авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 10 |

«Ф.М. КАНАРЁВ ФИЗИКА МИКРОМИРА Учебник атом графита ………….2013 2 Канарёв Ф.М. Physics of a ...»

-- [ Страница 2 ] --

Однако, энергия фотона, определяемая по формуле E f h, убедительно доказывает, что фотон – корпуску ла. Анализ существующих математических моделей, опи сывающих поведение фотона, как мы уже показали, под тверждает этот факт.

Сейчас мы увидим, как дифракция фотонов управ ляется процессом взаимодействия их ротационных полей, которые формируются их спинами h.

Главный факт, который мы должны учитывать при анализе процессов дифракции фотонов – взаимодействие их спинов. Чтобы понять суть этого взаимодействия, про анализируем взаимодействие осей вращения (эквивалент но спинов) гироскопа. В качестве гироскопа можно пред ставить вращающийся волчок.

а) b) Рис. 19: а) волчок;

b) прецессия волчка Известно, что если подействовать на ось быстро вращающегося волчка, то она начнет описывать кониче скую поверхность и у волчка появляются два вращения:

одно относительно оси его симметрии и второе – враще ние оси волчка относительно вертикали, называемое пре цессией волчка. Однако прецессионное вращение волчка оказывается недолгим. Его ось вращения быстро возвра щается в вертикальное положение. Процессом возврата оси волчка из наклонного в вертикальное положение управляет гироскопический момент M g, определяемый по формуле M g 1 2 I z sin, (68) где 1 - угловая скорость вращения волчка относительно своей оси;

2 - угловая скорость вращения оси волчка от носительно вертикали (угловая скорость прецессии);

I z mr 2 - момент инерции волчка относительно оси вра щения Z ;

- угол между векторами 1 и 2.

Гироскопический момент – следствие реакции по верхности, которой касается вращающаяся ось волчка.

Главное следствие описанного явления – стремление волчка иметь одну ось вращения. Оно подтверждается поведением свободного гироскопа, у которого силы, дей ствующие на ось, близки к нулю. Поэтому он имеет одну ось вращения, направление которой в пространстве не ме няется при любом повороте корпуса, в котором крепится гироскоп.

А теперь обратим внимание на формулу (68). При совпадении оси вращения гироскопа и оси прецессии 0, M g 0, 2 0. 1 0 (рис. 19). Поскольку мо мент инерции гироскопа равен I z mr 2, то в формуле гироскопического момента (68) остаётся выражение mr 21. Это и есть спин h гироскопа – величина вектор ная. У фотона она равна постоянной Планка h mr 2, поэтому фотон также обладает гироскопическими свойст вами, но ось его вращения не имеет какой – либо матери альной основы. Тем не менее, в окружающем его про странстве формируется ротационное поле, носителем ко торого является, по-видимому, субстанция, называемая эфиром, из которого формируется магнитное поле вокруг проводника с током (рис. 9). В последние годы такое поле называют торсионным. Поскольку этот термин ещё не за крепился, то нам представляется, что понятие «ротацион ное поле» точнее отражает то, что формируется вблизи вращающегося тела или частицы. Источником формиро вания такого поля является процесс вращения, который характеризуется величиной, названной спином h.

У фотона, электрона, да и у других частиц, эту функцию выполняет постоянная Планка. Поскольку спин h фотона перпендикулярен плоскости его вращения и на правлению движения, то возникает вопрос: как будут взаимодействовать друг с другом два фотона, если оси их вращения совпадут, и спины будут направлены в одну сторону? В этом случае плоскости их вращения будут па раллельны, и они будут иметь одинаковую циркулярную поляризацию (рис. 20, а).

Экспериментально установлено, что два парал лельных луча света с одинаковой циркулярной поляриза цией, движущиеся на расстоянии 0,5 мм друг от друга, притягиваются (рис. 20, а), а при противоположной цир кулярной поляризации – отталкиваются (рис. 20, b). От мечается, что сила взаимодействия между ними квадра тично зависит от расстояния.

Рис. 20. Схема взаимодействия лучей фотонов:

а) с одинаковой циркулярной поляризацией;

b) с противоположной циркулярной поляризацией Вот что писал об этом Френель в 1816 г. «Поляри зованные световые волны взаимодействуют, как силы, перпендикулярные к лучам». Далее он отметил, что лучи, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоско стях, не оказывают друг на друга такого влияния, кото рое наблюдается у лучей, поляризованных в одном на правлении. Это очень важное наблюдение. Оно проясняет картину взаимодействия единичных фотонов (рис. 20).

Модель фотона позволяет нам понять причину сближения и отталкивания фотонов при разной циркулярной поляри зации. Когда направления циркулярной поляризации сов падают, то, видимо, совпадают и направления эфинрых вихрей, формируемых вращающимися фотонами, и они сближаются (рис. 20, а).

Когда же направления циркулярной поляризации противоположны, то вращение эфирных вихрей противо положно и фотоны, формирующие их, удаляются друг от друга (рис. 20, b).

Нетрудно видеть, как будут вести себя два фотона с одинаковой циркулярной поляризацией, если линии их движения будут пересекаться (рис. 21).

Рис. 21. Схема изменения направления движения фотонов с синхронизированной частотой и одинаковой циркулярной поляризацией Если спины h фотонов будут взаимно перпенди кулярны или будут близки к перпендикулярному состоя нию, то, согласно Френелю, они не будут взаимодейство вать. Если же угол между направлениями спинов будет острый, то есть все основания полагать, что при сближе нии их поведение будет подобно поведению волчка, имеющего две оси вращения. Как и волчок, фотоны будут стремиться сделать свои оси вращения соосными, а спи ны h - направленными в одну сторону (рис. 21).

Поскольку параметры их ротационных полей оп ределяют их постоянные Планка, а они у всех фотонов одинаковые, то, взаимодействуя друг с другом, они будут стремиться совместить свои оси вращения. Результи рующая ось вращения фотонов изменит направления их движения (рис. 21). Если до встречи они двигались по траекториям 1 и 2, в которых лежат плоскости их поля ризации, то после взаимодействия спинов h они начнут двигаться по траекториям 1’ и 2’ и окажутся на экране не в точках А и В, а в точке D. Этому будет способст вовать и эффект сближения траекторий фотонов с одина ковой циркулярной поляризацией (рис. 20, а).

Итак, изложенная нами информация позволяет пе рейти к анализу явлений дифракции и интерференции фо тонов. Сейчас мы увидим, что это одно и то же явление и нет нужды называть его двумя понятиями.

Теперь нам надо описать характеристики объектов, взаимодействуя с которыми, фотоны формируют дифрак ционные картины. Прежде всего, обратим внимание на дифракционные картины, формируемые фотонами, про ходящими через отверстия. На рис. 22 дифракция Фраун гофера на круглом отверстии диаметром 6 мм, а на рис. – его же дифракционная картина на прямоугольном от верстии (7х8 мм).

Рис. 22. Дифракционная Рис. 23. Фраунгоферова картина Фраунгофера на дифракция на квадратном круглом отверстии отверстии (7х8 мм) диаметром 6 мм Сразу видно, что главную роль в формировании этих картин играет геометрия контура отверстия. Если контур – окружность, то дифракционная картина состоит из кругов и колец (рис. 22). Если же форма контура от верстия прямоугольная, то дифракционная картина состо ит из двух серий взаимно перпендикулярных полос (рис.

23). Из этого однозначно следует, что главную роль в формировании дифракционных картин играет контур от верстия, а точнее – контур отражения фотонов. Для про стоты последующего анализа возьмём круглое отверстие с диаметром 1мм 0,001м 1 10 3 м или проволоку с та ким же диаметром.

Так как длина волны фотонов светового диапазона изменяется от 4 10 7 м до 8 10 7 м (табл. 2), то в даль нейшем будем использовать среднюю величину 5 10 7 м, которая соответствует зелёному фотону. Учитывая, что размер фотона, примерно, в два раза больше его длины волны или радиуса, имеем 1 10 6 м 1 10 3 мм. Из этого следует, что отверстие или провод диаметром 1мм, при мерно, в тысячу раз (на три порядка) больше размера од ного фотона.

Дифракция фотонов на отверстии образуются в ре зультате пересечения траекторий фотонов, отраженных от кромок О-О отверстия (рис. 24). Кроме того, в процессе отражения они поляризуются (рис. 16, 17).

Рис. 24. Схема взаимодействия фотонов с разной и одина ковой циркулярной поляризацией, отражённых от кромок отверстия Если траектории фотонов с разной циркуляционной поляризацией будут пересекаться, то разнонаправленные ротационные поля будут отталкивать их друг от друга (рис. 20, b).

Траектории фотонов A1 и B1 (рис. 24) вначале будут сближаться (1-1’) и (2-2’), а потом расходиться (1’ 1’’) и (2’-2’’) и они окажутся на экране NN’ не в точках C и D, а в точках A и B (рис. 24). Если в потоке окажутся фотоны C1 и D1, с одинаковой циркулярной поляриза цией, то траектории их движения будут сближаться, и они окажутся на экране не в точках C и D, а в точке Е.

Взаимодействие спинов фотонов начинается на расстоянии между ними, примерно, равном 0,5 мм, то есть на расстоянии в 500 раз большем размеров самих фото нов. Эту же величину начала взаимодействия фотонов ус тановил и Френель. Она почти в 500 раз больше размера фотона. Учитывая эту особенность, опишем формирова ние дифракционной картины за проволокой (рис. 25).

Отметим те важные наблюдения, которые были сделаны Френелем при анализе дифракционной картины за проволокой. Если прикрыть свет, исходящий от одной стороны проволоки, то внутренние каёмки исчезают. Сле довательно, для образования каёмок необходимо взаимо действие лучей, идущих с обеих сторон проволоки. Из этого также следует, что каёмки образуются в результате перекрещивания лучей света, идущих от обеих сторон проволоки или, иными словами, в результате пересечения траекторий движения фотонов. Френель считал, что ка ёмки снаружи тени образуются скрещиванием лучей, ис ходящих от светящейся точки и от краёв проволоки, а ка ёмки внутри тени образуются скрещиванием лучей света, загибающихся около обоих краёв проволоки. Если один край проволоки закрыть, то каёмки исчезают (рис.

