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.,

4.5.6. Атом как системная структура

Современная квантовая модель атома, несмотря на свой солидный, приближающийся к столетию возраст, описывает «виртуальный» объект не возможный для существования в Природе. Представленные выше объяснения позволяют отвергнуть физические модели «виртуальных» атомов с вероятностными орбиталями, заменив их структурой реальных атомов, имеющих конкретные орбиты - электронные волновые жгуты с известными размерами. Реальные атомы строятся в полном соответствии с общими законами формирования систем, известными в макроэкологии.

Атомы, как основные структурные единицы материального мира, несомненно, являются системными образованиями (см. 2.3.2). Атомы - вечно (в планетарных масштабах времени) существующие системы и они должны обладать абсолютно устойчивыми вечными связями. Поэтому появление свойства радиоактивности у последних атомов таблицы Менделеева следует рассматривать как приближение к границе устойчивости системной структуры атомов. Устойчивая система атомов формируется в соответствии с макроэкологическими законами (см. 2.3.3).

• Ø В соответствии с биоголографическим законом «все электронные оболочки в атомах, как части одного уровня иерархии систем похожи друг на друга».
• Ø В соответствии с аксиомой эмерджентности каждый атом, как система всегда имеет особые свойства.
• Ø В соответствии с обобщённым принципом дополнительности Н. Бора любое системное образование формируется на основе связи двух отличающихся по какому-то признаку материальных систем, которые дополняют друг друга в своем единстве и противоположности (разные заряды, спины).
• Ø В соответствии с законом полноты составляющих «число функциональных составляющих системы должно быть оптимизировано по количеству связей между ними».
• Ø В соответствии с законом усложнения системной организации «развитие природных систем происходит путём усложнения их организации с появлением подсистем и дифференциацией их функций».
• Ø В соответствии с законом согласования строения и функций подсистем: «изменение одного из функциональных органов меняет весь строй организма»; соответственно наличие каждого протона в ядре должно компенсироваться в атоме присоединением электрона, расположение которого в поверхностном слое атома определяет свойства нового элемента.
• Ø В соответствии с законом минимума рассеивания энергии «при возможности развития процесса в нескольких направлениях реализуется то, которое обеспечивает минимум рассеивания энергии или минимум роста энтропии»; расположение орбит электронов должно обеспечивать минимизацию энергии в атомах.
• Ø В соответствии с законом развития систем за счет окружающей ее среды атом, как системное образование может существовать только за счет использования ресурсов окружающей среды, которой для материального атома является среда ДУХ.
• Ø В соответствии с законом периодичности строения системных совокупностей: «природные системы одного подуровня организации составляют периодический ряд аналогичных структур в пределах общесистемных пространственно-временных границ»; таблица Менделеева, за исключением искусственно созданных элементов, есть такой периодический ряд, а радиоактивные элементы - свидетельство выхода за пределы природных границ существования атомов.

На основе этих законов и, исходя из проведённого выше анализа, можно утверждать о не состоятельности в естествознании современной квантово-механической модели атома, основанной на волновых уравнениях Шредингера. Она математически постулирует функции вероятности существования электронов в неких областях пространства - орбиталях, определяемых некими квантовыми числами без необходимого учёта электрических сил взаимодействия ядра с многочисленными электронными слоями и полным игнорированием магнитных сил. Физика не способна объяснить природные закономерности формирования атомов. Как может образоваться атом водорода, если + и - заряды должны притягиваться и взаимно уничтожаться? Почему электрон не «падает» на протон, а начинает вращаться вокруг него? Почему размеры атомов практически не увеличиваются при возрастании в сто раз числа орбиталей с электронами? Где находятся электроны, если центр симметрии орбиталей находится в «точечном» ядре? Не вполне корректны объяснения зависимости от орбиталей физических и химических свойств атомов (ферромагнетизм, многовалентность и т.д.).

