ВВЕДЕНИЕ В МИКРОМИР Канарёв Ф.М. Вводная часть
advertisement
ВВЕДЕНИЕ В МИКРОМИР Канарёв Ф.М. kanphil@mail.ru Вводная часть Анонс. Современная наука не имеет единого подхода к анализу обитателей микромира и их поведения. Искатели научных истин каждый по-своему пытаются найти вход в микромир. Нет понимания того, что микромир един, поэтому начало знакомства с ним должно базироваться на знаниях о самой первой характеристике любого обитателя микромира – его размера. Размеры обитателей микромира Прежде всего, все обитатели микромира – локализованные (ограниченные в пространстве) образования, поэтому размер обитателя микромира – первый параметр, формирующий правильные представления о нём. Природа обитателей микромира такова, что все они изменяют свои геометрические размеры в определённых пределах [1]. Все параметры, например, фотона изменяются в интервале, примерно, 17-ти порядков ( 1017 ). Параметры электрона тоже меняются, но только тогда, когда он находится в составе атома, молекулы или кластера. В свободном состоянии электрон всегда имеет строго постоянные параметры. Это постоянство обеспечивается совокупностью более 20 констант, управляющих формированием его структуры. Протон – локализованное образование. В свободном состоянии он также имеет строго постоянные параметры. Они меняются только тогда, когда протон вступает в связь с нейтроном при формировании ядра. Нейтрон – также локализованное образование с постоянными параметрами [1]. Атомы, молекулы и кластеры (совокупности молекул) – локализованные образования с меняющимися параметрами. Процессом изменения этих параметров управляют фотоны, излучаемые и поглощаемые электронами атомов, входящих в состав молекул [1]. Удивительным является то, что до сих пор нет названия диапазонам изменения порядков размеров обитателей микромира, поэтому возникает необходимость ввести такие названия. Они должны следовать из давно принятой системы СИ. В ней в качестве единицы длины принят метр. Если размер какого-то объекта больше или меньше метра, то для характеристики его величины введены множители и даны им названия [2]. Например, множитель 10 9 назван «ГИГО», а множитель 10 9 и «НАНО». Нано одна миллиардная часть целого. Если показателем этого целого является геометрический размер, то 1 10 9 ì - одна миллиардная часть метра. Одну десятую миллиардной части метра ( 0,1 10 9 10 10 ì ) называют ангстремом [2]. Если обитатель микромира имеет размер, равный 1000 ангстрем, то мы можем записать его так 1000 10 10 ì , а можем и так 1 10 7 ì . Если же размер объекта микромира равен 0,001 ангстрема, то его можно записать так 0,001 10 10 ì или так 1 10 13 ì . Что же взять за основу, чтобы облегчить формирование одинаковых у всех представлений о размерах обитателей микромира? Опыт показывает, что удобнее всего все размеры записывать так, чтобы до запятой стояли числа от 1 до 9. В этом случае формируется чёткое представление о порядках размеров обитателей микромира. Например, число 3 10 6 ì означает, что размер объекта микромира равен трем миллионным метра. Но этого мало. Нам желательно знать диапазон размеров, которому принадлежит это число. Но в системе СИ нет названий диапазонов изменения порядков величин, там есть названия только множителей (табл. 1) [2]. 2 Таблица 1. Множители для образования десятичных кратных и дольных единиц; их наименования и обозначения [2] Множитель Наименование Обозначения русское/междунар. 18 экса Э/Е 10 пета П/Р 10 15 12 тера Т/Т 10 9 гига Г/G 10 6 мега М/М 10 3 кило к/k 10 2 гекто г/h 10 дека Да/da 10 1 деци д/d 10 1 санти с/с 10 2 3 милли м/m 10 6 микро мк/ 10 9 н/n нано 10 12 пико п/p 10 фемто ф/f 10 15 атто а/a 10 18 В табл. 1 представлены названия множителей кратных единиц больших нуля и дольных единиц - меньших нуля. Чтобы ввести диапазоны изменения названий, надо взять ноль (0) в качестве начала изменения этих диапазонов (табл. 2). Таблица 2. Диапазоны изменения множителей для образования десятичных кратных и дольных единиц, их наименования и обозначения Диапазон Наименование Обозначения изменения русское/междунар. 