25).

Рис. 25. Схема формирования светлой полосы в центре тени от проволоки Френель считал, что результаты его опытов - вес кое доказательство волновой природы света и ошибочно сти точки зрения Ньютона о корпускулярной его структу ре. Сейчас мы увидим, что ошибался Френель, но не Нью тон.

Фотоны 1 и 4 пролетают вблизи проволоки. Фо тоны 2 и 3 отражаются от краёв проволоки (рис. 25).

Вполне естественно, что при отражении от проволоки фо тоны поляризуются с разной циркулярной поляризацией.

Конечно, спины h у всех фотонов одинаковые по величи не, но, чтобы облегчить анализ их поведения, присвоим им номера. Если спины фотонов 1 и 2 (h1 и h 2 ) направ лены противоположно (рис. 25, а), то их траектории уда ляются друг от друга (рис. 20, b). Аналогично ведут себя и фотоны 3 и 4.

Поскольку спины фотонов 1 и 4 направлены в одну сторону, то их траектории сближаются (рис. 20, а) и они оказываются не в точках А и В экрана NN’, а в точке С (рис. 25). Аналогично ведут себя фотоны с противопо ложной циркулярной поляризацией (рис. 25, b). В резуль тате в центре тени от проволоки образуется светлая поло са. Вот что об этом писал О. Френель: «Из опытов, кото рые я провел, вытекает, что явления дифракции нельзя приписать только лучам, которые касаются тел, и поэтому следует предположить, что бесконечное множество дру гих лучей, отделенных от этих тел заметными интервала ми, тем не менее, оказываются повернутыми от своего первоначального направления и также участвуют в обра зовании каёмок». Описанное при анализе рис 25, под тверждает это тонкое наблюдение Френеля.

А теперь проанализируем теорию Френеля. Он считал, что при взаимодействии волн света, идущих от точечного источника, с краями проволоки (рис. 25) обра зуются вторичные волны, которые, пересекаясь, форми руют дифракционные картины в тени проволоки. Для теоретического доказательства этой гипотезы он взял крайние точки проволоки в качестве центров и провел из них две окружности с радиусами, отличающимися на по ловину длины волны света.

Свет движется от источника света касается краёв А и В (рис. 26) проволоки, где, по мнению Френеля, формируются вторичные волны, которые распространя ются в виде сфер с радиусами r и r1 r 0,5, длина ко торых отличается на половину длины волны 0,5 света.

Уравнения световых окружностей он записал так:

( y 0,5d ) 2 x 2 (r 0,5 ) 2, (69) ( y 0,5d ) 2 x 2 r 2. (70) Рис. 26. Схема к анализу теории и эксперимента Френеля Совместное решение этих уравнений даёт результат r 0, y. (71) 2d Пренебрегая квадратом длины волны ввиду того, что величина эта очень маленькая, он получил r y. (72) 2d Следующий шаг Френель делает без каких-либо пояснений. Вместо радиуса сферы r он ставит в уравне ние (72) величину b - расстояние от проволоки до экрана NN ' (рис. 26).

b y. (73) 2d Чтобы формула (73) давала результат расчета рас стояний между тёмными каёмками разных порядков, Френель ввел в неё коэффициент, который принимает значения k 1,3,5,...... и формула (73) приняла следую щий окончательный вид k b 2y. (74) d В табл. 6 приведены экспериментальные данные Френеля и результаты расчета по формуле (74). При этом диаметр проволоки d равнялся 1 мм, а длина волны света - 0,0000005176 м Как видно (табл. 6), сходимость теоретических результатов с экспериментальными данными достаточно хорошая. Это даёт основание считать, что формула Фре неля имеет ещё один вывод. Чтобы найти его, преобразу ем формулу (74) следующим образом d k tga. (75) b 2y Таблица 6. Результаты опытов Френеля b, м Порядок Теория (м) Эксперимент каёмки (м) 0, 592 2-й 2 y 2 3b / d =0,00092 2y 2 =0, 0,592 3-й 2 y 3 5b / d =0,00153 2 y 3 =0, 1,996 2-й 2 y 2 3b / d =0,00310 2 y 2 =0, 3,633 1-й 2 y1 b / d =0,00188 2y1 =0, Из формулы (75) следует, что d и b, а также k и 2 y - катеты подобных прямоугольных треуголь ников (рис. 26, 27). Схема на рис. 27, а показывает, что при постоянных значениях d и b угол a постоянен. Это значит, что числитель k и знаменатель 2 y в формуле (75) изменяются пропорционально так, что их отношение остаётся постоянным (рис. 27).

Рис. 27. Схема к анализу закономерности изменения правой части формулы (75) Таким образом, числитель k и знаменатель 2 y формулы (75) изменяются так, что их отношение остаётся постоянным для всех тёмных каёмок дифракционной кар тины за проволокой. Величины k показывают место расположения каёмки на экране NN’ (рис. 27). Таким об разом, формулы (73) и (74) Френеля не имеют никакого отношения к волновому распространению света. Они сле дуют из описанного процесса взаимодействия спинов фо тонов, как частиц.

В табл. 7 представлены результаты эксперимента Френеля и дан расчёт тангенса угла tg d / b, по вели чине которого можно судить о небольшой величине угла, под которым фотоны, коснувшись края проволоки, дви жутся к экрану.

Таблица 7. Результаты экспериментов Френеля tg d / b Величина Порядок Формулы для расчета b, м каёмки 2 y 2 3b / d 0,592 2-й 0, 2 y 3 5 b / d 0,592 3-й 0, 2 y 2 3b / d 1,996 2-й 0, 2 y1 b / d 3,633 1-й 0, Таким образом, формула (73) Френеля следует из прямоугольного треугольника (рис. 26), который образу ется траекториями движения фотонов между препятстви ем, формирующим дифракционную картину, и экраном.

Поскольку угол a в формуле (75) очень малень кий, то при выводе формул можно использовать две три гонометрические функции sin a и tga, поэтому надо знать пределы изменения этого угла, при которых допус тима такая замена (табл. 8).

Сравнивая таблицы 7 и 8, видим, что самый большой угол a в экспериментах (табл. 7) меньше 10. Следова тельно (табл. 8), имеется возможность использовать вме сто - tga функцию sin a. Необходимость использования гипотенузы прямоугольного треугольника вместо его ка тетов может возникать при экспериментальных исследо ваниях. Тогда формуле (75) будут соответствовать схе мы, показанные на (рис. 26 и 27).

Таблица 8. Значения углов и тригонометрических функций Угол a 0 tga sin a tga sin a 0,0 0,0000 0,0000 0, 1,0 0,0175 0,0175 0, 2,0 0,0349 0,0349 0, 3,0 0,0524 0,0523 0, 4,0 0,0699 0,0698 0, 5,0 0,0875 0,0872 0, Представление о волновой природе света сформи ровались не только на основании опытов Френеля, но и Юнга. Самым знаменитым из них является опыт по, так называемой интерференции света за двумя щелями (рис.

28).

Рис. 28. Схема эксперимента Юнга с двумя щелями Свет проходит через щели А и В и на экране NN’ формируется, как считалось, интерференционная карти на, как следствие сложения волн, исходящих из двух ще лей. Юнг установил, что расстояния между светлыми по лосами рассчитываются по формуле b y k. (76) d Аналогичная величина в опыте Френеля с учетом формулы (76) определится так k 2 b k 1 b b y y 2 y1 (k 2 k1 ). (77) 2d 2d 2d k 1,3,5,...., поэтому В опыте Френеля (k 2 k1 ) 2k и формула (77) принимает вид формулы Юнга (76). Если величину y измерять от оси симметрии (рис. 25, 26, 27), то b y k. (78) d Формула Френеля (78) для расчета дифракционной картины за проволокой (рис. 25, b) отличается от форму лы Юнга (76) для расчета дифракционной картины за двумя щелями (рис. 28) значением коэффициента k.

Френель измерял расстояния, как он писал, между тем ными каёмками с учетом центра картины. Юнг измерял просто расстояния между светлыми каёмками, начиная от центральной светлой полосы. Поскольку явление, форми рующее дифракционные картины в обоих случаях одно и тоже, то формула для их расчёта получается одна. Так как в центре картины светлая полоса (рис. 25, b, 28), то коэф фициент k в формуле (76) Юнга принимает значения k 0,1,2,3,......., а в формуле (75) Френеля - значения k 1,3,5,......

Юнг установил, что количество интерференцион ных полос увеличивается с увеличением расстояния от щелей до экрана (рис. 28). Такая закономерность объясня ется увеличением количества пересечений траекторий фо тонов по мере удаления их от источников поляризации, то есть - от кромок щелей (рис. 21, 22).

Мы привели качественное и, частично, количест венное объяснение корпускулярных свойств света при взаимодействии спинов фотонов, проходящих через от верстия и отраженных от кромок проволоки и щелей. Это го достаточно для доказательства формирования дифрак ционных картин потоками фотонов, спины которых взаи модействуют при пересечении траекторий их движения от краёв отверстий. Поэтому нет нужды вводить понятие интерференция волн.

Конечно, Френель и Юнг не могли предвидеть ро ждение лазерных технологий не только гражданского, но и военного назначения. Американцы рекламируют свою военную лазерную экспериментальную установку, обору дование которой (конденсаторы и трансформаторы) зани мает площадь, равную площади футбольного поля. В 2012г их специалистам впервые было позволено посетить российский город Саров. Корреспонденты поинтересова лись, что они хотели бы увидеть в этом, недавно закрытом для иностранцев, городе? Ответ был краток: «Лазеры».

Конечно, в условиях, когда Россия ежегодно демонстри рует на парадах Победы системы Воздушно-Космической Обороны, физическая суть которых неведома им, их же лание естественно.

b) c) а) Рис. 29. Схема формирования интерференционных полос за двумя щелями при разном расстоянии до экрана Известно, что световые фотоны излучаются и по глощаются электронами атомов. Оказалось, что масса фотонов середины светового диапазона, излучаемых элек тронами атомов Солнца в секунду, около 4550000 тонн.

