August 10th, 2021

Как самостоятельно построить атом водорода и из чего он состоит

Написание этого сообщения было вызвано вот такой репликой и вопросом tretiykon'а: "В общем, возбужденное состояние атома водорода, похоже, уже содержит протон, электрон и фотон... В книжках же обычно пишут, что фотона до излучения нет. Но мысль тут ускользает, что с этим дальше делать?"

Думаю, мысль ускользает из-за непримиримого противоречия между старыми представлениями, классическими или квантовыми, о непрерывном пространстве и его дискретных свойствах на самом деле. Особенно, когда речь идёт об излучении или поглощении фотонов - когда элементы одного пространства превращаются в элементы другого. Но для описания дискретной структуры пространств и взаимного превращения их элементов нет ни подходящих физических представлений, ни адекватного математического аппарата.

С моей точки зрения "танцевать нужно от печки". То есть, начинать строить воображаемую картину атома водорода с того, что и протон, и электрон в атоме - это два дискретных, но всё-таки разных элемента некоторого пространства. Я называю это пространство, элементами которого они являются, "ядерным" для того, чтобы отличить его от электромагнитного пространства, элементами которого являются фотоны. А также потому, что этому пространству нет пока более подходящего термина. Для полноты описания добавлю, что само это пространство обладает отрицательной кривизной (об этом упоминается тут в связи с одним из докладов профессора С.В. Буяло), а его элементы могут дополнительно обладать зарядом, массой и половинным спином. Естественно, всё это принимается в качестве необходимой гипотезы. Добавим, что под элементами пространства мы имеем в виду именно его возбуждённые элементы, поскольку всякую вещь мы воспринимаем только при взаимодействии с ней.

[Spoiler (click to open)]

По определению (в качестве основной гипотезы) каждый элемент любого пространства имеет одинаковый размер или меру, равную кванту действия h, по совместительству называемому постоянной Планка. В этом отношении пространства, составленные из таких элементов, становятся похожи на математическое финслерово пространство, в которых в качестве меры тоже выбирается действие. Если материальная частица, протон или электрон, движется в окружающем электромагнитном пространстве, то в соответствии с представлениями де Бройля квант действия, которым они обладают в этом пространстве, занимая место фотона, равен h=pλ. Где p - импульс частицы, а λ - её длина волны.

Но это линейное движение. Ещё может быть вращательное движение, и для одиночной элементарной частицы такой, как, например, электрон, протон или нейтрон, оно может быть представлено в виде половинного спина s = ½ћ, где постоянная Дирака ћ = h/2π. Правда, механическим вращением это не назовёшь, но так уж устроен микромир: в нём есть только кванты действия, которые могут проявлять себя как энергия, импульс, заряд, масса или спин. А парными к ним и недостаточно точно определёнными остаются моменты времени, координата и направление спина. Для первых двух можно определить только интервал по времени и характерный размер в пространстве, а для спина (и момента импульса) только проекцию на выбранное направление. Про особенности спина более подробно рассказывалось здесь, а какие представления существуют для кванта действия и какой набор топологических элементов ему соответствует, было представлено здесь. Многие вещи, о которых рассказывается в этом блоге, ещё не известны современной науке, но что поделаешь: где-то нужно об этом говорить.

Пока не могу ничего сказать о характерном геометрическом размере ядра, которое занимает протон, поскольку он "скрыт" окружающим его электроном. Электрон окружает ядро атома полностью и фактически именно электрон определяет характерный размер атома водорода. О том, что электрон, можно сказать, "лежит" на ядре, обладая нулевым орбитальным моментом, обсуждалось здесь , а о том, как возникают геометрические размеры атома (а также кристаллов) говорилось немного здесь. На самом деле, достаточно знать величину боровского радиуса a0, чтобы узнать "размер" атома водорода, равный 2a0. Дело в том, что электрон вокруг ядра вынужденно занимает область, равную кванту действия h. Поэтому, с какого боку не посмотри на атом, его электрон в классическом (боровском) представлении будет совершать вращение с моментом импульса h/2π = pa0 в соответствии с его импульсом на орбите p. Ну и что в том, что формула Бора может показаться слишком простой или неправильной? И квантовая механика Шрёдингера может оказаться недостаточной, особенно для релятивистского "движения" электрона. Главное - чтобы костюмчик сидел электрон обладал в атоме полным действием, равным h. Кстати, скорость электрона на боровской орбите можно трактовать как максимально возможную скорость возмущения элементов в фермионном пространстве в отличие от скорости света с - максимально возможной скорости возмущения бозонного пространства. И в этом будет её важный физический смысл. В своё время Зоммерфельд воспользовался формулой Бора или легко вывел её сам и получил знаменитую формулу для постоянной тонкой структуры α, о чём мы уже упоминали здесь. То есть, α - это отношение двух предельных скоростей возбуждения в принципиально разных физических пространствах: фермионном и бозонном.

