов на орбитах атомов к массе ядер 1:(2000÷4000). Все орбиты расположены в одной плоскости (отклонение 1о-3о), квантованы по расстоянию, круговые (средний эксцентриситет, кроме крайних, 0,040). По аналогии следует предполагать:

·         структура атомов сферическая,
·         электроны экранируют  заряд ядра на определённых, квантованных орбитах;
·         орбиты – круговые, расположены, в основном, в экваториальной плоскости ядра.

Эти особенности обусловлены электромагнитным взаимодействием среды ДУХ, её волновым движением. При вращательном движении наибольшая скорость и наибольшие силы взаимодействия с электронами выражены в экваториальной плоскости ядер. Поэтому заполнение орбит электронов во всех периодах (слоях n) должно начинаться с  экваториальной плоскости 1s, 2s, 3s … Аналогия атомов с планетарной системой ещё глубже. В Солнечной системе можно выделить три аналогичных атомным групп орбит.

Первому периоду s1 соответствует 1 планета – Меркурий, 2 и 3 периоды - группа планет р3 представлена Венерой, Землёй и Марсом, а 4 и 5 периоды - группа d5  орбит – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Рождение орбит электронами в атомах – это «преобразование  частицы в волну», которое естественно объясняется двойственностью заряда массона [4-7,11]. Массон при приближении к ядру в вихревом движении среды (заряд +) подвергается то силам притяжения, то отталкивания, и условие существования частицы - соотношение между объёмом и поверхностью нарушается. Магнитный момент электрона, являющийся характеристикой движения среды, в 658 раз превышает магнитный момент протона и под воздействием этих сил формируется торообразная волна (Rе-тор=1,94·10-20 м). Это преобразование возможно только на «боровской» орбите радиусом a0, где соблюдается условие:  2πa0 = α-1λK = α-1h/mec = 3,325·10-10 м (1/α = 137,036 - постоянная тонкой структуры - соотношение, определяющее условие волнового взаимодействия электрона и среды ДУХ, а λK = 2,426·10-12 м комптоновская длина волны = размер «облака» среды ДУХ вокруг электрона).

Электроны на орбитах в атомах - это стоячие волны, которые не переносят  и не испускают энергии (объяснение постулата Бора). Волна в сфере стала волной в торе с возрастанием поверхности в 1560 раз. Волновая орбита формирует магнитный поток 1,741·10-19 А·м2, который на четыре порядка больше, чем у электрона-частицы.

Магнитное поле - безмассовый поток среды ДУХ формирует волновые орбиты электронов и  единое магнитное поле атомов.


Формирование волновых орбит электронов в атомах

Волновые орбиты электронов в атомах формируются по единым правилам последовательно и соответствуют периодам элементов в таблице Менделеева. Электронные оболочки в каждом периоде определяют сферическую поверхность расположения волновых орбит, каждая из которых занимает оптимальное положение для компенсации заряда ядра. 

Орбиты строятся последовательно от одноэлектронной s1 группы щелочных металлов и двух электронной s2 у второй группы элементов в экваториальной плоскости ядра. Эти орбиты определяют сферическую поверхность атома. Затем у элементов 3-ей и следующих групп для экранировки протонов в ядрах последующих элементов, волновые орбиты последовательно формируются в плоскостях, параллельных экваториальной, «выше» и «ниже» её.
Каждый период начинается с появления в атоме одного электрона в экваториальной плоскости следующего «слоя» орбит – 1s1, 2s1, 3s1 и т.д. Относительно слабо связанный электрон определяет свойства первой группы элементов: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Размер орбит,  при котором существует передача импульса электрона mec  среде ДУХ - h определяется постоянной тонкой структуры 1/α и «комптоновской» длиной волны λK. Условие существования волновых орбит – образование стоячих волн, которое возможно при  отражении и взаимном сложении волн, полуволн, и четверти волн. Условиям образования стоячих волн у атомов первой группы элементов соответствуют длины окружности орбит: 1H – 1(λК ) = 0,3325 нм,  2He – 2(λК/α)3Li – 3(λК/α), 11Na - 3,5(λК), 19K – 4,5(λК/α), 37Rb - 4,75(λК/α), 55Cs -5(λК). Размеры орбит определяют размер атома, и эти орбиты соответствуют с погрешностью менее 2 % известным размерам атомов [14] (табл.1).

