Строение атомов. Модели.

В настоящее время существуют две наиболее распространенные модели атомов. Одна из них вытекающая из экспериментальных данных и вторая модель, строящаяся на теоретической основе.

Первая является результатом экспериментальных данных, осуществленных Резерфордом. До этого существовала модель строения вещества, которая называлась модель Томпсона. К этому времени уже был открыт электрон и Томпсон полагал, что электроны расположены в веществе, как изюмины в тесте булочки.

Резерфорд бомбардировал тонкие слои металла альфа частицами и следил за траекториями этих частиц. В этих экспериментах он обнаружил, что некоторые альфа частицы проходят через металл без изменения своей траектории, и таких большинство, некоторые отклоняются на различные углы, а некоторые отклоняются и вовсе обратно.

В модели Томпсона такого быть не должно. Электрон не может оттолкнуть альфа частицу обратно. Во-первых он слишком мал, а во-вторых их заряды противоположны и они должны притягиваться, а не отталкиваться. Если бы альфа частицы отталкивались средой ("тестом "), в котором находились электроны, то они отталкивались или не отталкивались бы одинаково.

Это навело Резерфорда на мысль о том, что в веществе есть некоторые участки (сгустки), которые обладают положительным зарядом, и их масса больше массы альфа частиц.

По углам рассеяния альфа частиц можно было оценить, какую площадь сечения занимают эти положительные участки. Эти экспериментальные факты и привели Резерфорда к выводу о том, что вещество обладает планетарным строением.

Внутри атома находится положительное массивное ядро, а вокруг него располагаются электроны. Подобно того, как наша солнечная система. Внутри солнце, а вокруг планеты. Только наша солнечная система плоская, а атом круглый.

Но тут для ученых земного шара возникло затруднение. Электрон не мог стоять на некотором расстоянии от ядра, он должен был упасть из-за силы притяжения его ядром. Но и вращаться он не мог, так как он при вращении обладал центростремительным ускорением и поэтому терял энергию (об этом к этому времени это было уже известно), а это приводило к немедленному падению его на ядро.

Дело попытался спасти Бор. Он предложил считать, что электрон не всегда, вращаясь вокруг ядра, излучает энергию. На некоторых расположениях от ядра он ничего не излучает и поэтому может там находится сколь угодно долго. Предполагалось, что он все время движется по каким- то траекториям, которые назвали, кто орбитами, а кто орбиталями.

И теперь как будь то ученых укусила какая-то муха: они перестали искать силы, которые не позволяют упасть электрону на ядро, силы, которые удерживают электрон в составе атома и силы, заставляющие электрон вращаться вокруг ядра. Они все бросились искать устойчивые орбиты, на которых электрон не излучает. Почему он не излучает? этот вопрос уже никого не интересовал - главное найти эти орбиты или орбитали. Это оказалось не так, то просто.

Но тут же нашелся "гений" Шредингер, который объяснил бестолковым ученым, что электрон – это не какая-то частица в обычном понимании, а это волна и только в некоторых вероятностных случаях это частица. Только вероятность может подсказать, что именно в этой точке и с такой-вероятностью мы сможем увидеть эту частицу. А в общем случае это волна и она может даже давать интерференционную картинку. Некоторые мудрецы даже ставят опыты с интерференцией электронов и получают такую картинку, но не понимают, что там происходит. Они полагают, что интерференционную картинку создают электроны, а это не так и это легко доказать. Если бы картинку создавали сами электроны, то на буграх мы замеряли бы один потенциал, а во впадинах другой потенциал. Современная техника позволит это сделать. В действительности в этом случае электроны излучают фотоны, которые и создают интерференционную картинку. Так что с волновыми свойствами частиц следовало бы не торопиться.

Но ученых уже было не удержать. За дело взялись корифеи науки, такие, например, как Ричард Фейнман. Он решил уравнение Шредингера для атома водорода. Он нашел эти устойчивые орбиты и показал, что происходит, когда электрон переходит с одной устойчивой орбиты на другую тоже устойчивую. Естественно, что только при переходе с орбиты на орбиту электрон излучает или поглощает порцию энергии, которую и назвали квантом. Это изменение энергии электрона отражается в гамильтониане энергии в уравнении Шредингера. На одной орбите у электрона одни параметры гамильтониана, а на другой другие. Фейнман в гамильтониан, при решении уравнения для атома водорода, включил потенциальную энергию электрона относительно ядра и кинетическую энергию его движения по орбите. Как он решил это уравнение с такими параметрами, я описал в статье "Ричард Фейнман об устройстве атомов". Желающие могу почитать, я здесь скажу только о результатах вычислений.