Как будет происходить возбуждение атома водорода? В боровском атоме водорода на следующем уровне, куда может "перейти" электрон, ему будет необходимо иметь дополнительный квант действия, теперь уже два. И это логично с нашей точки зрения, требующей, чтобы все изменения происходили дискретными порциями и этой порцией был бы квант действия. Переход электрона на следующий уровень в наших представлениях ассоциируется с появлением дополнительного пространства в атоме, которое он может занять или через которое он может свободно переместиться. Это дополнительное пространство может возникнуть или вследствие поглощения фотона, или из-за столкновения атома с другим атомом или какой-нибудь материальной частицей. При этом одно важное условие должно быть соблюдено: не всякий фотон может быть поглощён (превратиться в элемент другого пространства), а только тот, у которого энергия E=hν совпадает с энергией E перехода на следующий уровень в атоме. Характерное время перехода 1/ν оказывается здесь очень важным: мы не сможем заставить электрон совершить переход, если при неупругом столкновении атомов пытаемся передать энергию за другое время. Это оказывается не менее важным и при рассмотрении различных химических реакций: только та реакция произойдёт, в которой время "ухода" электрона будет совпадать со временем его "перехода" на другой атом (молекулу). В этом отношении становится понятна роль металлических катализаторов: теперь нужная нам реакция может происходить с гораздо меньшими "затратами" энергии, поскольку в "бассейне" электронов проводимости катализатора всегда можно найти электрон с нужным большим временем перехода (равном времени присутствия реагирующих молекул вблизи катализатора). Таким, чтобы выполнялось условие E(1/ν)=h.

Реальные атомы элементов таблицы Менделеева устроены всё же сложнее, чем боровский атом водорода. Об их устройстве немного рассказывалось здесь. Основная идея реального устройства электронов в атомах заключалась в том, что они образуют "электронное" пространство оболочек в атоме так, что кванты действия "упаковываются" вокруг ядра наиболее плотным образом, не образуя пустот для заполнения каким-нибудь иным пространством. При этом спины электронов на разных оболочках располагаются так, чтобы, с одной стороны, минимизировать друг друга, а с другой стороны - минимизировать орбитальный момент того уровня, где они находятся. То есть, работает известный принцип наименьшего действия, но уже не в отношении пройденного, например, материальной частицей пути, а в отношении характеристики системы в целом.

Но и это ещё не всё. Хорошо бы объяснить, как "электронное" пространство в атомах может принимать на себя те слабые тепловые возбуждения, которые могут возникать и на самом деле возникают при тепловом нагреве кристаллов даже при низких температурах. А нагреве жидкостей и газов - при комнатных температурах. Ведь, учёным хорошо известно, что энергии электронных переходов соответствуют температурам в тысячи, а то и десятки тысяч градусов. Именно по этой причине в модельных представлениях о тепловых возбуждениях кристаллов участвуют только фононы, а о возбуждении электронов и речи нет, если кристалл не является металлом. А таких кристаллов в природе - большинство. В описании, например, одноатомных газов, какими являются благородные газы, тоже беда: если электроны в атомах не рассматривать, то такие газы никогда не смогут прийти к термодинамическому равновесию. А они, тем не менее, приходят!

Так, какие ещё возбуждения нужно рассматривать в пространстве атома водорода и других атомов? Что ещё можно возбудить в атоме, кроме перехода электрона на другой уровень и изменения направления его спина? Тут нам придётся вспомнить, что электрон - это не только заряд у материальной частицы, но и квант магнитного потока μ, образующий замкнутое кольцо вокруг частицы, так что eμ=h. Это совершенно новая гипотеза о замкнутом кольце вокруг частицы, вводимая нами для того, чтобы единым, универсальным способом определить все четыре топологических элемента, достаточные для полного построения наблюдаемой вокруг нас природы. Но мы уже писали об этом здесь , здесь и здесь .

