Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Экзамен на «Homo Sapiens – II». От концепций естествознания ХХ века – к естествопониманию

Поляков В. И.,

4.5.4. Орбиты электронов в атомах в среде ДУХ

Квантово-механическая модель атома, построенная «на песке» из формул и квантовых чисел не объясняет главного - «почему так». Достигнутое на примере атома водорода понимание формы существования электронов в атоме, позволяет рассмотреть заполнение более сложных электронных оболочек и их пространственное расположение.

Из единства законов Природы следует, что формирование устойчивой стоячей волны в атоме водорода на 1s оболочке следует распространить на все орбиты всех атомов:

•Ø   если электрон в поле протона перешёл в волновую форму, аналог кругового тока на первой боровской орбите, то такова же должна быть Природа электронов при наличии двух и десятков протонов в ядре;

•Ø   если существование электрона в атоме водорода в виде волны - «электронного жгута» закономерно объясняется структурой электрического поля протона и полностью соответствует физическим законам и константам, то такова же Природа существования электронов на всех оболочках всех атомов;

•Ø   если электрические силы протона наиболее выражены в его экваториальной плоскости, то подобная, хотя и не идентичная, структура электрического поля должна быть характерна и для ядер более сложных элементов.

Это значительно упрощает понимание структуры атомов и её последующее математическое представление через взаимодействие ядра с круговыми токами. Поэтому следует констатировать:

все электроны в атомах представляют волновое движение среды ДУХ, локализованное в виде электронных жгутов на определённых орбитах.

Оболочка s¹ во всех атомах является крайней, и электроны на ней оказываются наименее связанными с ядром. Поэтому атомы H, Li, Na, K, Rb, Cs и Fr в химических реакциях активно отдают его, причём, чем дальше от ядра электрон, тем слабее он удерживается, и возрастает химическая активность элемента. В чём причина слабой связи электрон s¹? Предыдущая оболочка полностью заполнена, и этот электрон удерживает всего единичный заряд ядра, действующий на достаточно большом расстоянии. Такой «одинокий» электрон может легко взаимодействовать с другим приблизившимся электроном. Li и другие элементы первой группы активно вступают в химические взаимодействия, объединяя свой электрон с электроном другого элемента. По мере увеличения размера ядра от Li к Fr s¹-электрон оказывается всё более удаленным и химическая активность элементов возрастает.

Появление на орбитах s второго электрона, в соответствии с природным принципом формирования систем из двух подобных, но различающихся составляющих (см. 2.3.3), подтверждённым в физике принципом Паули, возможно только в том случае, если он будет чем-то отличаться от первого. В данном случае, это отличие в спине. Такое образование единой системы из двух электронов с разными спинами объясняется вихревым движением среды ДУХ. Когда два материальных объекта вращаются в разные стороны, то между объектами создаётся однонаправленный поток ДУХ, сближающий их. В данном случае на орбите притягательной силой может быть разное направление вращения вдоль третьей пространственной оси электронов - спины.

Однако если на одной орбите не могут находиться две планеты, то возможно ли, чтобы два электрона вращались вокруг ядра по одной орбите? Как бы они вращались друг за другом, будучи частицами? Можно утверждать, что в Природе не возможна такая стабильная система, как атом гелия с двумя частицами-электронами на одной орбите. При самых незначительных изменениях параметров электрического или магнитного поля оболочки типа s² у всех атомов должны развалиться: электроны, получив разные импульсы, разлетятся или столкнутся. Выход из этих противоречий физика постулировала, но не объяснила. Единственным способом существования двух электронов на одной орбите является суперпозиция двух волн. Две волны с одинаковой частотой, но противоположно направленные, создадут в торообразной структуре абсолютно устойчивую «стоячую» волну, которую можно назвать по аналогии с круговым проводником тока - «двух-электронный жгут».

Стоячие волны хорошо изучены. Простейший пример такой волны - плоская волна. Вот как описано её образование и существование в физике. «Положим, что две плоские волны, вполне одинаковые по своим характеристикам, идут навстречу друг другу. Нас интересует возникающее колебательное движение среды, в которой распространяются волны. Различие в направлении распространения учитывается различием знаков координаты в уравнениях волны... Результат вычисления такого сложения волн весьма интересен. Сумма двух бегущих волн не дала волнового движения.