Во-первых, оказалось, что результаты вычислений зависят от некоторых чисел n, l и m которые называются квантовыми числами. Естественно, что природе до этих чисел никакого дела нет.

Во-вторых, интересен момент перехода электрона с одной орбиты на другую. Когда электрон поглощает ту или иную порцию энергии, то он устремляется к другой устойчивой орбите, но в зависимости от параметров полученной порции энергии, он сначала проскакивает эту устойчивую орбиту, затем возвращается обратно к этой орбите, снова может ее проскочить, и так может сделать несколько колебаний относительно точки равновесия. Количество колебаний как раз и зависит от этих самих квантовых чисел n, l и m.

И это действительно так. Это похоже на движение груза, подвешенного на пружине. Стоит нам мгновенно увеличить или уменьшить величину груза, и он начнет двигаться. Он может проскочить точку равновесия, поколебаться около этой точки и затем успокоиться. То же будет происходить, в случае вращения груза на пружине около точки подвеса. Точка равновесия груза в каждом случае будет зависеть от величины груза и его скорости вращения. Так же ведет себя и электрон, только в природе устойчивые положения его вращения квантуются не числами, а величиной энергии кванта (фотона).

Вот такая математическая модель атома водорода. Какая от этой модели польза на практике я не знаю, тем более что она не верна. И не верна она даже не только со стороны физики, но она не верна и со стороны математики.

Фейнман сделал несколько упрощений в решении уравнения (о них я написал в статье), но главное он забыл, или и не знал, что в гамильтониан следовало включить магнитное поле ядра. Именно оно не позволяет электрону упасть на ядро. Это самая грубейшая его ошибка. Естественно, что также нельзя фиксировать состояние ядра, ведь оно тоже должно подчиняться уравнению Шредингера и тоже как-то влиять на положение электрона в ядре.

Вот такая вторая модель атома. Как видите, она решается только для водорода и то не верно. А о много электронных атомах и говорить не приходится. Уже для гелия это уравнение невозможно решить.

Совсем другое дело, если развить планетарную систему строения атомов Резерфорда. Опереться не только на его опыты и опыты Кулона, но и на опыт Кауфмана, который объясняет отклонение движущихся электронов в магнитном поле, которое как раз и не позволяет электрону упасть на ядро. Опыты по рассеянию электронов на протонах подтверждают это. Привлечь в рассмотрение системы гравитационное взаимодействие электронов и фотонов (гравитонов), которые не позволяют электрону покинуть атом. И вообще опереться на здравую обычную логику. Только в этом случае можно понять строение атомов. На этой модели легко понять, что такое спонтанное и вынужденное излучение, верно понять работу мазера и лазера, физику преломления света и многое другое, которое может оказаться полезным на практике.

В статье “Атом, его устройство” я как мог показал такое строение атома для водорода, но эти предположения возможно распространить и на другие атомы. Несмотря на простоту строения атома, его невероятно трудно синтезировать. Казалось бы, возьми протон, запусти летать вокруг него электрон и атом водорода готов. Но не тут, то было, иначе мы бы уже давно наделали водородного топлива сколь нам угодно. Почему так? Да потому, что очень сложно, даже невозможно, на этом уровне развития науки и, соответственно, техники, подобрать резонансную пару (электрон – обменный фотон), которая могла бы удерживать электрон в составе атома. А если пара не резонансная, то происходит акт спонтанного излучения. Время этого излучения зависит от близости энергии фактического обменного фотона к энергии резонансного фотона.

Вывод из сказанного можно сделать следующий: опираясь на квантовую теорию строения атома, можно что-то измерять, пытаться строить и как-то с ней работать, чтобы получить какую-нибудь практическую пользу, а опираясь на теорию, вернее его уравнение, ничего с атомом делать невозможно. Человечество не может сознательно строить вероятностное. Оно получается само, а нам это не нужно.