Тезис, что в микромире свои законы, это замена естествознания постулатами и подбором математических решений под известные экспериментальные данные. Отказываясь от относительности и неопределённостей микромира, исходя из общности законов Природы, как единства взаимодействия «ДУХ+материя», и построения систем путём усложнения организации при оптимизации и усилении связей, можно приблизиться к пониманию природных закономерностей и физических основ формирования структуры атомов.

Представим в тезисной форме структурные особенности атомов.

• Ø Структура атома может быть представлена как ядро, примерно сферической формы, и компенсирующих заряд ядра волновых электронных жгутов, расположенных в экваториальной плоскости, а также в цилиндрических сечениях, выше и ниже её.
• Ø Возможность формирования орбит атомов, вопреки действию электрических сил притяжения электронов ядром, можно объяснить на основе гипотез о единственной элементарной частице «массон = электрон + позитрон» и о модификации частицы на орбите атома в «волновой электронный жгут».
• Ø Свободный электрон, рассматриваемый как стоячая волна колебаний среды ДУХ в сферической поверхности, под действием электрических и магнитных сил в поле ядра формирует стоячую волну на орбите - «электронный жгут». Моделью электрона на орбите, аналогично квантам, является тор. Движение электрона не происходит по орбите, а эта орбита есть электрон-волна.
• Ø Орбиты определяются электрическим полем ядра, и поэтому должны быть обязательно круговыми, в экваториальной плоскости, а также расположенными параллельно ей, «выше» и «ниже». Обоснованием существования боровской орбиты в атоме водорода служит закон сохранения импульса между средой ДУХ и электроном.
• Ø Длина окружности всех орбит в соответствии с законом сохранения импульса между средой ДУХ и электроном соответствует определённому числу комптоновских длин волн, умноженному на константу 1/α.
• Ø Все электроны в атомах представляют волновое движение среды ДУХ, локализованное в виде электронных жгутов на определённых орбитах. В каждом периоде заполнение слоёв начинается с орбиты s (экваториальная), на которой может находиться два электрона. Двух-электронный жгут является энергетически выгодной и стабильной структурой, основным элементом построения всех слоёв в оболочках.
• Ø При увеличении числа протонов в ядре в атоме формируются круговые орбиты с постоянной напряжённостью электрического поля ядра, параллельные его экваториальной плоскости и отвечающие квантовым правилам отбора по числу вмещающихся комптоновских волн; эти орбиты представляют торообразные волновые одно- и двух-электронные жгуты.
• Ø Превращение в поле ядра сферической частицы в «электронный жгут» приводит к резкому возрастанию поверхности взаимодействия «материя + ДУХ» и к формированию магнитного поля электрона на орбите - направленного потока среды ДУХ, способного бесконечно сохраняться; именно этот поток является той физической силой, которая обеспечивает удержание и существование электрона-тора на атомной орбите.
• Ø Формирование двух-электронных жгутов в атомах элементов приводит к уменьшению размера и приближению орбиты к ядру, что является энергетически выгодным. Усиление связи в атомах происходит за счёт сил электрического притяжения, а для тяжёлых атомов, за счёт формирования магнитного поля. Все заполненные оболочки в атомах представляют от одного до семи двухэлектронных жгутов, расположенных соосно вращению ядра и симметрично относительно экваториальной плоскости ядра и атома. При увеличении числа протонов в ядрах электронные оболочки становятся более компактными, и размеры атомов уменьшаются по мере заполнения оболочек.
• Ø Образование магнитного поля в атомах вследствие параллельного расположения двух-электронных жгутов и его усиление по мере увеличения их числа объясняет все необъяснимые физикой явления: системную структуру всех электронных слоёв в атомах, их вечность, уменьшение размеров во всех периодах, ферромагнетизм, сближение атомов, химические связи.
• Ø Электроны должны располагаться в атоме так, чтобы максимально экранировать заряд ядра, максимально контактировать с ДУХ и формировать структуру с минимальным размером. Оптимизация отношения поверхность/объём усиливает связь системной структуры атомов с ДУХ.