Y= 2A cos 2πx / λ cosωt

Полученная формула указывает на наличие колебаний с амплитудой 2A cos 2πx / λ , разной в разных местах пространства. Своеобразное колебательное движение среды, возникающее при движении в противоположные стороны двух одинаковых бегущих волн, носит название стоячей волны. Ещё раз подчеркнём, что стоячая волна не есть волна. Бегущая волна переносит энергию, а в стоячей волне никакой передачи энергии от точки к точке нет; бегущая волна может двигаться вправо и влево, у стоячей волны нет направления распространения. Это название характеризует колебательное состояние среды.

В чём особенность этого колебательного состояния? Прежде всего, мы видим, что колеблются не все точки среды. В местах пространства, удовлетворяющих условию х = λ / 4, 3λ / 4, 5λ / 4,... амплитуда колебаний равна нулю. Соответствующие места носят названия узлов стоячей волны. Расстояние между двумя соседними узлами вдоль оси х, по которой были пущены бегущие волны, равно половине длины волны. Между двумя узлами лежат точки, которые колеблются с наибольшей амплитудой, равной 2А. Эти точки называются пучностями стоячей волны.

В стоячей волне передачи энергии нет. Как описать тогда в терминах энергии процессы, происходящие в этом своеобразном колебательном движении? Очевидно, что энергия стоячей волны (какой либо области, в которой она существует) есть величина постоянная. В тот момент, когда все точки проходят положение равновесия, вся энергия точек, захваченных колебанием, является кинетической. Напротив, в положении максимального отклонения точек от положения равновесия энергия всех точек тела является потенциальной.

 Стоячая волна - важнейший колебательный процесс: разного вида стоячие волны возникают в телах ограниченных размеров, по которым распространяются упругие волны. Упругие волны отражаются от границы тела со средой и отправляются в среду обратно. В ограниченном теле возникает сложное колебательное состояние, являющееся результатом наложения на исходную волну всех других волн, которые отразились от стенок и вернулись в среду.

Например, для случая стержня, закреплённого в обоих концах, на концах стержня должны образовываться узлы волны смещений. Так как расстояния между узлами равно половине длины волны, то возможные длины волн связаны с длиной стержня условием L = n λ /2, где n - любое целое число» [32].

Отличие волнового движения в двух-электронном жгуте от рассмотренного примера плоского стержня - его замкнутость. При этом, как выше показано в электронном жгуте, характеризующемся большой поверхностью, возможности отражения на границе среды ДУХ существенно выше, чем у электрона-частицы. Формирование единого электронного жгута при объединении двух электронов с противоположно направленными спинами подтверждается такими свойствами двух-электронного жгута как энергетическая выгодность по сравнению с самостоятельными орбитами электронов, вечностью существования стоячей волны в атоме, усилением связи с ядром, выражающееся в резком уменьшении размеров орбиты.

Два электрона на s-орбите более плотно связаны с ядром, чем один, потому, что это единый контур, аналог цепи электрического тока с двумя зарядами. Важная особенность стоячей волны то, что она существует без потребления энергии. В среде ДУХ нет трения, и непрерывное взаимодействие стоячей волны со средой обеспечивает вечность атомов.

На орбите s может находиться два электрона! Форма их существования - стоячая волна, заключённая в торообразной структуре. Двух-электронный жгут является энергетически выгодной и стабильной структурой, основным элементом построения всех слоёв в оболочках.

Этот вывод о структуре атомов можно рассматривать как одно из открытий настоящей работы. И оно уже находит экспериментальное подтверждение. Например, «учёные из США обнаружили необычайные атомные свойства у земной мантии: часть электронов находится в ней в «спаренном» состоянии, а часть - в «неспаренном». Ранее считалось, что электроны могут быть либо в одном, либо в другом состоянии. Авторы считают, что основы геофизики следует пересмотреть с учётом новых данных» [Интернет, авг.2008]. Не только основы геофизики, а всего естествознания!!!

Существование стабильных круговых s-орбит в атомах из «двух-электронных жгутов» закономерно обусловлено усилением сил электрического взаимодействия с ядром и уменьшением радиуса орбиты. Этот же факт логично объясняет химические свойства элементов, в частности, - двухвалентность.

Рассмотрим структуру орбит более сложных слоёв в атомах: p, d, f.