Это возможно, если электрон после излучения фотона, восстанавливает свою массу, поглощая порции разряжён ной субстанции, названной эфиром. Из этого следует, что электрон преобразует эфир в фотоны – носители тепловой энергии и информации. Чтобы понимать, как он делает это, надо знать законы, формирующие структуру электро на и управляющие его поведением.

4. ЭЛЕКТРОН, ПРОТОН, НЕЙТРОН 4.1. Вводная часть Электрон – главный носитель электричества и глав ный родитель и поглотитель фотонов. Он родился в Ми роздании первым, но человек ещё не познал и мизерную часть его деяний, потому что в человеческих ортодок сальных знаниях он не имеет образа и представлен лишь словом «электрон» с небольшим количеством математи ческих моделей, описывающих его параметры.

Теория фотона убедительно показывает, что фор мированием структур фотонов всех диапазонов управляет закон сохранения момента импульса. Вполне естествен но, что этот же закон должен управлять формированием и других элементарных частиц. В этом легко убедиться при последовательном анализе их поведения.

Так как закон сохранения момента импульса управляет формированием элементарных частиц, то из не го следует, что длины волн элементарных частиц, уста новленные экспериментально, должны равняться их ра диусам r.

r. (79) Математическую модель указанного закона пред ставляет константа h Планка в развернутой записи h m2 v mr 2 кг м 2 с 1 const, (80) которая следует из формул для расчёта энергий фотонов.

E f mC 2 m2 2 hv. (81) Обратим внимание ещё раз на размерность кон станты Планка (80). В классической механике эта размер ность соответствует векторной величине и имеет назва ния: момент количества движения и кинетический мо мент. В классической физике эту размерность называют момент импульса или угловой момент.

Таким образом, основные элементарные частицы можно представлять в первом приближении в виде вра щающихся колец (рис. 30). Вектор h направлен вдоль оси вращения кольца так, что если смотреть с его острия, то вращение будет направлено против хода часовой стрелки.

Константу Планка h в этом случае называют спином (рис.

30).

Рис. 30. Схема к определению понятия:

момент импульса кольца h Дальше мы увидим, что электроны, протоны и ней троны имеют единую константу k 0 локализации (82), равную константе локализации фотона (27).

h mr m r 2,210 10 42 кг м const.

k0 (82) r C Размерность этой константы содержит чёткий фи зический смысл: с увеличением массы m кольца её ради ус r уменьшается. Это свойственно, как мы уже показали, фотонам. Если же масса постоянна, как у электрона, то и радиус его постоянен.

4.2. Радиус электрона Теоретическая и экспериментальная информация об электроне обширна. Из неё следует, что электрон имеет me 9,109 10 31 кг и электрический заряд массу e 1,602 10 19 Кл. Условились считать заряд электрона отрицательным.

Приведённая информация даёт нам основания представить электрон в первом приближении в виде кольца (рис. 30). Вполне естественно, что сразу же возни кает необходимость определения радиуса re кольца элек трона теоретически и экспериментально. Теоретическая величина радиуса кольца электрона определяется путём деления константы k 0 (82) его локализации на массу me.

k 0 2,210 10 2,426 10 12 м. (83) re (theor ) me 9,109 10 Поскольку re e, то имеется возможность срав нить теоретическую величину радиуса re (theor ) (83) с экспериментальной длиной волны электрона, определён ной Комптоном. Он нашёл эмпирическую формулу для расчета изменения длины волны рентгеновского фотона, отражённого от электрона e (1 cos ). (84) В этой формуле величина е выполняет роль экс периментального коэффициента, который он назвал дли ной волны электрона. Она оказалась равной e (exp er ) 2,426 10 12 м. (85) Совпадение теоретической величины re (theor ) (83) радиуса электрона и экспериментальной величины длины его волны e (exp еr ) (85) служит веским доказательством справедливости равенства е rе. Достоверность этого доказательства усиливается путем аналитического вывода эмпирической формулы (84) из схемы взаимодействия кольцевых моделей фотона и электрона (рис. 31).

( h 0 ) / C Импульс падающего на электрон фотона и импульс (h ) / C отраженного от электрона фотона связаны простой зависимостью (рис. 31) h h o (86) cos.

C C После взаимодействия фотона с электроном его им пульс изменится на величину h 0 h h 0 h cos C C C C (87) 0 0 (1 cos ) Поскольку o C / o и C /, то CCC (88) (1 cos ) о (1 cos ).

o o Рис. 31. Схема взаимодействия фотона с электроном в эффекте Комптона Известно, что эффект Комптона проявляется при взаимодействии между электронами и рентгеновскими фотонами. Это обусловлено тем, что они имеют близкие по величине радиусы, поэтому у нас есть основания обо значить е. Полагая также, что 0, имеем e (1 cos ). (89) Это и есть формула Комптона для расчета изме нения длины волны отраженного рентгеновского фо тона, которую он подобрал эмпирически в 1922 году и ис пользовал при интерпретации результатов своего экспе римента.

Угловую скорость e вращения кольца электрона определим, используя постоянную Планка, которая для электрона записывается так h me re2 e const. (90) 6,626 h e mre2 9,109 1031 (2,426 10 12 )2 (91) 20 1,236 10 c const Скорость Ve точек вращающегося базового коль ца электрона равна скорости света С.

С e re 1,236 10 20 2,426 10 12 2,998 10 8 м / с. (92) Чтобы получить математические модели, содер жащие другие характеристики электрона, надо детально проанализировать силы, действующие на вращающееся кольцо.

4.3. Кольцевая модель электрона Известно, что электрон имеет собственную энер гию, которую обычно определяют по формуле E e me C 2.

Однако смысл такого допущения не всегда расшифровы вается. А он заключается в том, что если всю массу элек трона перевести в массу фотона, то энергия электрона бу дет равна E e me C 2. Этот факт имеет эксперименталь ное подтверждение. Известно, что массы электрона и по зитрона равны. Взаимодействуя друг с другом, они обра зуют два фотона. Вот почему мы можем приписать элек трону энергию, равную энергии фотона, имеющего соот ветствующую массу. Энергию электрона E e, равную энергии фотона, назовем фотонной энергией электрона. А теперь исследуем возможности кольцевой модели сво бодного электрона.

Для этого предполагаем, что электрон имеет равные между собой кинетическую Ek и потенциальную E энергии, сумма которых равна его фотонной энергии E e.

2 Ee Ek E0 meC 2 me re e h e. (93) Расчет по этой формуле дает такое значение фотонной энергии электрона 9,109 10 31 ( 2,998 10 8 ) E e me C 2 5,110 10 5 eV. (94) 1,602 Если свободный электрон вращается только относи тельно своей оси, то угловая частота e вращения коль цевой модели свободного электрона, определенная из формулы (93), оказывается равной.

E e 8,187 10 1,236 10 20 c 1, e (95) h 6,626 а радиус кольца Ee h re e me e me e 6,626 1034 (96) 2,426 1012 м.

9,109 1031 1,236 Как видно, теоретические величины угловой ско рости электрона, определённые по разным формулам (91) и (95), равны. Теоретические величины радиуса кольца электрона, определённые по формулам (83) и (96), равны экспериментальному значению комптоновской длины его волны e re 2,426 10 12 м (85).

Таким образом, не выявив пока структуру электро на, мы получили его упрощенную модель – кольцо. Эта модель помогает нам анализировать механическое пове дение электрона, но почти не содержит информации о его электромагнитных свойствах. Поэтому поищем такие ма тематические модели, описывающие поведение кольцевой модели электрона, которые содержали бы его заряд e, магнитный момент M e и напряженность магнитного поля H e электрона.

При поиске этих моделей не обойтись без новых гипотез. Основания для их формулировки возьмём из тео ретической и экспериментальной информации, описы вающей поведение заряженных элементарных частиц в магнитных полях (рис. 32, а).

Эксперименты на ускорителях показали, что криво линейная траектория электрона в магнитном поле хорошо описывается математической моделью, отражающей ра венство между центробежной силой инерции, действую щей на электрон, и силой магнитного поля.

me Ve e H e Ve. (97) R Тут невольно возникает предположение, что про цессом формирования кольцевой структуры электрона управляет этот же закон. Рассмотрим плодотворность этой гипотезы. Поскольку электрон, как мы предполагаем, имеет форму кольца, то для описания процесса формиро вания кольца надо перевести соотношение (97) в диффе ренциальную форму. Полагаем, что заряд электрона рав номерно распределен по длине его кольцевой модели и каждый элемент кольца l имеет массу m и заряд e (рис. 32, b).

а) b) Рис. 32. Схема кольцевой модели электрона На каждый элемент кольца будет действовать не сколько сил: сила инерции Fi m Ve 2 / re, кулоновские силы расталкивания, силы магнитного взаимодействия и какие-то другие, пока неизвестные нам силы. Мы будем предполагать, что центростремительная сила, т.е. резуль тирующая сила, искривляющая траекторию отдельных элементов кольца и заставляющая кольцо совершать вра щательное движение вокруг оси, будет равна Fe e Н e Ve (рис. 32, b и формула 98). Дальнейший анализ, как будет показано, подтвердит плодотворность этого предположения и оно превращается в постулат.

m Ve (98) e Н e Ve.

re Проверим размерности правой и левой частей формулы (98).

M L2 T I M L Н H.

T2 L T 2 I T Они одинаковы, значит формулы (97 и 98) заслу живают доверия. Обозначая массовую плотность кольца m, а зарядовую - e, имеем:

m m l m re, (99) e e l e re. (100) Поскольку me m, (101) 2re e e (102) 2re и Ve C, то уравнение (98) принимает вид 2 eH e mC d e d 2 0 2 re.

Интегрируя, найдём me C me e re me e.

eН e (103) re re Итак, мы получили математическое соотношение, в которое входят: масса me свободного электрона, его за ряд e, напряженность магнитного поля Н e внутри коль ца, которая генерируется зарядом вращающегося кольца, угловая частота e и радиус re кольца электрона. Недос тает в этом соотношении магнетона Бора В.

eh 9,274 10 24 Дж / Тл.