Доказательством справедливости представленной модели может служить объяснение особенностей структуры атомов, принципиально не обсуждаемой в теории «виртуального» атома Шредингера и К^о. Рассмотрим формирование орбит и слоёв электронов первых 30 атомов и их соответствие известным табличным данным атомных и ионных радиусов [91]. В качестве характеристик атомов рассмотрим также расчётные значения атомной плотности: отношение атомного веса (АЕМ - атомная единица массы) к сферическому объёму, определяемому во всех атомах крайней s-орбитой (табл. 4.9).

С позиций взаимодействия «ДУХ+материя и известных размеров атомов уже в первом периоде элементов следует выделить некоторые особенности. Размер атома водорода определяется размером боровской орбиты, длина которой есть выражение закона сохранения импульса при передаче вращательного движения первочастицы материи - массона (электрона) и вихревого движения среды ДУХ. Выше приведено соотношение радиуса орбиты электрона а₀ от комптоновской длины волны λ_к и постоянной тонкой структуры α:

α ·2π·а₀ = λ_к = h/ m_ec .

Таблица 4.9. Атомная плотность элементов и последовательность

формирования электронных слоёв в атомах

Обозначения:

·,_. ,^. - электроны, соответственно, в экваториальной плоскости ядра, «ниже» и «выше» её.

- двух-электронный жгут в экваториальной плоскости.

р¹ - двух-электронный жгут «выше» экваториальной плоскости.

р₁ - двух-электронный жгут «ниже» экваториальной плоскости.

d¹ иd¹¹ двух-электронные жгуты во второй («верхняя»)и первой над-экваториальными плоскостями.

d₁ иd₁₁ двух-электронные жгуты во второй («нижняя») и первой под-экваториальными плоскостями.

Радиус орбиты определяется электрической постоянной среды массой и зарядом электрона:

a₀ = ε h²/(π ·m_e ·e²) = 0,529177·10^{-10 м}.

Примем обозначение этой орбиты - s- уровень. Физика утверждает, что у атома гелия с двумя протонами в ядре 2 электрона занимают единственный 1s - уровень. При этом размер атома должен остаться. Реально размер атома, а, следовательно, орбиты электрона у гелия в 2 раза больше, чем у водорода. Можно предположить, что физика, работающая с моделью «точечного» ядра не учитывает, что у ядра из двух протонов электрическое поле не может быть сферическим. У ядра типа гантели электронные орбиты не могут образовать двух-электронный жгут. Тогда, в соответствии с приведённым выражением, удвоению массы 2m_e должно соответствовать 2a₀. Также не симметричен и атома лития, что позволяет предположить, что утроенной массе 3m_e должно соответствовать 3a₀. Орбита третьего электрона лития, которая теоретически должна соответствовать уровню 2s, реально в 3 раза больше, чем у атома водорода. Атомная плотность лития почти в 2 раза меньше, чем у атома гелия и является самой низкой среди атомов. Исходя из этих реалий, следует полагать существование раздельных орбит электронов у атомов гелия и лития.

Образование симметричного ядра бериллия из четырёх протонов, «разбавленных» пятью нейтронами способно сформировать сферическое электрическое поле. Резкое уменьшение размеров атома и возрастание атомной плотности являются свидетельством изменения орбит электронов с образованием двух двух-электронных жгутов в экваториальной плоскости ядра на орбитах 1s и 2s.

 У атома бора с пятью протонами в ядре появляется возможность присоединения электрона на орбите р, параллельной экваториальной, например, «сверху» («северный» полюс атома), а у следующего атома углерода уравновешивающий заряд ядра электрон должен разместиться с противоположной стороны плоскости - «снизу». Маленький радиус атома углерода и соответствующая высокая атомная плотность можно объяснить формированием магнитного поля, благодаря электронным орбитам - р. и р^. . Уменьшение размера атома углерода по сравнению с бором (на 21 %) - результат появления двух электронных жгутов, раздвинутых «вверх» и «вниз» от экваториальной плоскости - первый «малый соленоид».