Формирование атома с присоединением электронов к ядру должно происходить до тех пор, пока эти электроны не скомпенсируют полностью заряд ядра с образованием стабильной системы - атома. В соответствии с постулатами квантовой физики в зависимости от квантового числа n вокруг ядра формируются оболочки с возрастающим числом электронов на каждой последующей, более удалённой от ядра. Электронные орбитали р в физике считаются эллиптическими и характеризуются орбитальным квантовым числом l = 1. Магнитное квантовое число m принимает значения +1,-1 и 0, что должно соответствовать трем орбиталям и шести электронам. При l = 2, соответствующие d-орбитали заключают 10 электронов, а при l = 3 на f-орбиталях присутствуют 14 электронов. Подобные произвольно расположенные в пространстве с вероятностным расположением электронов орбитали не соответствуют действующим в атоме физическим силам.

Электрическое поле ядра, которое в соответствии с законами электродинамики можно рассматривать как вращающийся поверхностный сферический заряд, должно иметь сферическую форму с силой, действующей на пробный заряд, убывающей пропорционально квадрату расстояния. Следовательно, как и в Солнечной системе, энергетически предпочтительны круговые, а не эллиптические траектории, которые характеризуются ускорением на одних участках орбиты и замедлением - на других участках. В сферическом поле ядра такие эффекты не имеют причины, и только взаимодействие с другими электронами может незначительно искажать круговые орбиты. Эллиптические орбитали - это математические модели, отражающие проекции круговых орбит на разные оси координат.

Учитывая, что заряд мы рассматриваем как результат вращения материальной частицы, то следует предполагать, что сила взаимодействия со средой ДУХ максимальна на экваторе частицы, и должна уменьшаться «вверх» и «вниз» от экватора к «полюсам», где линейная скорость движения поверхности частицы равна нулю. В соответствии с электрическим полем ядра орбиты - «электронные жгуты» должны располагаться, в основном, в его экваториальной плоскости. По мере увеличения числа протонов и заряда ядра расстояние до электронных оболочек возрастает, что позволяет разместить в пространстве большее число компенсирующих заряд электронов. Возрастание числа протонов при увеличении размеров ядра происходит на его периферии и поэтому компенсация электрического заряда электронами, расположенными в экваториальной плоскости, оказывается недостаточной. С возрастанием числа электронов, компенсирующих заряд ядра, на одной энергетической оболочке на удалённых орбитах электроны должны располагаться также «выше» и «ниже» экваториальной плоскости, то есть сдвинутыми в сторону электрических «полюсов» ядра.

При увеличении числа протонов в ядре в атоме формируются круговые орбиты с постоянной напряжённостью электрического поля ядра, параллельные его экваториальной плоскости, расположенные «выше» и «ниже» её, и отвечающие квантовым правилам отбора по числу вмещающихся комптоновских волн; эти орбиты представляют торообразные волновые одно- и двух-электронные жгуты.

Не полная скомпенсированность электрического поля ядра выше и ниже экваториальной плоскости при появлении протонов на периферии ядра является причиной выстраивания электронных орбит выше и ниже экваториальной плоскости, где расположены s-орбиты. Орбиты - «электронные волновые жгуты», соответствующие орбиталям p, d, f, должны оставаться как и s, круговыми, а их длина окружности должна соответствовать определённому числу комптоновских длин волн. Их точные параметры требуют расчёта взаимодействия динамического сферического электрического поля ядра и круговых проводников с током на возможных квантовых орбитах.

Характерная особенность p, d и f- орбит, то, что они заполняются, образуя двух-электронные жгуты, и содержат 3, 5 и 7 пар электронов. В соответствии с изменением заряда ядра при увеличении в нём числа протонов, на р-орбите (орбитальный момент l = 0, +1, -1) пары электронов расположены, соответственно, в экваториальной плоскости, «выше» её и «ниже» её, а на d-орбите (орбитальный момент l = 0, +1, -1, +2, -2) следует предполагать расположение пар электронов, соответственно, в экваториальной плоскости, а также на одну «ступень» и на две «ступени» «выше» и «ниже» экваториальной плоскости. На самой удалённой от ядра f-орбите (орбитальный момент l = 0, +1, -1, +2, -2, +3, -3) электроны могут располагаться дополнительно также на 3 «ступени» «выше» и «ниже» центральных орбит.