В (104) 4 me Обратим внимание на тот факт, что в приведенной формуле (104) h - величина векторная, она придает век торные свойства и магнетону Бора В.

Преобразуем соотношение (103) следующим обра зом m 4me h e h e Ee He e e. (105) 4 eh 4 В 4 В e Из этого имеем (106) 4 Н E h.

e В e e Теперь мы можем определить из соотношения (106) напряженность Н e магнитного поля внутри кольцевой модели электрона, угловую скорость e вращения кольца и его радиус re.

5,110 10 5 1,602 10 Ee 7,017 10 8 Тл. (107) Нe 4 В 4 3,142 9, 274 Обратим внимание на очень большую напряжен ность (107) магнитного поля в центре симметрии элек трона. Из (105) имеем 4 В Н e e h (108) 4 3,142 9,274 10 24 7,025 1,236 1020 c 1, 6,626 что полностью совпадает со значениями этой величины, определенными по формулам (91) и (95).

Из формулы (106) следует ещё одна математиче ская модель для расчета радиуса электрона me re2 e2 re hC 4 В Н e E e me C 2. (109) re re Отсюда С h re (theor ) 4 В Н e (110) 2,998 108 6,626 2,426 1012 м, 4 3,142 9,274 10 24 7,025 В 9,274 10 24 Дж / Тл где - магнетон Бора;

Н e 7,025 10 Тл - напряженность магнитного поля в центре симметрии электрона.

Итак, главный параметр кольцевой модели свобод ного электрона - радиус кольца re, определённый по формулам (83), (96) и (110), оказался одинаковым и рав ным экспериментальной величине длины волны электрона (85). Кольцевая модель электрона формирует напряжён ность электрического поля U E. Она определяется по формуле e UE 4 0re 1,602 10 19 Кл (111) 4 3,142 8,854 1012 Ф / м ( 2,426 1012 )2 м 2,448 1014 В / м const.

Это, можно сказать, колоссальная напряженность.

Она превосходит напряжённости электрических полей, созданных человеком, почти на семь порядков.

Недостаток кольцевой модели электрона в том, что она не раскрывает причину рождения позитрона, поэтому кольцо должно иметь какую-то внутреннюю структуру.

Поиск этой структуры - следующая задача. Прежде чем приступить к ее решению, обратим внимание на схему кольцевой модели электрона, следующую из наших рас четов (рис. 32). Самой главной особенностью теории и модели электрона является совпадение направлений век торов h и В M e. Назовем символ M e магнитным моментом электрона.

4.4. Тороидальная модель электрона Итак, электрон в первом приближении имеет форму кольца. В качестве второго приближения к электромаг нитной модели электрона рассмотрим тор. Для начала бу дем считать его полым. Радиус окружности сечения тора (рис. 33) обозначим через e. Тогда площадь его поверх ности определится по формуле S e 2e 2re 4 2 e re. (112) Обозначим поверхностную плотность электромагнитной субстанции электрона m.Тогда me me m.

S e 4 2 e re (113) Рис. 33. Схема тороидальной модели электрона Определим момент инерции полого тора. Из рис. имеем I Z m re. (114) m 2e l1 m 2e m re. (115) me re d me re 2.

IZ (116) Интересно то, что момент инерции полого тора ра вен моменту инерции кольца. Поскольку электрон проявляет одновременно электрические и магнитные свойства и имеет кинетический момент h, то у нас есть основания предполагать, что он имеет два вращения.

Обычное вращение относительно оси симметрии с угло вой частотой e назовем кинетическим вращением, фор мирующим его кинетический момент h и кинетическую энергию E K. И второе - вихревое вращение относительно кольцевой оси с угловой частотой (рис. 33, 34). Назо вем его потенциальным вращением, формирующим его потенциальную E0 энергию и магнитный момент М е.

Вихревое вращение относительно кольцевой оси тора формирует магнитное поле электрона, поэтому потенци альная энергия электрона характеризует его потенциаль ные электрические и магнитные свойства.

Рис. 34. Модель электрона с двумя вращениями:

относительно центральной оси и относительно кольцевой оси тора При анализе энергетики электрона, как вращающе гося кольца, мы показали, что его полная фотонная энер гия E e состоит из равных между собой кинетической E K и потенциальной E0 составляющих. Посмотрим на возможность реализации этого постулата в тороидальной модели электрона. Кинетическая энергия вращения поло го тора определится по формуле (рис. 34).

Ee 1 1 I Z e 2 me re 2 e 2 h e.

EK (117) 2 2 2 Учитывая частоту e 1,236 10 20 c 1 (108), имеем h e 6,626 10 34 1,236 10 2,556 10 5 eV. (118) EK 2 2 1,602 Как видно (118), кинетическая энергия E K элек трона равна половине его полной, фотонной энергии (94), подтверждая работоспособность нашего постулата.

Величина радиуса e окружности сечения тора (рис.

34) определяется из потенциального вращения электрона с частотой. Для этого предполагаем, что 2e. (119) Наступает очень важный момент. Нам трудно пред ставлять линейную скорость какой-либо части электрона равной скорости света. Слишком она большая. Поэтому есть основания предполагать, что в этом случае матема тический символ скорости света С надо заменять равной ему совокупностью символов С 1 / 0 0. Тогда участие в формировании структуры электрона электрической 0 и магнитной 0 постоянных усиливает физическую суть этого процесса. Мы пока не будем делать такой замены, но отметим необходимость анализа каждого случая, где эта замена целесообразна.

Поскольку скорость света относительно простран ства постоянна, то есть основания полагать, что скорость точек осевого кольца тора в кинетическом вращении рав на скорости точек поверхности тора в потенциальном вращении.

C e re e. (120) Из этих соотношений найдем 2e 6, 283 1,236 10 20 7,763 10 20 c 1 (121) и 2,998 10 C 3,862 10 13 м.

e (122) 7,763 Полагая, что вихревое вращение электрона генери рует его потенциальную энергию, имеем E0 me e2 9,109 1031 ( 3,862 1013 ) 2 ( 7,763 1020 ) (123) 2 1,602 2,555 105 eV.

Складывая результаты (118 и 123), получим полную фотонную энергию свободного электрона (94).

Итак, равенство кинетической и потенциальной энергий электрона даёт основание считать доказанными постулаты (119), (120). Учитывая площадь поверхности тора (112) и соотношение между радиусами re 2 e, оп ределим напряжённость U E электрического поля на по верхности тора электрона 4 2 e e UE 4 2 0 e2 4 2 0re 1,602 1019 Кл. (124) 8,854 10 12 Ф / м (2,426 1012 )2 м 3,074 1015 В / м2 const.

Это очень большая напряжённость, но, в соответ ствии с законом Кулона, она убывает пропорционально квадрату расстояния. Удельная плотность массы полого тора электрона равна me m e mT 2re 2 e 2re (125) 9,109 2,464 108 кг / м 2 const.

12 2 3,141 ( 2,426 10 ) Если мы на правильном пути, то из тороидальной модели электрона должна следовать математическая мо дель для расчета магнетона Бора B. Учитывая радиус сечения тора е (122) и известные зависимости между током I и радиусом сечением провода е ( I eC / 2 е ), а также зависимость магнитного момента М0 формируемого током вокруг проводника ( М 0 I e2 ) и пологая, что В М 0, найдём магнетон Бора В 0,5 C e e 0,5 2,998 108 1,602 1019 3,862 1013 (126) 9,274 1024 J / T const.

В 0,5 C e e const. Сe e J / T (127) L T I L L2 M T 2 I L2 I L2 I.

T T M Размерность (127) соблюдается, поэтому формула (126) заслуживает доверия. Совпадение результатов рас чёта фотонной энергии электрона, магнетона Бора и ра диуса электрона по разным формулам, даёт основание предполагать, что электрон представляет собой замкну тый кольцевой вихрь, формирующий тороидальную структуру, которая вращается относительно своей оси симметрии и относительно кольцевой оси тора, генерируя таким образом его кинетическую E K и потенциальную E 0 энергии, а также магнитный момент электрона М е равный магнетону Бора М е В (рис. 35, а).

Если показать всю совокупность линий, характе ризующих магнитное поле электрона, то его модель примет форму, близкую к форме яблока (рис. 35, а).

Новая информация об электроне даёт основания счи тать, что, приводимая в справочниках величина ree 2,817 10 15 м, названная классическим радиусом электрона, является радиусом цилиндра, ограничиваю щего сближение магнитных силовых линий электрона, идущих вдоль оси его вращения в одном направлении (рис. 7 и 35, а). Достоверность этого подтверждает без размерная величина тонкой структуры, которая равна отношению длины окружности 2ree указанного цилин дра к радиусу электрона re.

2ree 2 3,142 2,817 10 0,0073. (128) 2,426 10 re b) а) c) Рис. 35. а) схема теоретической модели электрона (показана лишь часть магнитных силовых линий);

b) кластер электронов;

c) схема процесса излучения фотона электроном А теперь представим, что внешние силы начинают вращать такой тор в обратную сторону или тормозить его вращение (рис. 34). Сразу же на экваториальной поверх ности тора образуется шесть вихревых, радиально на правленных кольцевых полей (рис. 35, с). Удаляясь от электрона, они формируют структуру из шести замкну тых друг с другом кольцевых магнитных полей. Малей шее изменение плотности одного из этих полей или ма лейшая удалённость его от геометрического центра фор мирует нецентральные силы, которые начинают вращать такую структуру. Возникающая асимметрия между её по лями формирует неустойчивое положение такой структу ры, автоматически влекущее её в прямолинейное движе ние со скоростью света С (рис. 8).

Оставшаяся часть электрона (рис. 35, a) вновь восста навливает свое вихрекольцевое движение, изменив соот ветственно угловые скорости e, и радиусы re, e так, чтобы отличие между ними в 2 раз сохранилось.

Энергия электрона E e уменьшится соответственно.

Так как энергия электрона равна произведению по стоянной Планка на угловую частоту E e h e me re2 e2, то после излучения фотона энергия электрона уменьшит ся за счет изменения его массы.