 Образование двух-электронного жгута р¹ у азота способствует ещё большему уменьшению размера ядра. Увеличение размера атома кислорода по сравнению с предшествующим атомом азота следует объяснить очень плотной упаковкой ядра, сформированного из четырёх альфа-частиц (альфа-частица - ядро атома гелия - энерговыгодная форма строения ядер - кластер). При такой симметричной форме ядра следует ожидать не заполнения слоя р₁, а притяжения электрона на экваториальную орбиту р·. Экваториальные орбиты, как видно из таблицы, всегда увеличивают размер атома.

У атома фтора с двумя двух-электронными жгутами на орбитах р¹ и р₁ оказывается самый маленький размер атома 0,072 нм и высокая атомная плотность 20175 кг/м³. Завершение построения атомов второго периода элементов неоном, также как и в последующих периодах происходит при формировании двух-электроного жгута во внутреннем слое (здесь р-), что приводит к «раздвиганию» крайнего экваториального двух-электронного жгута s- и увеличению размера атома. Это свидетельствует о близости слоёв s- и р-.

Заканчивая анализ второго периода атомов, следует отметить резкое уменьшение их размеров при потере электронов и образовании ионов. Ион азота без пяти электронов оказывается по размеру почти в пять раз меньше атома водорода. Внутреннее сжатие оболочек у ионов должно объясняться возрастанием электрических сил притяжения (у иона азота 7 протонов притягивают оставшиеся два электрона).

В третьем периоде элементов от натрия до аргона прослеживаются те же закономерности, что и во втором периоде: уменьшение размера атома магния по сравнению с натрием, что обусловлено образованием двух-электронного жгута на крайней s- орбите, последующее уменьшение размеров атомов при заполнении р-слоя, более сильное уменьшение размера атома серы после фосфора, вследствие формирования двух двух-электронных жгутов в р-слое с образованием длинного «соленоида», более сильное сжатие орбит при отрыве электронов при ионизации атомов, высокую атомную плотность у атома хлора и последующее возрастание размеров атома у аргона при завершении формирования оболочки - р. Все перечисленные эффекты - следствие формирования и усиления магнитных полей в атомах.

Прежде, чем рассматривать заполнение орбит атомов в третьем периоде, обратим внимание, что стандартная запись орбиталей в атоме кремния -1s²2s²2p⁶3s²3p² мало информативна для описания расположения электронов в атоме и для описания его свойств. Рассмотрим систему обозначения расположения электронов в атоме кремния в записи, представленной в табл. 4.9: 1s-/2(p¹р-р₁s-)/3(p^·р_·s-). Из неё следует, что на первой орбите расположены два s электрона в экваториальной плоскости ядра - двух-электронный жгут; / на 2-ой квантовой орбите во внутреннем слое р расположены три двухэлектронных жгута: «выше», «ниже» и на экваториальной орбите, а в крайнем слое расположен двух-электронный жгут тоже в экваториальной плоскости ядра (аналог атома неона); / на 3-ей квантовой орбите во внутреннем слое р один электрон расположен «выше» экваториальной плоскости, один - «ниже» её, а на крайней орбите s расположены два парных электрона, которые, по общему правилу, формируют в атоме двух-электронный жгут.

Для описания химических свойств атома достаточно рассматривать только электроны, соответствующие периоду элементов, например, у кремния: 3(p^·р_·s-). Химические свойства элемента определяются крайними, слабо связанными с ядром электронами. 2s электрона обычно отдаются вместе, что соответствует двух валентности элемента. Но их потеря сразу «оголяет» ещё менее связанные электрическими силами ядра два р-электрона, расположенные коаксиально выше и ниже экваториальной плоскости. Эти два р-электрона должны также быть отданы. Потому кремний должен быть четырёх валентным. Как видно из таблицы, кремний теряет 4 электрона и образуется 4⁺ ион с радиусом 0, 039 нм. Такое резкое уменьшение размера по сравнению с атомом 0,133 нм и остаточной внутренней структурой, эквивалентной атому неона, обусловлено не скомпенсированностью четырёх электрических зарядов ядра.