Применяемые термины «выше» и «ниже» введены для представления о расположении орбит. Реально ядро и атом должны находится в непрерывном вращательном движении в пространстве, где нет ни «верха», ни «низа». Учитывая этот факт, продолжим анализ. Расположение «электронных жгутов» «выше» и «ниже» центральной плоскости ядра можно объяснить не сферической формой ядра. При увеличении размеров ядра появление в его структуре дополнительного протона может произойти «выше» или «ниже» экваториальной плоскости. При этом повышенная флуктуация в сферическом поле ядра окажется тоже «выше» или «ниже» этой плоскости, что создаст дополнительную силу притяжения для электрона.

Отметим ещё некоторые важные особенности структуры атома. Из общесистемных представлений следует предлагать, что 6 электронов р-слоя, также как 10 электронов d-слоя, 14 электронов f-слоя должны быть представлены парными «электронными жгутами» - стабильными «стоячими волнами». Проекции слоёв p, d, f должны находиться внутри соответствующих оболочек 2s, 3s, 4s и т.д., а не вне, как предполагает квантовая механика, описывая их квантовыми числами l = 0, 1, 2, 3. Заполнение слоя d должно начинаться на более близком расстоянии к ядру, а заполнение слоя f происходит внутри слоёв p и d. Такое заполнение - следствие того, что в соответствии со сферической симметрией ядра и, соответственно, меньшей скоростью вращения его поверхности «выше» и «ниже» экваториальной плоскости, электрические силы в этих плоскостях значительно меньше. Оболочки должны быть приближены к ядру и поэтому должны быть меньше экваториальных.

В каждом следующем периоде таблицы Менделеева (K, L, M, N, O, P) вначале в экваториальной плоскости ядра размещается на круговой орбите s один электрон, характеризующий первую группу элементов. В следующем атоме второй группы образуется двух-электронный жгут. После этого также последовательно должно происходить образование двух-электронных жгутов с формированием слоя р в периодах L и M, слоя d, а затем слой p - в периодах N и O, слоёв f, d и p в периодах P и Q. Такой порядок заполнения слоёв электронами в атомах определяется электрическими силами притяжения ядер, в которых с увеличением их размеров возрастают силы электрического притяжения на орбитах, расположенных «выше» и «ниже» экваториальных орбит. Поэтому с 5 по 10 и с 13 по 18 элемент таблицы Менделеева возможно формирование 3-х двух-электронных жгутов р-слоя, а с 21 по 30 и с 39 по 48 возможно формирование 5-ти таких же жгутов d-слоя, а с 58 по 71 - семи жгутов f-слоя. Послойное заполнение орбит можно записать схемой (табл. 4.7).

Все оболочки в атомах представляют от одного до семи двух-электронных жгутов, расположенных соосно вращению ядра и симметрично относительно экваториальной плоскости ядра и атома.

При форме ядра близкой к сферической «верхние» и «нижние» жгуты должны быть в своей плоскости приближены к ядру, и, соответственно, слои p, d, f могут быть представлен как обручи на шароподобной бочке, стенками которой являются электрические силы - круговое движение среды ДУХ. В соответствии с действующими силами электрического притяжения ядра эти жгуты должны быть круговыми и параллельными, что приводит нас к аналогии круговых токовых обмоток электрического соленоида. Структура параллельных электронных жгутов должна формировать поток магнитного поля, который является направленным потоком среды ДУХ.

Выполненный выше анализ позволяет на основе простых физических представлений, хотя и без детального математического обоснования, представить примерную схему естествопонимания структуры атома, которую можно рассматривать как системное развитие модели атома Бора.