Теперь остаётся одно: использовать аналогию того, как возникают тепловые возбуждения в кристаллах. А там эти тепловые возбуждения - фононы - являются бозонами. Значит, по этой аналогии следует предположить, что в "электронном" пространстве оболочек атома тоже возникают бозоны. Но это уже будут колебания микроскопических кольцевых потоков магнитного поля. Эти колебания будут абсолютно упругими, поскольку дополнительной внутренней структуры у пары e-μ в кванте действия h не предполагается, и никаких потерь на "трение" быть не может. Тогда многое в атоме будет как в большом кристалле. Если объём кристалла увеличивается при тепловом нагреве из-за появления квазичастиц - фононов, которым требуется дополнительное пространство, то и пространство внутри атома тоже будет увеличиваться. База данных института Теплофизики СО РАН показывает, что так оно и есть: основной вклад в расширение кристаллов дают фононы, а небольшой дополнительный (но очень важный!) даёт электронная подсистема в атомах. По теории Дебая с увеличением температуры теплоёмкость кристалла Cp (а с ней - и коэффициент теплового расширения β) должны выходить на постоянную полку вплоть до температуры плавления, а на самом деле эта "полка" показывает линейное увеличение, а иногда даже загибается вверх перед плавлением. Именно такую линейную температурную зависимость в своих свойствах должна показывать теория Ферми для модели вырожденного электронного газа до тех пор, пока вырождение электронов не начнёт сниматься. А тогда мы сможем увидеть и "загиб", проявляемый в экспериментах для некоторых элементов таблицы Менделеева. Заметим, что в этом блоге уже было написано несколько сообщений на тему теплового расширения (пример), и даже в явном виде представлены графики для теплового расширения золота и вольфрама.

После предыдущего абзаца "на бумагу" просится важный вывод, который следует сформулировать отдельно. Бозоны не могут существовать без фермионов, и наоборот - фермионы без бозонов. Об этом мы немного рассуждали и раньше , а теперь после "вынужденного" включения бозонов в электронное пространство атомов этот вывод превратился в уверенность, в один из фундаментальных принципов построения природы, если хотите.

А реальны ли эти кольцевые магнитные потоки в виде целого кванта вокруг электрона? Которые ещё и двумерные (как плоское кольцо), а их ориентация в пространстве для внешнего наблюдателя также зависит от выбранного направления, как и спин. Вспомним из школьной программы, что возникает вокруг проводника, по которому течёт ток? Правильно, кольцевое магнитное поле, направление которого лежит в плоскости, перпендикулярной линии электрического тока. Это магнитное поле всегда рассматривается классически, без всяких там квантов, но, ведь, и электронов, текущих в проводнике, тоже очень много. Так что, дискретность магнитного поля оказывается незаметной. А у одного электрона мы этот квант магнитного потока можем заметить? Можем, но при очень низких температурах, как это случилось в эффекте Джозефсона, и даже измерить величину этого кванта, который в точности соответствует уже использованной нами формуле eμ=h. Правда, измеренная величина кванта μ там оказалась удвоенной, но на то были свои причины в связи с тем, что электрону приходилось совершать "прыжок" из одного сверхпроводящего состояния в другое через тонкий слой диэлектрика. А у покоящейся частицы, обладающей зарядом электрона, мы можем обнаружить этот квант μ? У покоящейся, видимо, нет. Пока не заставишь двигаться заряженную частицу - не выберешь конкретное направление, не узнаешь, как ориентировано кольцо магнитного потока вокруг электрона. Для покоящейся частицы все направления ориентации кольца хороши, и в случае многих электронов, как в атоме или ионе, отдельные кольца внутри просто "интерферируют" друг с другом, минимизируя состояние системы по квантам действия. А вот за пределами иона (заряженной частицы) эти кольца будут давать некий результирующий вклад. При движении это будет индуцированное магнитное поле, а вот в покое... Вам не кажется, что давно известное всем кулоновское взаимодействие с зависимостью потенциала 1/r есть не что иное, как влияние суммарной кривизны всех отдельных колец - квантов? Ведь у плоского (двумерного) кольца кривизна в трёхмерном пространстве будет тоже меняться как 1/r. Вам не кажется, что тем самым мы с вами выяснили природу этого фундаментального взаимодействия?

А там и до гравитации недалеко. У которой потенциал тоже меняется как 1/r. А мы недавно выяснили, правда, по другому поводу, что масса материальной частицы тоже является составной частью топологического элемента, для которого тоже существует двумерное кольцо потока кривизны Ri в виде кванта, и как раз с нужной для гравитации зависимостью 1/r. Неужели, природу сил гравитации мы тоже уже выяснили?!



И последнее. Как же так получается, что электрон в атоме, обладая спином ½ћ, испускает фотон со спином, равным ? Да очень просто (на первый взгляд). Электрон как бы переворачивается "через голову", изменяя направление своего спина на противоположное на новом уровне. В сумме изменение его спина как раз составляет единицу. При этом электрон как бы оборачивается через своё кольцо магнитного потока, создавая зацепленное с ним кольцо тока электрического смещения. В результате получается динамическая структура из двух зацепленных колец, что как раз составляет единственный из четырёх топологический элемент, который мы приписываем фотону!

Надеюсь, вам, дорогие читатели, было интересно.

Искренне Ваш, Дулин Михаил.