Четвёртый период элементов от калия до криптона отличается от предыдущих значительно возросшими размерами ядер. При этом возникает возможность расположения компенсирующих заряд ядра электронов «выше» и «ниже» экваториальной плоскости с организацией длинного «соленоида», состоящего из пяти двух-электронных жгутов - d-орбиты. Это следующий системный этап по формированию и усилению действия магнитных полей - направленного движения среды ДУХ в атомах.

Начало заполнения четвёртой квантовой оболочки у калия увеличивает размер атома по сравнению с аргоном. Плотность атома мала, что будет способствовать слабой связи электрона с ядром. Появление двух-электронного жгута у кальция значительно уменьшает размер атома по сравнению с калием, у которого только один электрон на орбите. Появление следующего электрона у скандия на внутренней орбите d^· («верх») ещё уменьшает радиус атома, а появление симметричного электрона d_· («низ») у титана ещё уменьшает его. Последующее образование двух-электронных жгутов у ванадия и хрома «сверху» и «снизу» слоя d ещё уменьшает размер атома. Следующий атом марганца прибавляет электрон на орбите d^·, более близкой к экваториальной плоскости и потому более удалённости от ядра; это объясняет то, что размер атома, а также радиус иона, соответствующий потере двух электронов, возрастают. Последующее сжатие орбиты при образовании уже «трёх-жгутового соленоида» у железа опять уменьшает размер атома. Благодаря усилению магнитного поля, у атомов впервые появляется свойство магнетизма.

Само понятие магнетизма остаётся загадкой в физике. Вот классическое, ничего не объясняющее его объяснение для никеля: «Ферромагнетизм никеля обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек (3d⁸4s²) его атомов. Никель вместе с Fe (3d⁶4s²) и Со (3d⁷4s²), также ферромагнетиками, относится к элементам с недостроенной 3d-электронной оболочкой - «переходным» 3d-металлам. Электроны недостроенной оболочки создают нескомпенсированный спиновый магнитный момент, эффективное значение которого для атомов никеля составляет 6 m_Б, где m_Б - магнетон Бора. Положительное значение обменного взаимодействия в кристаллах никеля приводит к параллельной ориентации атомных магнитных моментов, т. е. к ферромагнетизму. По той же причине сплавы и ряд соединений никеля (окислы, галогениды и др.) магнитоупорядочены (обладают ферро-, реже ферримагнитной структурой» [114].

Объяснение магнетизма заключается в структуре атомов, в которых из нескольких параллельных двух-электронных жгутов формируется структура, аналогичная электрическому соленоиду. Основное отличие трёх ферромагнитных элементов, сформировавшихся в четвёртом периоде, это наличие трёх двух-электронных жгутов во внутреннем слое d у железа, наличие тех же слоёв и ещё одной электронной орбиты у атома кобальта и образование четырёх двух-электронных жгутов у атома никеля. Формирование в слое d трёх и четырёх параллельных двухэлектронных жгутов объясняет магнитные свойства самих атомов, их высокую атомную плотность и способность формирования из атомов кристаллических магнитных структур - доменов.

Но почему следующий за никелем элемент - медь не обладает магнитными свойствами? Вероятно, это обусловлено появлением в экваториальной плоскости атома электрона d·. У атома меди возрос размер, что обусловлено, как отмечено выше, близостью центральных орбит, у него появилась возможность отдавать один электрон (атомы железа, кобальта и никеля двух и трёх-валентны), которым и является электрон d·(электроны с s-оболочки должны отдаваться парой!). Этот электрон с большим диаметром орбиты в слое d нарушает структуру «соленоида» и способен отдаваться как электрон проводимости. Такова причина низкого оммического сопротивления меди. У атома цинка с этим единичным электроном d· образуется двух-электронный жгут d-, что ещё увеличивает размер атома (происходит уменьшение магнитного поля) и делает атом двухвалентным.