Таблица 4.7. Порядок расположения двух-электронных жгутов в слоях атомов

n, период

Двухэлектронные жгуты (l) и слои электронных оболочек

Атомы, всего электронов

Протоны в атоме заполен-ного периода

s

p

s

p

s

d

p

s

d

p

s

f

d

p

s

f

d

р

s

Запол-нен-ные оболочки

K

оо

l

s

H1-He2 1-2

L

ooooo ooooo

l

l l l

l

s-p-s

Li3-Ne10 3-10

M

ooooooooo ooooooooo

l

l l l

l

l l l

l

s-p-s-p-s

Na11-Ar18 11-18

N

ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo

l

l l l

l

l l l

l

l l l l l

l l l

l

s-p-s-p-s-d-p-s

K19-Kr36 19-36

O

ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo

l

l l l

l

l l l

l

l l l l l

l l l

l

l l l l l

l l l

l

s-p-s-p-s-d-p-s-d-p-s

Rb37-Xe54 37-54

P

ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooo

l

l l l

l

l l l

l

l l l l l

l l l

l

l l l l l

l l l

l

l l l l l l l

l l l l l

l l l

l

s-p-s-p-s-d-p-s-d-p-s-f-d-p-s

Cs55-Rn86 55-86

Q

ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooooooo ooooo

l

l l l

l

l l l

l

l l l l l

l l l

l

l l l l l

l l l

l

l l l l l l l

l l l l l

l l l

l

l l l l l l l

l

l

s-p-s-p-s-d-p-s-d-p-s-f-d-p-s-f-(1d)-s

Fr87-Lu104 87-104

Примечания: l - двух-электронный жгут; l (жирный шрифт) выделены электронные оболочки, заполняемые в рассматриваемом периоде; порядок заполнения слоёв: s, s-p, s-d-p, s-f-d-p.

• Ø Главное принципиальное различие предлагаемой системной структуры от атома Бора - его существование в среде ДУХ, непрерывно взаимодействующей со всеми элементарными частицами и единой структурой атома.
• Ø Главное совпадение моделей - расположение электронов на чётких орбитах, определяемых главными квантовыми числами, которые в свою очередь чётко определены условиями взаимодействия электронов и среды ДУХ: постоянной Планка (минимальный квант энергии) и комптоновской длиной волны, делённой на константу тонкой структуры (квант импульса).
• Ø Ядра атомов представляют закономерную структуру, близкую по форме к сферической, из протонов и нейтронов, число протонов в которых должно быть скомпенсировано числом электронов на круговых орбитах.
• Ø Электрон как сферическая волна среды ДУХ при приближении к ядру взаимодействует с его электромагнитным полем и, многократно увеличивая свою поверхность и магнитный момент, превращается в круговую, торообразную волну - «электронный жгут».
• Ø Каждое ядро с не скомпенсированным зарядом одного протона притягивает электрон, который, преобразуясь в «электронный жгут» занимает место на соответствующей электрическим силам ядра, не занятой круговой орбите.
• Ø В каждом периоде таблицы Д. Менделеева в первую очередь заполняются орбиты в экваториальной плоскости ядра. Один электрон на - s-оболочке определяет химические свойства первой группы элементов, а появление второго электрона формирует двух-электронный жгут с орбитой, более приближенной к ядру, и определяет свойства элементов второй группы.
• Ø Следующие электроны атомов в соответствующем периоде после заполнения s-слоя оказываются в ослабленном поле ядра, и поэтому все p, d, f слои имеют меньший радиус орбит. Уменьшение напряжённости электрического поля вокруг ядра по мере движения от экватора к полюсу и неоднородность поля ядра позволяют располагаться компенсирующим его заряд электронам «выше» и «ниже» экваториальной плоскости.
• Ø Электронные и двух-электронные жгуты находятся в постоянном электрическом поле, что обеспечивается постоянным движением среды ДУХ, которое меняется от экватора ядра к его полюсу, но остаётся постоянным в любой плоскости, параллельной экваториальной. В этих плоскостях и располагаются, подобно обручам в бочке, электронные жгуты орбит p, d, f.
• Ø На близких к ядру орбитах атомов (до 18-го элемента), кроме двухэлектронного жгута в экваториальной плоскости, «выше» и «ниже» её может располагаться только по одному двух-электронному жгуту р-орбит. По мере увеличения размеров ядра выше и ниже экваториальной плоскости могут находиться по два двух-электронных жгута d-орбиты (до 54 элемента) и по три двух-электронных жгута f-орбиты. Слои p, d, f формируются из симметрично расположенных относительно экваториальной плоскости 3, 5 и 7 двух-электронных жгутов.

Таким образом, общая структура атома может быть представлена как ядро, примерно сферической формы, и компенсирующие заряд ядра электронные оболочки, расположенных в экваториальной плоскости, а также в параллельных ей электронных жгутах «выше» и «ниже» её. Общее число слоёв возрастает от одной у водорода до 18 у резерфордия, а общее число двух-электронных жгутов в оболочках - от одного до 52. При этом размеры атома изменяются незначительно.

Теперь следует уточнить, почему именно так устроены атомы, какие силы обеспечивают постоянство их структуры.