15 18 экса Э/Е 10 10 пета П/Р 1012 1015 тера Т/Т 10 9 1012 6 9 гига Г/G 10 10 3 6 мега М/М 10 10 2 3 кило к/k 10 10 1 2 гекто г/h 10 10 1 дека Да/da 0,0- 10 0,0 начало Н/B 1 деци д/d 0,0 10 10 1 10 2 10 2 10 3 10 3 10 6 10 6 10 9 10 9 10 12 10 12 10 15 10 15 10 18 санти милли микро нано пико фемто атто с/с м/m мк/ н/n п/p ф/f а/a 3 В результате получается таблица (табл. 2) с названиями диапазонов изменения порядков множителей, которым мы придаём смысл диапазонов изменения размеров обитателей макромира и микромира. Итак, мы ввели диапазоны изменения порядков множителей. Используем эти диапазоны для представления размеров основных обитателей микромира: фотонов, электронов, протонов, нейтронов, ядер, атомов, молекул и кластеров, и таким образом свяжем эти размеры с системой СИ. Теперь нам легче описывать обитателей макро- и микро мира. Например, размер фотона зеленого света, равен 5 10 7 ì . В соответствии с принятой новой условностью (табл. 2), этот размер находится в нанодиапазоне. Если мы возьмём размер фотонов, которые формируют максимум излучения Вселенной, то он равен 2 1,063 10 3 ì . Этот размер МИКРО диапазона (табл. 2). Совокупность самых больших фотонов 1 ( 2 0,052 ì 1,04 10 ì ) формирует самую низкую температуру, экспериментальная величина которой равна, примерно, 0,056К. Это САНТИ диапазон. Самые маленькие гамма фотоны имеют размер, примерно, равный 3 10 18 ì . Это уже АТТО диапазон. Таким образом, размеры фотонов изменяются в интервале 17-ти порядков. Теоретическая величина радиуса свободного электрона строго постоянна и равна re (theor ) 2,4263016 10 12 ì . Она отличается от его экспериментальной величины в 6-м знаке после запятой re (exp er ) 2,4263089 10 12 ì . Мы теперь уверенно говорим, что размер электрона находится в ФЕМТО диапазоне (табл. 2). Размеры ядер атомов изменяются в интервале (1,2 1,5) 10 15 ì . Это уже АТТО диапазон (табл. 2). Отметим ещё одну особенность системы СИ. Она предусматривает использование не только системных, но и внесистемных единиц. Например, единицей энергии в системе СИ считается Джоуль (Дж). Однако при описании поведения обитателей микромира чаще используется внесистемная (дополнительная) единица энергии - электрон-вольт (эВ, eV). Один электрон-вольт равен 1,60210 10 19 Дж . А теперь познакомимся с диапазонами изменения размеров основных обитателей микромира, представленных на рис. 1. Нано – это миллиардная часть ( 10 9 ) единицы анализируемого параметра в системе СИ, а введённый нами диапазон НАНО, соответствует параметрам обитателей микромира, изменяющимся в интервале 10 6 10 9 м. (рис. 1). В этом диапазоне изменяются размеры атомов, молекул и кластеров. В результате понятие НАНО приобретает более чёткий физический смысл. Нано процессы, это такие процессы, участниками которых являются атомы, молекулы и кластеры (рис. 1). Однако, атомы соединяют в молекулы электроны, а их размеры находятся в ФЕМТО диапазоне (2 2,24 10 12 ì ) (рис. 1). Размеры протонов, нейтронов и ядер находятся в АТТО диапазоне (1 10 15 м) (табл. 2, рис. 1). Таким образом, мы придали более чёткий физический смысл популярному греческому слову НАНО – карлик. Вполне естественно, что одинаковое понимание нанопроцессов и нанотехнологий возможно лишь при наличии одинаковых представлений о размерах их основных участников: фотонов, электронов, протонов, нейтронов, ядер, атомов, молекул и кластеров. Это же является и главным условием корректной интерпретации любого нанопроцесса. Конечно, нам интересны достижения в познании микромира, прежде всего - экспериментаторов. Они уже значительны и мы можем познакомиться с некоторыми из них. Поскольку размеры атомов, молекул и кластеров находятся в нанодиапазоне, то желательно иметь фото этих структур. Лидерами в получении фотографий обитателей микромира с наибольшей разрешающей способностью являются европейские исследователи. На рис. 2, а представлена фотография кластера бензола Ñ 6 Í 6 , полученная ими, а на рис. 2, b - результат обработки этой фотографии. 4 Рис. 1. Шкала диапазонов изменения размеров элементарных обитателей микромира а) с) b) Рис. 2. Достижения европейских экспериментаторов в фотографировании молекул А вот каким увидели японцы атом водорода (рис. 3, а). Они не знают, что свободные атомы водорода существуют только в состоянии плазмы с температурой 2700-10000 град., поэтому свободный атом водорода можно представить только теоретически (рис. 3, b), а сфотографировать его можно только в составе молекулы. Такую попытку сделали европейцы (рис. 2 и 5). Известно, что молекула бензола Ñ 6 Í 6 состоит из шести атомов углерода и шести атомов водорода. Фотографии (рис. 2 и 5) убедительно доказывают достоверность линейного взаимодействия электронов атомов углерода и атомов водорода в кластере бензола. Из этих же фотографий следует и достоверность теоретической модели молекулы бензола Ñ 6 Í 6 (рис. 4) и атома водорода (рис. 3, b) [1], [4]. 