Чтобы постоянная Планка сохранила свое посто янство, радиус электрона re должен увеличиться, а часто ты e - уменьшиться. Изменённые параметры электрона нарушают устойчивость его состояния, потому он вынуж ден восстановить исходную массу. Если вблизи есть фо тон с такой массой, то он немедленно поглотит его и вос становит все свои константы. Если же вблизи нет фотона, необходимого для восстановления потерянной массы, то у электрона одна возможность – восстанавливать свою мас су путем поглощения субстанции окружающей среды, которую мы называем эфиром. Он поглотит такое количе ство этой субстанции, которое восстановит его постоян ную массу me. Автоматически восстановятся и все другие его параметры и константы, управляющие его устойчиво стью (рис. 36).

Рис. 36. Кадр из видео о формировании дельфином тора из воды Таким образом, свободный электрон имеет строго постоянную массу me, заряд ee и радиусы re, e. Когда он устанавливает связь с другим валентным электроном, то он тоже излучает фотон, и его параметры изменяют ся, но стабильность сохраняется благодаря энергии связи с другим валентным электроном. Если эту связь разорвать механическим путем, то исчезают условия пребывания электрона в стабильном состоянии. Чтобы восстановить эти условия, электрон должен поглотить излученный фо тон или эквивалентное ему количество электромагнитной субстанции из окружающей среды, которую мы называем эфиром. Только после этого он сохранит свою устойчи вость.

Обратим внимание на то, что радиусы световых и инфракрасных фотонов на много порядков больше радиу са электрона. Это значит, что в момент излучения уда ляющиеся кольцевые магнитные поля формируют струк туру фотона (рис. 35, с) на значительном расстоянии от электрона (рис. 34 и 35, а), определяемом длительностью переходного процесса от V до С. Это расстояние умень шается с уменьшением радиуса излучаемого фотона. По скольку радиус электрона равен радиусу рентгеновского фотона, то электрон не может излучить гамма-фотон. Эту функцию выполняет протон при синтезе ядер.

Таким образом, электрон имеет форму вращающе гося полого тора (рис. 35, a). Его структура оказывается устойчивой благодаря наличию двух вращений. Первое относительно оси, проходящей через геометрический центр тора перпендикулярно плоскости вращения, и второе - вихревое вращение относительно кольцевой оси, проходящей через центр окружности сечения тора (рис. 34).

Несколько методов расчета базового радиуса тора, включающих различные его энергетические и электро магнитные свойства, дают один и тот же результат, сов падающий с экспериментальным значением компто новской длины волны электрона, а именно e re 2,426 10 м.

Итак, при обосновании модели электрона мы вовлек ли в анализ уже существующие законы Кулона и Ньюто на и следующие константы: константу локализации k 0, скорость света С, постоянную Планка h, массу покоя электрона me, его заряд e, энергию покоя электрона, электрическую постоянную 0, магнитную постоянную 0, магнетон Бора В, который мы обозначаем так e M e, комптоновскую длину волны электрона, кото рую теперь надо называть комптоновским радиусом re электрона.

Другой важной характеристикой электрона являет ся его спин. Он в точности равен постоянной Планка и является величиной векторной h 6,626 10 34. Её вектор ные свойства следуют из её размерности кг м 2 / с момента импульса.

Третья важная характеристика электрона - маг нитный момент М е или магнетон Бора, который генери рует напряженность Н е магнитного поля электрона (рис. 35, а). В его геометрическом центре она равна Н e 7,025 10 8 Tл. Это - значительная величина, но она интенсивно уменьшается по мере удаления от геометри ческого центра электрона вдоль оси его вращения.

Таким образом, электрон представляет собой полый тор, который имеет два вращения: относительно оси сим метрии и относительно кольцевой оси тора (рис. 35, а).

Вращением электрона относительно центральной оси управляет кинетический момент h - векторная величина.

Вращение относительно кольцевой оси тора формирует магнитное поле электрона, а направления магнитных си ловых линий этого поля формируют два магнитных полю са: северный N и южный S (рис. 35, а).

Модель электрона (рис. 35, а) невольно формиру ет представление о возможности образования кластеров электронов (рис. 35, b). Разноименные магнитные полюса могут сближать их, а одноименные электрические заряды ограничивать это сближение. В результате электроны, со единяясь друг с другом, могут формировать кластеры.

Уже существует экспериментальное доказательство это му факту. Кроме этого уже установлено, что вся электро статика базируется на взаимодействии не положительных и отрицательных зарядов, а северных и южных магнитных полюсов кластеров электронов в электростатических яв лениях. Дальше мы познакомимся с этим подробнее.

Анализ изложенного показывает, что формированием структуры электрона (рис. 35) управляет более 20 кон стант, в которых отразилась достоверность всех, сформу лированных нами гипотез, и они приобрели статусы по стулатов.

4.5. О модели протона Информации о протоне меньше, чем об электроне, поэтому мы ограничимся первым приближением к его электромагнитной структуре. Как и следовало ожидать, в первом приближении модель протона, так же как и моде ли фотона и электрона, представляет собой кольцо.

Известно, что масса покоя протона m p 1,6726485 10 кг. Величина комптоновской длины волны протона равна P h / m P C 1,3214099 10 15 м.

С учетом этого константа локализации протона оказыва ется равной константе локализации фотона k P k0 P mP 1,6726485 10 27 1,3214099 1015 (129) 2,2102543 1042 кг м.

Тогда, полагая, что протон, как и электрон, в пер вом приближении имеет форму кольца, получим C h rP 4 M P Н P 2,997925 108 6,626176 (130) 4 3,141593 1,406171 1026 8,5074256 1,3214098 1015 м, где M P 1, 406171 10 26 Дж / Тл - магнитный момент протона;

Н P - напряженность магнитного поля протона в его геометрическом центре, определяемая по форму ле.

mP C 2 1,6726485 1027 (2,997925 108 ) НP 4 3,141593 1,406171 4 M P (131) 8,5074256 1014 Тл.

Полученная величина радиуса протона (130) равна его комптоновской длине волны P h / m P C 1,3214099 10 м.

Вполне естественно предположить, что протон, также как и электрон, имеет классический радиус rpp. Его величина равна P 0,0072973506 1,3214099 rpp (132) 2 2 3, м.

1,534698 Этот радиус rpp на три порядка меньше радиуса rP (130), поэтому у нас есть основания считать, что это - ра диус окружности в центре симметрии протона, ограничи вающий сближение его магнитных силовых линий вдоль оси вращения.

Таким образом, базовый радиус протона (130) на три порядка меньше базового радиуса электрона (110). Спин протона также, как и электрона, равен по стоянной Планка и направлен вдоль оси его враще ния (рис. 37).

Знак заряда протона противоположен знаку заряда электрона. Это требует противоположного направления векторов спина h и магнитного момента M P (рис. 37).

Формула (104 133), связывающая постоянную Планка и магнетон Бора, отражает это требование.

eh 1,410 10 26 Дж / Тл.

MP 4 m P (133) Рис. 37. Модель протона Дальше, при анализе процесса формирования мо лекул мы получим подтверждение того, что векторы спи на и магнитного момента у электрона совпадают по на правлению, а у протона - противоположны. Поэтому формулу (104 133) надо писать с плюсом для электрона (рис. 35, а) и с минусом для протона (рис. 37).

Напряженность магнитного поля протона вблизи геометрического центра его кольцевой модели (131) столь велика, что у нас появляются основания считать, что такая напряженность способна формировать магнит ные силы, соединяющие протоны и нейтроны ядра атома, которые называются ядерными силами.

Напряженность магнитного поля вблизи геометриче ского центра протона можно также рассчитать и по дру гой формуле, используя его фотонную энергию E p m P C 2 1,503302 10 10 Дж.

1,503302 Ep Нp 4M p 4 3,142593 1,406171 (134) 8,507426 1014 Tл.

Как видно, она совпадает с величиной, определён ной по формуле (131). Если магнитное поле протона по добно магнитному полю стержневого магнита, то разно именные магнитные полюса таких полей будут сближать протоны, а их одноименные электрические заряды – огра ничивать это сближение. Дальше мы увидим, что такое явление наблюдается при образовании молекулы водоро да, а также при выполнении атомом водорода функции соединительного звена при формировании различных мо лекул.

Напряжённость электрического поля кольца про тона на 6 порядков больше соответствующей напряжён ности у электрона.

4 2 e e UP 2 2 2 4 0 p 4 0rp 1,602 10 19 Кл 8,854 10 12 Ф / м (1,321 1015 ) 2 м 2. (135) 1,037 1023 В / м 2 const.

Если протон имеет форму тора, заполненного эфирной субстанцией или, то объёмная плотность P этой субстанции должна быть близка к плотности ядер атомов (1,2 2,4) 1017 кг / м 3.

m mP 2m P 2 P 3P P 2rP r rP P 2 2rP 4 (136) 2 1,673 1,452 1018 кг / м3 const.

(1,321 1015 ) Как видно (136), это действительно так. Плотность протона больше плотности ядер, так как ядро - это не плотная компоновка протонов и нейтронов.

Если представить протон в виде сферы с радиусом rp 1,3 10 15 м (рис. 37), то при непосредственном кон такте двух протонов между ними будет действовать куло новская сила отталкивания e2 (1,6 1019 ) Fp (137) 4 0 (4 rp2 ) 12,56 8,8 1012 (5,2 1015 ) 8,56 H const.

Для сравнения вычислим силу гравитации, дейст вующую в этом случае между протонами.

(1,67 1027 ) mP mP 6,67 Fgp G ( rp ) 2 ( 2,6 1015 )2 (138) 2,7 1034 H const.

Результаты этих расчетов убедительно доказывают, что при формировании ядер атомов решающую роль иг рают не силы гравитации, а электростатические и маг нитные силы. Они и формируют ядра атомов.

Чтобы сформировалось более или менее четкое представление о модели протона, отметим, что в первом приближении это кольцо, а во втором – сплошной тор. С учетом совокупности электрических и магнитных сило вых линий протон можно представить в виде геомет рической фигуры, имеющей форму яблока с магнитными силовыми линиями, проходящими вдоль оси яблока и за мыкающимися друг на друга. Электрические силовые линии направлены перпендикулярно магнитным силовым линиям или перпендикулярно кольцевой поверхности то ра. Такая модель имеет почти сферическое электрическое поле и два магнитных полюса: северный и южный. Полю са формируются на разных концах оси вращения кольца.