Таблица  1. Размеры волновых орбит, определяющие размеры атомов

Закономерно происходит и формирование двухэлектронных орбит s2. Две волны с противоположно направленными спинами создают в торообразной структуре абсолютно устойчивую «стоячую» волну. Усиливается связь с ядром, уменьшается размер атома.

Радиус орбиты s2 меньше, чем s1. Эта разница (кроме 3 периода) составляет 3/4(λК/α), что соответствует сложению двух волн с разными спинами.

Орбиты со «спаренными» электронами - энергетически выгодная структура – основа формирования всех оболочек атомов. Они формируются сразу после одноэлектронных орбит в следующем по заряду ядра атоме. Это и определяет особую устойчивость чётных атомов. Такая последовательность соответствует изменению свойств атомов и модели альфа-структуры ядер [11], в соответствии с которой нечётные атомы формируются прибавлением в ядре блока n-p-n, а следующие чётные - альфа-частицы. Эта модель опровергает правило формирования орбит Гунта [13], но объясняет все виды радиоактивности и служит подтверждением гениальной догадки В.И. Вернадского: «Закономерная бренность химических элементов, их генетическая связь, происхождение одного от другого выявляются только при изучении их как атомов… Для каждого рода атомов есть своя неизменная череда… Беря историю любого атома в космическое время, мы видим, что он через определённые промежутки времени, сразу, одинаковыми скачками переходит в другой атом, другой химический элемент» [1].

Подоболочки p, d, fв атомах также формируются с образованием стоячих волн на орбитах.

Для компенсации заряда ядра в каждом последующем элементе таблицы Менделеева орбиты должны соответствовать появлению протонов в поверхностных слоях ядер. Эти орбиты располагаются в плоскостях, параллельных экваториальной, «выше» и «ниже» её, имеют меньший радиус и уменьшают размер атома. Вo 2 и 3 периодах параллельно экваториальной орбите s2 (до 10Ne и 18Ar), внутри неё, формируются 3 орбиты р: «выше», «ниже», а затем и в экваториальной плоскости; в 4 и 5 периодах  до 36Kr и 54Xe «выше», «ниже» и в плоскости s2 последовательно формируются 5 двухэлектронных d-орбит, после них - орбиты p; в 6 и 7 периодах -  формируются 7 двухэлектронных  f-орбит, ,а затем d и p. Такая закономерность формирования орбит в последовательности  атомов объясняет квантовые числа 6, 10, 14 и свойства атомов. Она представлена в табл.2 (верхний и нижний индексы соответствуют орбитам «выше» и «ниже»  экваториальной; в 4 и 5 периодах орбиты d формируются сначала ближе к экваториальной d2 и d2 и затем более удалённые dВ1dН1).

Таблица 2. Размеры атомов и формирование волновых орбит в  1 - 4 периодах

Такой же порядок заполнения волновых орбит предполагается и в следующих периодах. В 6  и 7 периодах после s2 последовательно заполняются 7 волновых орбит  подоболочек 6f и 7f затем 5 орбит подоболочек d, затем орбиты p. В 7 периоде – только радиоактивные элементы. Формирование подоболочки  f  завершается  у103Lr. Размер атома достиг предела возможности удержания ядром электронов, и подоболочка d уже не может сформироваться. Периоды полураспада у следующих «элементов» – секунды. Этих элементов не может быть в Природе. Многолетние поиски «острова стабильности» – бесплодны.