5 Рис. 3. а) - японское фото атомов водорода Н; b) теоретическая модель атома водорода и его размеры в невозбуждённом состоянии Нетрудно видеть, что структуры молекул бензола в его кластере (рис. 2, b) полностью совпадают с нашей теоретической моделью молекулы бензола (рис. 4). Главная её особенность – она плоская, а шесть лучей на её внешнем контуре – атомы водорода (рис. 3, b). На европейских фотографиях (рис. 2, а и 5, а) они представлены в виде острых выступов на внешнем контуре кластера бензола. Авторы фотографии, обрабатывая её, представили концы этих выступов шариками (рис. 2, b и 5, a), которые в теоретической модели (рис. 4) являются протонами атомов водорода. Повторим ещё раз информацию об атоме водорода. Атомы водорода находятся на внешнем контуре молекулы бензола (рис. 4) и его кластера (рис. 5, с) и связаны с электронами атомов углерода линейно. Супер современный европейский микроскоп увидел туманные контуры атомов углерода в молекуле бензола (рис. 2, а и 5, а) и туманные линейные выступы на внешнем контуре кластера бензола, которые в теоретической его модели (рис. 4) принадлежат атомам водорода. 6 Рис. 4. Теоретическая структура молекулы бензола Рис. 5. 7 А что увидел японский микроскоп (рис. 3, а)? Туманные контуры структур, формы которых близки к квадратной форме. Белые туманные вершины этих квадратов – атомы молекул, которые формируют кластер, сфотографированный японцами. Середины квадратов – пустоты, а японцы обозначили их атомами водорода H и ванадия V , полагая, видимо, что белые туманные пятна вершин четырехугольников – орбиты электронов, а в центрах квадратов – ядра атомов. Видите (рис. 3, а), как далеки представления японцев от более правильных представлений европейцев (рис. 2, b и 5, a). Теоретическая модель молекулы бензола показана на рис. 4, а кластера бензола – на рис. 5, с. Туманные фото (рис. 2, а и 5, а) убедительно доказывают соответствие реальности теоретической молекулы бензола и его кластера. А теперь, о разрешающей способности электронных микроскопов. Оставим в покое сказки релятивистов о том, что электроны приносят образы объектов микромира на фото электронного микроскопа. Носителями визуальной информации являются только фотоны. Известна разрешающая способность человеческого глаза, который может рассмотреть чётко контуры объекта размером, примерно, 0,1мм или 1,0 10 4 ì . Разрешающая способность человеческого глаза или фотоаппарата определяется плотностью фотонов, отражающихся от поверхности фотографируемого объекта. Чем больше эта плотность, тем чётче видится исследуемый объект. Настольная лампа, например, мощностью 100 Ватт излучает на каждый квадратный сантиметр поверхности стола 1,0 10 23 световых фотонов в секунду, которые и обеспечивают чёткость букв читаемого нами текста, лежащего на поверхности стола. Из этого следует, что разность между размером объекта ( 1,0 10 4 ì ), чётко видимого человеческим глазом, и размерами световых фотонов (3,0....7,0) 10 7 ì , формирующих чёткость изображения этого объекта, достигает 3-х порядков. Вполне естественно, что уменьшение этой разницы, уменьшает чёткость фотографируемого объекта. Туманность фотографий электронных микроскопов (рис. 2 и 5) убедительно доказывает это. Есть основания полагать, что разница между размерами туманных объектов на фотографиях и размерами фотонов, которые принесли образы этих объектов, около двух порядков (100) и мы можем определить, примерно, радиусы этих фотонов. Они скрыты в теоретическом размере молекулы бензола (рис. 4) и в масштабной линии 2 10 10 ì , показанной японцами на рис. 3, а. Размер этой линии близок к размеру между белыми туманными изображениями в вершинах квадратов, которые представляют атомы молекулы (как и на европейском фото, на рис. 5 - атомы углерода в вершинах шестиугольников). Атомы в молекулы соединяют электроны. Роль соединительного звена могут выполнять и атомы водорода (рис. 3, b). Тогда протоны атомов водорода тоже участвуют в формировании линейных связей между атомами в молекуле или кластере. В результате