При этом направления векторов h и M P противополож ны. Это и даёт нам основание постулировать тороидаль ную модель протона с вихревым вращением, противопо ложным аналогичному вращению у тороидальной модели электрона. Но плотность сплошного тора, близкая к плот ности ядер атомов, наводит на мысль, что тор протона имеет лишь одно вращение, которое и определяет его электрический заряд, поэтому мы представим модель протона пока в виде сплошного тора, осевая линия кото рого – базовое кольцо протона (рис. 37).

4.6. О модели нейтрона Известно, что масса покоя нейтрона m N 1,6749543 10 кг. Нейтрон также имеет магнитное поле и магнитный момент M n 9,66332 1026 Дж / Tл.

Величина комптоновской длины волны нейтрона равна N 1,3195909 10 15 м. Константа локализации нейтрона оказывается равной константе локализации фотона, элек трона и протона.

k N k0 N mN 1,6749543 1027 1,3195909.(139) 2,2102544 1042 кг м Нейтрон не имеет заряда. Поскольку масса нейтро на незначительно отличается от массы протона, то ком птоновские значения их длин волн или радиусов имеют близкие значения (130), (140). Главное свойство постули рованного нами магнитного поля нейтрона – шесть вза имно перпендикулярных магнитных полюсов: три север ных и три южных (рис. 38).

Рис. 38. Схема модели нейтрона Дальше мы увидим, что такое свойство магнит ного поля нейтрона автоматически выявляет структу ры ядер атомов и - уже сфотографированных молекул и кластеров графена и бензола. Теоретическая величина радиуса нейтрона равна 2, 2102541 10 k 1,3195907 10 15 м (140) rN m N 1,6749543 Таким образом, константы локализации основных элементарных частиц: фотона, электрона, протона и ней трона равны.

k 0 k e k P k N 2,210254 10 42 кг м. (141) Известно, что разность между массой нейтрона и протона равна mnp 23,058 10 31 кг. Масса нейтрона больше массы протона на 23,058 10 31 / 9,109 10 31 2, масс электрона. Из этого следует, чтобы протон стал нейтроном, он должен захватить 2,531 электрона. По скольку не существует электронов с дробной массой, то протон должен поглощать целое число электронов. Если он поглотит три электрона, а его масса увеличится только на 2,531 масс электрона, то возникает вопрос: куда денет ся остаток массы электрона (3,0 2,531)me 0, 469me ?

Современная физика нарушенный баланс масс в этом процессе объясняет просто: рождением нейтрино, кото рое не имеет заряда, поэтому, как считается в современ ной физике, рождение этой частицы очень сложно зареги стрировать. Однако дальше мы увидим, что превращение не поглощенной части электрона протоном в эфир – бо лее плодотворная гипотеза.

Если иметь в виду классический радиус нейтрона, аналогичный классическому радиусу электрона и прото на, то он будет равен N 0,0072973506 1,3195909 rnn (142) 2 2 3, м.

1,532585 Мы не видим оснований приписывать этот радиус геометрическому размеру всего нейтрона. Скорее всего, это - размер какой-то его части, которую мы назвали ра диусом сечения полости центрального магнитного поля, ограничивающим сближение его магнитных силовых ли ний.

Заключение Существующие и дополнительные математические модели рассчитывают основные параметры электрона, протона и нейтрона, полученные экспериментально. Схо димость теоретических и экспериментальных результа тов настолько значительна, что у нас есть основания ис пользовать полученные модели электрона, протона и ней трона для интерпретации экспериментов и дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

5. АТОМНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ 5.1. Вводная часть Спектроскописты зарегистрировали уже миллио ны спектральных линий атомов, ионов и молекул. Это са мый большой массив экспериментальной информации о микромире. Поэтому правильная интерпретация спектров имеет исключительно важное значение при формирова нии правильных представлений о микромире.

Теоретическая спектроскопия ортодоксальной фи зики базируется на приближённых методах расчета спек тров атомов и ионов, следующих из идеи орбитального движения электрона в атоме и базирующихся на уравне ниях Максвелла и Шредингера.

Идея орбитального движения электрона в атоме сфор мулирована в 1911 году Э. Резерфордом, а в 1913 году появились постулаты Бора о стационарных орбитах и скачкообразных переходах электронов между ними, кото рые сопровождаются излучением, как тогда считали, квантов энергии. Впоследствии Луи Де Бройль дополнил эти идеи целым количеством длин волн электрона на каждой орбите радиуса R.

2R n 2Rm nm 2. (143) Учитывая, что V и m2 h, получаем постули рованное соотношение Нильса Бора h. (144) mVR n При n 1 из - (143) следует 2R. Это был пер вый трудно интерпретируемый результат, но на это не об ратили должного внимания. Проигнорировали и более фундаментальную неясность: каким образом электроны атомов, летающие по орбитам, соединяют их в молекулы?

Тем не менее, полученные результаты позволили точно рассчитать спектр атома водорода, поэтому достоверность указанных идей была признана доказанной. Неспособ ность постулата Бора и его теории рассчитать точно спектр первого электрона атома второго химического элемента - гелия, требовала тщательного анализа причин такого положения, но это также было проигнорировано.

Уравнение Шредингера способствовало этому, так как из него следовала невозможность точного определения по ложения электрона в атоме. Чтобы как-то ослабить непо нимание процесса образования молекул из атомов, поня тие орбита заменили понятием орбиталь и пошли дальше, а мы остановимся и попытаемся устранить отмеченные противоречия.

Начнём с самого простого – анализа спектра атома во дорода. Для этого сразу заменим понятия орбита и орби таль понятием энергетический уровень электрона в атоме.

5.2. Начало новой теории спектров Энергия связи E1 электрона атома водорода с прото ном в момент пребывания его на первом энергетиче равна энергии ионизации Ei, то есть ском уровне E1 Ei 13,60 eV. Когда электрон поглощает фотон с энергией 10,20 eV и переходит на второй энергетиче ский уровень, энергия связи его с ядром уменьшается и становится равной 3,40 eV.

13,60 10,20 3,40. (145) Чтобы устранить противоречие в формуле (145), было принято соглашение: считать энергию электрона в атоме отрицательной и записывать формулу (145) так 13,60 10,20 3,40. (146) Однако, если учесть полную энергию E e электрона, то Ee 13,60 10,20 Ee 3,40 (147) и проясняется причина противоречий в формуле (145).

Теперь ясно видно, что энергия электрона в атоме - ве личина положительная, а уравнение (147) отражает из менение только энергий связи электрона при его энерге тических переходах, и минусы перед величинами 13, и 3,40 означают не отрицательность энергии, а процесс вычитания энергии, расходуемой на связь электрона с протоном.

Запишем аналогичные соотношения для перехода электрона с первого на третий и четвертый энергетиче ские уровни.

Ee 13,60 12,09 Ee 1,51, (148) Ee 13,60 12,75 Ee 0,85. (149) Из соотношений (147), (148) и (149) следует закон формирования спектра атома водорода E1 E, (150) E e Ei E f E e E f Ei n n где: E f h f - энергия поглощенного или излученного фотона;

Ei h i - энергия ионизации, равная энергии та кого фотона, после поглощения которого электрон теряет связь с ядром и становится свободным;

E1 - энергия связи электрона с ядром атома, соответствующая первому энер гетическому уровню также равна энергии фотона.

Для атома водорода E1 E i h 1 h i. С учетом этого математическая модель (150) может быть записана так h 1. (151) h f h i f i n n Мы получили математическую модель закона фор мирования спектра атома водорода, в которую входят только частоты поглощаемых или излучаемых фотонов, то есть частоты вращения фотонов относительно своих осей. А где же частота вращения электрона вокруг ядра атома? Нет её. В математической модели закона (151) нет и энергии, соответствующей орбитальному движению электрона.

Почти сто лет мы полагали, что электрон в атоме вращается вокруг ядра, как планета вокруг Солнца. Но закон формирования спектра атома водорода (150) отри цает орбитальное движение электрона. Нет в этом законе энергии, соответствующей орбитальному движению элек трона, а значит, и нет у него такого движения.

Нетрудно заметить, что по мере удаления электрона от ядра атома (147, 148, 149) его энергия связи Eb с ядром изменяется по зависимости Ei E1 13, Eb 2 eV, (152) n2 n2 n где n =1,2,3,....- номер энергетического уровня элек трона в атоме, главное квантовое число.

Это и есть математическая модель закона изменения энергии связи электрона с ядром любого атома. Величина E1, входящая в это уравнение, - энергия связи любого электрона с ядром атома, соответствующая первому энер гетическому уровню. Для электрона атома водорода она равна энергии ионизации Ei, а для электронов других атомов определяется из экспериментальных спектров по специальной методике, которую мы опишем дальше.

Поскольку спектральные линии поглощения совпа дают со спектральными линиями излучения, то матема тическая модель закона излучения должна быть такой же, как и закона поглощения (150) и это действительно так, но мы не будем анализировать этот процесс, так как в ре зультате он даёт формулу аналогичную формуле (150).

Известно, что спектральная линия атома водорода, соответствующая n 1, отсутствует, но причина этого долго оставалась неизвестной. Дальше, при анализе спек тра Вселенной, мы найдём эту причину. Она обусловлена тем, что рождающийся атом водорода остывает не сразу, а постепенно в результате электрон не может перейти с са мого дальнего энергетического уровня ( n 108 ) на первый ( n 1 ) и излучить фотон с энергией, равной энергии иони зации атома водорода E 13,60eV. Обусловлено это суще ствованием градиента температур между протоном и электроном в момент формирования атома водорода, ко торый вынуждает электрон приближаться к протону ядра ступенчато.