Размещение в пространстве орбит определяется их взаимодействием с зарядом ядра и ближайшими электронными орбитами. Анализ показывает, что появление орбиты s2 после s1 приводит к уменьшению размеров атомов в среднем на 0,039 нм, а появление одноэлектронных орбит р1  и р1  во 2 и 3 периодах каждая уменьшает размер атома на 0,016 нм. Два электрона р-орбит на сфере сравнимы по силе с одним электроном s-орбиты. Это позволяет предположить, что р-орбиты расположены на угловой координате 45о от экваториальной плоскости. На рис. 1 и 2 приведены примеры расчётных схем структуры атомов кислорода (2 период – 2 оболочки) и серы (3 период – 3 оболочки).

Роль магнетизма в формировании атомов

Важная особенность волновых электронных орбит в атомах обусловлена постоянной тонкой структуры 1/α = 137,036. Малая добавка к целому числу полуволн обеспечивает малый сдвиг стоячей волны, эквивалент токового движения. Электронные орбиты в  атомах формируются как единое электромагнитное поле атома. Это многооболочечное поле надёжно экранирует заряд ядра, обеспечивает существование атомов в химических соединениях. Хотя связь одного электрона на один протон в ядре на дальних от него орбитах ослаблена, но зато волновое движение в электронных орбитах  создаёт  в среде ДУХ  движение вихрей – магнитный поток. Магнетизм объясняет тенденцию уменьшения размеров атомов во всех периодах. Например, радиус атомов лантаноидов (6 период 57La÷71Lu) 0,187÷0,175 нм, что меньше, чем у 20Са в 4 периоде 0,197 нм, а радиус атома  78Pt  в 6  периоде 0,139 нм меньше,  чем 3Li во 2 периоде 0,157 нм [14]. Магнетизм объясняет существование  атомов тяжёлых ядер, в которых электрические силы притяжения ослаблены расстоянием и экранировкой электронами.

Значительное внешнее магнитное поле характерно для 3 элементов в 4 периоде и 6 элементов в 6 периоде. В табл.2 видно, что магнетизм у 26Fe (магнитный момент 2,216 μВ) «вдруг» проявился после построения двух одинаковых одноэлектронных волновых орбит dВ1 и dН1,  значительно удалённых от экваториальной плоскости (60о). У следующих элементов 27Co и 28Ni (1,715 μВ и 0,616 μВ) достраиваются двухэлектронные оболочки dВ2 и dН2. Эти орбиты - аналог  кольцевых токовых, формирующих магнитный поток атома. Расчёт длины волновых орбит  подтверждает, что у этих элементов Природой создан «соленоид» из 5 орбит 4dB2dH2 -2p2р2 -1s2. У меди по закону структуирования атомов после завершения строительства орбит 4dB2dH2 следует ожидать появление орбиты 4d1. Однако вследствие магнетизма структуры происходит отрыв электрона с орбиты s2 и у меди формируется более близкая к ядру орбита  4d2. При этом за счёт удаления орбиты s1 размер атома возрастает, «соленоид» растягивается, и магнетизм у атома меди и последующих элементов не проявляется. «Появление» магнетизма у элементов после марганца и его исчезновение у меди иллюстрируется схемами атомов на рис. 3,4,5,6,7  (одноэлектронные орбиты отмечены ----, двухэлектронные ____ ).

Магнетизм среди лантаноидов обусловлен построением у  6 элементов «соленоидов» из орбит f. Он  появляется у 64Gd (7,63 μВ) при построении на дальних от экватора орбит  fВ2 fН2 . У следующих элементов 65Tb, 66Dy, 67Ho, 68 Er  достраиваются ещё более удалённые орбиты fВВ2 fНН2 и возрастает магнетизм  (9,34; 10,33; 10,34; 9,1) μВ. У 69Tm с появлением  экваториальной орбиты f1 магнетизм снижается (7,14μВ), а у 70Yb (орбита f2)– отсутствует.