Магнетизм атомов железа, кобальта и никеля, обусловленный сформированной в d-слое структурой из трёх и четырёх двух-электронных жгутов, оказывается достаточно сильным, обеспечивающим не только скрепление атома, но и проявляющимся вне атома.

Справедливость объяснения формирования магнетизма атомов подтверждается на примере заполнения f -слоя в группе лантаноидов, в которой пять элементов также оказываются ферромагнетиками. Физика также не объясняет эти свойства. Никакие орбитали с вероятностным нахождением электронов не могут сформировать магнитное поле, а без него нет объяснения сохранения размеров атомов при увеличении числа электронных оболочек, при увеличении размеров которых ядра не могли бы удерживать электроны и атомы бы рассыпались! Поэтому совпадение общих закономерностей в формировании d и f слоёв с объяснением магнетизма - доказательство краха квантовой модели. В табл. 4.10 представлены основные параметры атомов группы лантаноидов.

Таблица 4.10. Особенности формирования орбит у лантаноидов

Обозначения:

f¹f₁ - двух-электронные жгуты на самой «верхней» и самой «нижней» плоскостях относительно экваториальной плоскости;

f¹¹f₁₁ - такие же жгуты на вторых от экваториальной плоскостях «выше» и «ниже» её;

 f ¹¹¹f₁₁₁- такие же жгуты на первых от экваториальной плоскостях «выше» и «ниже» её;

f- двух-электронный жгут в экваториальной плоскости атома.

* - нет данных

В графе «Вероятная последовательность формирования слоёв в VI периоде не рассматриваются предшествующие, не влияющие на свойства атомов, стабильные оболочки I - V периодов. При сравнении принятых в физике формул орбиталей с записью формирования слоёв главное отличие состоит в том, что в физике предполагается заполнение слоя f происходящим на четвёртой квантовой оболочке, а слоёв s, p, d - на пятой оболочке, а в рассматриваемой модели все слои в VI периоде находятся именно на шестой квантовой оболочке, с радиусом меньшим слоя 6s. Слой f не мог формироваться на четвёртой квантовой оболочке, которая соответствует размеру атомов от калия до криптона с малым размером ядра. Её формирование в шестом периоде обусловлено значительным увеличением размеров ядер, с необходимостью компенсации зарядов протонов, появляющихся относительно далеко от центра ядра. Принципы системности и последовательности формирования более сложных структур также соответствует представленной модели атома и объяснению ферромагнетизма лантаноидов.

Известно, что к феррамагнетикам из группы лантаноидов относится пять элементов: Gd-гадолиний, Tb- тербий, Dy- диспрозий, Ho- гольмий и Er- эрбий. Все элементы характеризуются высоким значением магнетона Бора и высокой атомной плотностью. Атомные радиусы всех этих элементов изменяется незначительно, что логично объясняется заполнением внутреннего слоя (относительно большой размер атома европия не объясним порядком заполнения орбит и, возможно, ошибочен). Ионный радиус у рассмотренной группы лантаноидов также изменяется незначительно, уменьшаясь от 0,095 у европия и 0,0938 у гадолиния до 0,0858 у итербия.

Магнетизм элементов появляется после сформирования у гадолиния четырёхслойного «соленоида» из удалённых от центральной плоскости двух-электронных жгутов. Магнетизм элементов сохраняется при застройке ещё двух двух-электронных жгутов в плоскостях приближённых к экваториальной и исчезает при появлении электрона (как и у меди) именно в экваториальной плоскости у элемента тулия.

Таким образом, наблюдается полная аналогия с появлением магнетизма у переходных элементов: железа, кобальта и никеля, с отличием в том, что при заполнении электронами более дальнего от ядра слоя напряжённость магнитного поля возникает при большем числе электронных жгутов, структуированных в более «длинном соленоиде». Такое совпадение свидетельствует о справедливости моделей формирования магнетизма в атомах, а также и самой модели атомов, объясняющей эти эффекты.