5.3. Спин фотона и электрона Понятие спин в квантовой физике характеризует вращение частиц. Мы уже показали, что энергия фотона E f и энергия Ee свободного электрона, определяются по идентичным формулам:

Ef hv, (153) Еe h e. (154) Частота колебаний, обозначаемая символом, широко используется в физике. Принято считать, что это - скалярная величина, которая легко регистрируется со временными осциллографами при электрических измере ниях. Константа Планка h - величина векторная. С уче том этого энергия фотона E f, определённая по формуле (153), должна быть векторной величиной. Чтобы прояс нит эту ситуацию, проанализируем физической суть час тоты. Та ли это частота, которую фиксируют осцилло графы и на которой построена вся современная электро динамика? Ведь осциллограф фиксирует частоту импуль сов фотонов (рис. 3), но не частоту, управляющую движе нием каждого фотона в отдельности (рис. 8) поэтому нет оснований считать энергию фотона векторной величиной.

Чтобы убедиться в этом, проанализируем связь между, как считается, скалярной частотой и угловой частотой, которую принято считать векторной величиной. Эта связь отражена в зависимости 2, из которой следу ет, что если угловую частоту рассматривать как век торную величину, то линейная частота - тоже величина векторная. Причём, направления векторов и совпа дают (рис. 39).

С учетом изложенного правые части формул (153) и (154) можно рассматривать и как скалярные произведе ния и как векторные произведения двух векторов.

Скалярное произведение двух векторов равно про изведению их модулей на косинус угла между ними. По скольку эти векторы совпадают по направлению, то угол между ними равен нулю (рис. 39), а косинус этого угла единице. В этом случае скалярное произведение этих векторов и равно скалярной величине и тогда энер гии единичных фотонов (153) и электронов (154) – вели чины скалярные.

Рис. 39. Схема направления векторов h, и Если же рассматривать векторное произведение указанных векторов, то оно равно третьему вектору, мо дуль которого определяется как произведение модулей этих векторов на синус угла между ними. Поскольку си нус нуля равен нулю, то векторное произведение этих векторов равно нулю и энергии единичных фотонов (153) и единичных электронов (154) также оказываются рав ными нулю. Из этого следует, что величины энергий еди ничных фотонов и единичных электронов не могут быть векторными величинами.

Если такой подход считать корректным, то снима ются мощные ограничения на процессы излучения и по глощения фотонов электронами, возникающие при век торных свойствах энергий единичных фотонов и электро нов. Поэтому мы считаем изложенный анализ коррект ным, а энергии единичных фотонов и электронов – ска лярными величинами.

5.4. Расчет спектра атома водорода Подставим в формулы (150) и (152) E1 13,6 и n 2,3,4... В результате получим теоретические значения E f (теор.) энергий фотонов, поглощаемых или излучае мых электроном при его энергетических переходах в ато ме водорода, которые практически полностью совпадают с экспериментальными E f (эксп.) значениями этих энер гий, и энергии Eb связей этого электрона с ядром атома (табл. 9).

Таблица 9. Спектр атома водорода Значения n 2 3 4 5 eV 10,20 12,09 12,75 13,05 13, E f (эксп) eV 10,198 12,087 12,748 13,054 13, E f (теор) eV 3,40 1,51 0,85 0,54 0, Eb (theor.) Из закона спектроскопии (150) следует, что энергии поглощаемых и излучаемых фотонов при переходе энергетическими уровнями n1 и n электрона между рассчитываются по формуле 1 (155) E f E f E1 2 2.

n1 n Для электрона атома водорода энергия E1 равна энергии его ионизации E1 Ei. Приведем результаты расчета (табл. 10) по этой формуле энергий фотонов E f (теор.), излучаемых или поглощаемых электроном атома водорода при межуровневых переходах n1 и n в сравнении с экспериментальными E f (эксп.) данными.

Таблица 10. Энергии межуровневых переходов электрона атома водорода Уров n1...n2 2...3 3...4 4...5 5...6 6...7 7... ни Ef (экп.) eV 1,89 0,66 0,30 0,17 0,10 0, Ef (теор) eV 1,888 0,661 0,306 0,166 0,100 0, Формула (155) позволяет рассчитать энергии из лучаемых и поглощаемых фотонов при любых энерге тических переходах электрона. Например, при переходе электрона с 3-го на 10-й энергетический уровень он по глощает фотон с энергией, которая рассчитывается по формуле 1 E f 13,6 2 1,375eV. (156) 9 А если электрон переходит, например, с 15-го на 5-й энергетический уровень, то он излучает фотон с энергией 1 E f 13,6 2 0,483eV. (157) 25 Таким образом, приведенные формулы позволяют рассчитать энергию поглощаемого или излучаемого фо тона электроном при его переходе между любыми энерге тическими уровнями в атоме водорода.

5.5. Расчет спектров водородоподобных атомов Атомы, после возбуждения которых у них остаётся один электрон, названы водородоподобными. Мы уже по казали, что энергия связи электрона атома водорода в мо мент пребывания его на первом энергетическом уровне равна энергии ионизации этого атома. Аналогичная зако номерность наблюдается у всех водородоподобных ато мов.

Исследования показали, что нумерацию электронов в атомах надо начинать с электронов, имеющих наимень ший потенциал ионизации. Это значительно упрощает последующие математические модели для расчетов спек тров.

Так, например, у атома гелия два электрона. Один имеет энергию ионизации 54,416 eV, а другой - 24,587 eV.

С учетом изложенного, первым электроном атома гелия будем считать электрон с меньшей энергией ионизации 24,587 eV, а вторым – с большей 54,416 eV. Тогда у сле дующего элемента - лития - первым будет электрон с энергией ионизации 5,392 eV, второй с энергией иониза ции 75,638 eV, а третий - 122,451 eV. Аналогичную ну мерацию электронов примем и для атомов других хими ческих элементов.

Известно, что номер химического элемента Z в таблице Менделеева соответствует количеству протонов в ядре атома, а энергия связи электрона водородоподоб ного атома в момент пребывания его на первом энерге тическом уровне пропорциональна квадрату количества протонов в ядре.

Энергия связи электрона с протоном (ядром) ато ма водорода, соответствующая первому энергетическому уровню, равна 13,598 eV. Следовательно, энергия связи E Z 1 электрона водородоподобного атома любого другого химического элемента Z, соответствующая первому энергетическому уровню, будет равна E Z 1 13,598 Z 2 eV. (158) Ниже (табл. 11) приведены теоретические и экспе риментальные значения энергий связи электронов водо родоподобных атомов, соответствующие их первым энер гетическим уровням, для некоторых химических элемен тов.

Таблица 11. Теоретические и экспериментальные значе ния энергий связи электронов водородоподобных ато мов, соответствующие их первым энергетическим уров ням Химический Номер элемента Энергии связи, Eb, eV элемент Z эксперимент теория H 1 13,598 He 2 54,416 54, Li 3 122,451 122, Be 4 217,713 217, B 5 340,217 339, C 6 489,981 489, N 7 667,029 666, O 8 - 870, Как видно, с увеличением порядкового номера хи мического элемента расхождения между теоретическими и экспериментальными значениями увеличиваются. Ис тинная причина этого ещё неизвестна, но она начнет про ясняться при анализе спектров многоэлектронных атомов.

Мы рассмотрим это при анализе процессов формирования спектров всех четырех электронов атома бериллия.

Результаты нашего анализа были известны спек троскопистам экспериментаторам сразу после их публи кации (1993г), но они не допустили автора нового закона формирования спектров атомов и ионов на свою научную конференцию, сославшись на нестандартность нового ре зультата. Отказ от признания закона формирования спек тров атомов и ионов открытого не академиком, а рядовым учёным, вынуждал их вводить различные слабо обосно ванные условности при формировании представлений о последовательности изменения энергий спектральных ли ний.

Назовем стационарным энергетическим уровнем электрона в атоме такой энергетический уровень, нахо дясь на котором, электрон может поглотить такой фотон, при котором энергия связи его с ядром станет равной нулю и он окажется свободным. Тогда энергии связи электронов водородоподобных атомов, соответствующие стационарным энергетическим уровням, будут рассчиты ваться по формуле E1 Z E zn h zn (159).

n Символ zn обозначает собственную частоту фо тона, поглощенного электроном при уходе со стационар ного энергетического уровня n в свободное состояние.

E1 13,598eV - энергия ионизации атома водорода. Ре зультаты расчета по формуле (159) приведены в табл. 12.

Таблица 12. Энергии связи электронов с ядрами водородоподобных атомов Z Эле- Метод Энергии связи E b, eV мент опред. n=1 n=2 n=3 n= 1 H Экспер. 13,598 3,398 1,508 0, Теор. - 3,399 1,511 0, 2 He Экспер. 54,416 13,606 6,046 3, Теор. - 13,604 6,046 3, 3 Li Экспер. 122,451 30,611 13,601 7, Теор. - 30,613 13,607 7, 4 Be Экспер. 217,713 54,423 24,183 13, Теор. - 54,428 24,190 13, 5 B Экспер. 340,217 85,047 37,797 21, Теор. - 85,054 37,801 21, 6 C Экспер. 489,981 122,461 54,431 30, Теор. - 122,495 54,446 30, 7 N Экспер. 667,029 166,689 74,089 41, Теор. - 166,757 74,114 41, Не будем рассчитывать спектры электронов во дородоподобных атомов всех химических элементов, а приведём лишь методику расчета для некоторых из них.

Рассчитаем, например, спектр электронов водородопо добных атомов гелия и лития.

Так как гелий с одним электроном считается водо родоподобным, то энергия связи его электрона с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уров ню, равна энергии его ионизации E1 Ei 54,416eV.

Подставляя эти результаты в формулы (150) и (152), най дем (табл. 13).

Таблица 13. Спектр второго электрона водородоподоб ного атома гелия и энергии связи Eb его с ядром атома на стационарных энергетических уровнях Значения n 2 3 4 5 eV 40,91 48,37 51,02 52,24 52, E f (эксп.) eV 40,91 48,37 51,02 52,24 52, E f (теор.) eV 13,60 6,05 3,40 2,18 1, Eb (теор.) Третий электрон атома лития имеет наибольшую энер гию ионизации Ei. Она равна энергии связи этого элек трона с ядром атома E1, соответствующей первому энер гетическому уровню Ei E1 122, 451eV. Подставляя n 2,3,4,... в формулы (150) и (152), найдем (табл. 14).