размер стороны квадрата 2 10 10 ì на японской фотографии (рис. 3, а) будет минимум на два порядка больше 10 8 ì . Это значит, что японцы завысили разрешающую способность своего микроскопа минимум в 100 раз. Аналогичный вывод следует и при сравнении размера теоретической модели молекулы бензола (рис. 4) и фото кластеров бензола (рис. 2, а и 5, а). Из этого следует, что образы туманных объектов на японской и европейской фотографиях принесли фотоны с размерами, примерно, равными 10 11 10 ....10 ì . Это фотоны рентгеновского диапазона (табл. 3), которые, как известно, отражаются от электронов в эффекте Комптона, но они не отражаются от протонов атомов водорода, так как размеры протонов, примерно, на 4-е порядка меньше размеров указанных рентгеновских фотонов. Отсутствие изображений на концах линейных выступов кластеров бензола (фото на рис. 2, а и 5, а), где располагаются протоны атомов водорода, убедительно доказывает это. 8 Таблица 3. Диапазоны изменения радиусов r (длин волн ) и энергий E фотонов Диапазоны Энергия E , eV Длина волны (радиус r ), м 6 4 1. Низкочастотный E 4 10 15...4 10 11 3 10 ...3 10 2. Радио E 4 10 11...4 10 6 3 10 4...3 10 1 3. Микроволновый E 4 10 6...4 10 3 3 101...3 104 4. Реликтовый (макс) 1 10 3 E 1,2 10 3 5. Инфракрасный E 4 103...1,60 E 1,60...3,27 7. Ультрафиолетовый 3 104...7,7 107 7,7 107...3,8 107 3,8 107...3 109 8. Рентгеновский 3 10 9...3 10 12 9. Гамма диапазон 3 10 12...3 10 18 E 4 10 2...4 105 E 4 105...4 1011 6. Световой E 3,27...4 10 2 Структура молекулы воды, следующая из новой теории микромира, представлена на (рис. 6) [1]. Рис. 6. Схема модели молекулы воды: 1,2,3,4,5,6,7,8 - номера электронов атома кислорода; P1 , P2 - ядра атомов водорода (протоны); e1 и e2 - номера электронов атомов водород Рис. 7. Кластеры молекул воды: а) теоретический; b), с) и d) фото кластеров 9 Теоретический кластер молекул воды (рис. 7, а), следует из молекулы воды (рис. 6), выявленной нами, и подтверждается фотографиями кластеров воды, сделанными японскими исследователями после облучения воды различными источниками излучений (рис. 7). В монографии проанализированы причины формирования шестиконечных кластеров молекул воды разной конфигурации и причины их усложнения при облучении разными источниками излучений [1]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Итак, найден наиболее приемлемый вариант плодотворного входа в микромир. Он, мягко говоря, отправляет неисчислимое количество академических научных работ, посвящённых электронным микроскопам и результатам, полученным с их помощью, на полку истории науки. Туда же уходят и все школьные и вузовские учебники по физике и химии, убеждающие своих учеников в том, что электроны атомов движутся по орбитам вокруг ядер. Думаю, что школьники и студенты простят автора этой статьи за продолжающееся интеллектуальное насилие над ними. Четыре года назад я пытался остановить это насилие [3]. Вот лишь одно из писем, полученных мною из Министерства Образования и Науки. 14.12.2006г. № 03-ПГ-КОН-5331. Уважаемый Филипп Михайлович! В соответствии с письмом Управления Президента Российской Федерации по работе с обращениями граждан Департамент государственной политики и нормативноправового регулирования в сфере образования Минобрнауки России рассмотрел Ваше письмо на имя Президента Российской Федерации о курсе лекций по физхимии микромира и сообщает….Ваша новая работа «Курс лекций по физхимии микромира» будет доставлена в УМО с нарочным, с целью получения квалифицированного профессионального заключения учёных ведущего российского вуза – Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Результаты этой экспертизы будут доведены до Вашего сведения. Заместитель Директора И.М. Реморенко [3]. Настал декабрь 2010г., а я так и не получил обещанного [3], [4]. Видимо, научные эксперты ведущего российского вуза боятся новых научных знаний, как чёрт ладана. Литература 1. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира». Монография. 15-е издание. http://www.micro-world.su/ 2.Бурдун Г.Д. Справочник по международной системе единиц. М.. Издательство «Стандартов» 1977г. 3. Канарёв Ф.М. История научного поиска и его результаты. http://www.micro-world.su/ Папка «Книги». 4. Канарёв Ф.М. Теоретические основы физхимии микромира. Учебник. 3-е издание. http://www.micro-world.su/ Папка «Учебники».