Заключение

Орбитально-волновая модель атомов основана на взаимодействии материальных частиц с онтологической средой ДУХ и универсальных постоянных – характеристиках этой среды. Она объясняет физический смысл этих констант, позволяет закономерно представить расположение всех электронных орбит в атомах в соответствии с периодами и группами  в таблице Менделеева, объясняет изменение  их размеров, всех физических и химических свойств (магнетизм, спектры атомов, валентность, стабильность…). Главное достоинство представленной модели – логичность, системность и визуальная понятность структуры атомов.  Это служит надёжным подтверждением соответствия Природе представленной модели атомов и является залогом дальнейшего её уточнения и развития.  

Физика ХХ века, используя сложнейшие математические методы, рисовала формулы, но оказалась не способной нарисовать атомы.  В.И. Ленин, как философ, писал: «Электрон также не исчерпаем, как и атом». Наука в XXI веке может представить и электрон, и атом на философско-гуманитарном уровне (с физическим подтверждением). «За работу, товарищи!».


Список литературы.

1.                   Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера// М.: Рольф. - 2002.- 576 с.
2.                    Поляков В.И. Экзамен на “Homo sapiens”. (От экологии и макроэкологии… к МИРУ)// Саранск.: Изд. Морд. Гос. Университет. - 2004. - 496 с.
3.                    Поляков В.И. Системный  ДУХ  вместо  вакуума и хаоса//   Успехи современного естествознания. - №9.- 2004.- С.65-66.
4.                    Поляков В.И. Электрон = позитрон?! // Современные наукоёмкие технологии.-№11.- 2005.- С.71-72.   
5.                   Поляков В.И.Рождение материи// Фундаментальные исследования.- №12.- 2007.- С.46-58.
6.                   Поляков В.И. Экзамен  на  Homo sapiens – II. От концепций естествознания ХХ века – к  естествопониманию// М.: Изд. Дом  «Академия естествознания».- 2008. - 596 с.
7.                     Поляков В.И. Естественнонаучная модель атома// Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: Материалы III Межд. конф. (Томск 23-27 июня 2009).-Томск, 2009.- С. 460-465.
8.                    Поляков В.И. Структура нуклонов из единственной элементарной частицы// Успехи современного естествознания.- №6.- 2010.- С. 50-55.
9.                   Поляков В.И. Концептуальные основы структуры мироздания//Атомная стратегия XXI.- №2.- 2011.
10.               Поляков В.И. Почему стабильны протоны и радиоактивны нейтроны?// Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: IV Межд. Конф. (Томск, 5-7 июня 2013). – Томск, 2013.- С. 415-419.
11.                Поляков В.И. Основы естествопонимания структуры нуклонов, ядер, стабильности и радиоактивности атомов.- Там же. – С. 419-423.
12.                 Поляков В.И. Структура атомов – орбитально волновая модель// Успехи современного естествознания. №3. 2014.- с.108-113
13.                 Трофимова Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов// 17-е изд.- М.: «Академия». -2008.- 560 с.
14.                 Физические величины: Справочник// А.П. Бабичев и др.; Под ред. И.С.Григорьева, Е.З. Мелихова.- М.: Энергоатомиздат.- 1991. - 1232 с.


Рис.1. Структура атома кислорода (период 2)


Рис.2. Структурная схема атома серы (период 3, заполняются оболочки 3 слоя; экваториальная орбита 2р2 ошибочно обозначена 2р2, приношу извинения)



Рис. 3. Структура атома марганца (период 4, заполнена оболочка 4dВ1)




Рис. 4. Структурная схема атома железа (период 4, появление орбиты 4dН1 формирует «соленоид»: 4dВ1dH1 -2p2р2 1s2)



Рис. 5. Структура атома кобальта (4 период, формирование двухэлектронной орбиты 4dВ2 сохраняет «соленоид»)



Рис. 6. Структура атома никеля (период 4, появление двухэлектронной орбиты 4dН2, «соленоид» сохраняется)




Рис. 7. Структура атома меди (период 4, появление орбиты 4d2 и 4s1  вместо 4s2 у никеля привели к увеличению размера атома и исчезновению «соленоида»; на схеме одноэлектронная орбита 4s1  ошибочно обозначена 4s2; приношу извинения)








Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=5327