Таблица 14. Спектр третьего электрона водородоподоб ного атома лития и энергии связи Eb его с ядром атома на стационарных энергетических уровнях Значения n 2 3 4 5 eV 91,84 108,84 114,80 117,55 119, E f (эксп.) eV 91,84 108,85 114,80 117,55 119, E f (теор.) eV 30,61 13,60 7,65 4,80 3, Eb (теор.) Соотношение (150) мы назвали законом формирова ния спектров атомов и ионов потому, что до выявления этого закона спектры водородоподобных атомов рассчи тывались с помощью уравнений Бальмера - Ридберга или Шредингера, а для расчета спектров всех последующих электронов использовались приближенные численные ме тоды. Уравнение же (150) позволяет рассчитывать спектры всех электронов, но при определенных усло виях. Рассмотрим эти условия подробно на примере рас чета спектра первого электрона атома гелия.

5.6. Расчет спектра атома гелия Атом гелия имеет два электрона. Энергия иониза ции первого Ei1 24,587eV, а второго - Ei 2 54,416eV.

Состояние атома гелия, при котором оба его элек трона находятся на первых энергетических уровнях, на зывается основным, невозбужденным. Энергия возбуж дения – это энергия поглощенного фотона. Она равна раз ности между энергией ионизации Ei электрона и энерги ей связи электрона с ядром атома, соответствующей тому энергетическому уровню, на который переходит электрон после поглощения фотона. Такие уровни мы назвали ста ционарными.

Атом гелия с одним электроном находится в иони зированном состоянии, поэтому его называют ионом ге лия. Мы уже показали, что закономерность изменения энергий стационарных энергетических уровней у всех атомов, состоящих из ядра и одного электрона, одна и та же. Спектры таких ионов рассчитываются по математи ческой модели (152) закона формирования энергий связи электронов с ядрами атомов.

Для этого выпишем из справочника энергии воз буждения первого электрона атома гелия, соответствую щие стационарным энергетическим уровням. При Ei 24,587eV, имеем (табл. 15).

Напомним, что энергии связи Eb первого электро на с ядром атома определяются, как разность между энергией ионизации Ei 24,587eV и энергиями возбуж дения Ev, равными энергиям поглощаемых или излучае мых фотонов E f (табл. 15).

Таблица 15. Энергетические показатели стационарных энергетических уровней первого электрона атома гелия Номер уровня, n Энергии связи Энергии возб.

Eb Ei Ev, eV E v E f, eV 1 ? ?

2 3,627 20, 3 3,367 21, 4 1,597 23, 5 1,497 23, 6 0,847 23, 7 0,547 24, 8 0,377 24, 9 0,277 24, 10 0,217 24, 11 0,167 24, 12 0,137 24, 13 0,117 24, 14 0,097 24, 15 0,077 24, 16 0,067 24, Обратим внимание на энергию возбуждения 23,01eV (табл. 15), соответствующую четвертому стационарному энергетическому уровню. В справочнике [А.П. Стрига нов] её вообще нет, а в справочнике [А.Н. Зайдель] она приводится без указания яркости линии, то есть как очень слабая или ненаблюдаемая. Как нам поступить в этом случае? Правильнее будет исключить её пока из рассмот рения при поиске закономерности формирования энергий возбуждения, соответствующих стационарным энергети ческим уровням. В аналогичном положении находится и энергия возбуждения, равная 20,96eV. Поэтому исключим и её из рассмотрения. В результате будем иметь (табл. 16).

Таблица 16. Энергии связи Eb первого электрона атома гелия с его ядром Номер Энергии воз- Энергии связи, eV энергети- буждения, эксперимент теория ческого Eb E1 / n Ev eV уровня, n 1 24,586 ? 13, 2 21,22 3,37 3, 3 23,09 1,50 1, 4 23,74 0,85 0, 5 24,04 0,55 0, 6 24,21 0,38 0, 7 24,31 0,28 0, 8 24,37 0,22 0, 9 24,42 0,17 0, 10 24,45 0,14 0, 11 24,47 0,10 0, 12 24,49 0,09 0, 13 24,51 0,08 0, 14 24,52 0,07 0, Сразу же обратим внимание на то, как был полу чен эмпирический закон для расчета энергий связи пер вого электрона атома гелия, приведенный в табл. Eb E1 / n 2, и полностью совпадающий с законом (151), формирующим энергии связи электронов водородопо добных атомов. Для этого была взята энергия 3,37eV, со ответствующая в табл. 15 энергии возбуждения 21,22eV, и умножена на 4.

Полученное число E1 13,468eV оказалось энер гией связи, соответствующей первому энергетическому уровню первого электрона атома гелия. Конечно, это фик тивная энергия, но образовавшийся при этом ряд энергий (табл. 16, последняя колонка) полностью совпадает с ря дом соответствующих экспериментальных значений, под тверждая правомочность исключения из этого ряда энер гий возбуждения 20,96eV и 23,01eV.

Полученный результат показывает, что энергия свя зи первого электрона атома гелия, соответствующая пер вому энергетическому уровню E1 13,468eV, не равна энергии ионизации этого электрона Ei 24,587eV. По чему? Это центральный вопрос, на который мы дадим от вет при анализе процесса формирования атома гелия.

Результаты таблицы 16 требуют возврата к экс перименту по определению спектра первого электрона атома гелия для того, чтобы окончательно установить на личие или отсутствие экспериментальных линий, соответ ствующих энергиям 20,96eV и 23,01eV.

Невольно возникает вопрос: почему у второго электрона атома гелия значения энергий ионизации Ei и связи Eb с ядром, соответствующей первому энергетиче скому уровню, совпадают ( Ei E1 54,416eV ), а у пер вого нет ( Ei 24,587eV и E1 13,468eV )? Ответ на этот вопрос мы получим при анализе структуры атома гелия.

Если формула (150) действительно является законом формирования спектров атомов и ионов, то с её помощью мы должны получить экспериментальные значения энер гий возбуждения. Подставляя в формулы (150) (152) Ei 24,587 и E1 13,468, получим (табл. 17).

Таблица 17. Спектр первого электрона атома гелия Значения n 2 3 4 5 E f (эксп.) eV 21,22 23,09 23,74 24,04 24, eV 21,22 23,09 23,74 24,05 24, E f теор.) eV 3,37 1,50 0,84 0,54 0, Eb (теор.) Дальше мы получим спектры и других многоэлек тронных атомов, используя метод определения энергии E1 связи электрона с ядром, соответствующей первому энергетическому уровню, разработанный на примере ана лиза спектра первого электрона атома гелия.

5.7. Расчёт спектра атома лития В атоме лития три электрона. Литий, содержащий один электрон, считается водородоподобным атомом. Мы уже показали, как рассчитываются спектры водородо подобных атомов, в том числе и водородоподобного ато ма лития (табл. 14). Рассчитаем спектр второго электрона этого атома.

Энергия ионизации второго электрона атома лития равна Ei 75,638eV. Теперь необходимо найти энергию связи второго электрона атома лития, соответствующую второму энергетическому уровню. Для этого выпишем из справочника ряд экспериментальных значений энергий возбуждения, соответствующих стационарным энергети ческим уровням этого электрона [А. Н. Зайдель]: 62,41;

69,65;

72,26;

73,48;

…eV.

Так как второй электрон атома лития не может зани мать первый энергетический уровень, то первая энергия возбуждения 62,41eV в ряду энергий возбуждения, соот ветствующих стационарным энергетическим уровням, должна принадлежать второму энергетическому уровню этого электрона. Далее, найдем разность между энергией Ei 75,638eV этого электрона и энергией ионизации возбуждения, соответствующей второму энергетическо му уровню Ev 62, 41eV.

E Ei Ev 75,638 62, 41 13,538eV. (160) Теперь умножим полученную разность E на квадрат главного квантового числа, соответствующего второму энергетическому уровню: n 2 2 2 4. Полученный ре зультат будет соответствовать энергии связи второго электрона атома лития с ядром атома в момент пребыва ния его на первом энергетическом уровне. Вот её значе ние E1 13,538 4 54,152eV.

Итак, энергия ионизации Ei 75,638eV второго электрона атома лития не равна энергии E1 54,152eV его связи с ядром атома, соответствующей первому энергети ческому уровню. Подставляя эти данные в формулы (150) и (152), получим (табл. 18).

Таблица 18. Спектр второго электрона атома лития Значения n 2 3 4 5 E f (эксп.) eV 62,41 69,65 72,26 73,48 eV 62,41 69,62 72,25 73,47 74, E f (теор.) eV 13,54 6,02 3,38 2,17 1, Eb (теор.) Рассчитаем спектр первого электрона атома лития.

Его энергия ионизации Ei 5,392eV, а ряд энергий воз буждения, соответствующий стационарным энергетиче ским уровням, такой: 3,83;

4,52;

4,84;

5,01;

5,11;

5,18;

5,22;

5,25;

5,28;

5,30;

5,31;

eV.

Разность между энергией ионизации этого электрона и энергией возбуждения, соответствующей третьему ста ционарному энергетическому уровню, будет такой:

E 5,39 3,83 1,56eV. Далее, найдем энергию связи этого электрона с ядром атома, соответствующую перво му фиктивному энергетическому уровню.

E1 E n 2 1,56 32 14,05eV. (161) Итак, энергия ионизации первого электрона атома ли тия Ei 5,392eV, а фиктивная энергия связи с ядром, со ответствующая первому энергетическому уровню, E1 14,05eV. Подставляя эти данные в математическую модель формирования спектров атомов и ионов (150) и в формулу (152) расчета энергий связи этого электрона, со ответствующих стационарным энергетическим уровням, получим спектр этого электрона (табл. 19).

Таблица 19. Спектр первого электрона атома лития Значения n 2 3 4 5 E f (эксп.) eV - 3,83 4,52 4,84 5, eV 1,18 3,83 4,51 4,83 5, E f (теор.) eV 3,51 1,56 0,88 0,56 0, Eb (теор.) Обратим внимание на то, что в табл. 19 нет экспери ментального значения энергии, соответствующей второму энергетическому уровню ( n 2 ). Причину этого мы уста новим при анализе структуры атома лития.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 10 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.