Модель газообразной молекулы. (часть 2)

УДК 538.8
Модель газообразной молекулы. (часть 2)
(продолжение, начало - http://technic.itizdat.ru/docs/d-pi/FIL13926480030N050351001/1)
Петр Иванович Дубровский, инженер.
Санкт-Петербург, Российская Федерация.
e-mail: [email protected]
4. Постулаты Нильса Бора.
Физик-писатель Анна Михайловна Ливанова в своей книге про Ландау, пытаясь
донести до читателей гениальность Льва Давидовича, приводит в пример «гениальность»
Нильса Бора (см. «Ландау», изд. 2-е, доп., Москва, Знание, 1983, стр. 162-163):
«А Бор? Может, следует сказать, что это было озарение, что Бора просто осенило,
когда он, строя модель атома, высказал один из своих знаменитых постулатов. Или что
ему надо было каким угодно образом найти выход из безвыходного положения – и тогда
возникла его «безумная идея» об электроне, который вращается по орбите вокруг
атомного ядра и при этом не излучает электромагнитной энергии. Двигается и не
излучает! Постулат Бора, во-первых, противоречил незыблемому закону физики,
гласящему, что всякий движущийся заряд (или заряженное тело) обязательно излучает
электромагнитную энергию. А во-вторых, как и всякий постулат, он был недоказуем, не
подлежал обоснованию. Не излучает – и все! Ведь энергия излучающего тела
уменьшается, и непрерывно излучающий электрон в конце концов просто упал бы на
ядро, чего в действительности не происходит. Так Бор открыл один из удивительнейших
законов микромира. Вот что значит – интуиция гения. И смелость его мышления...»
Чувствуете, как мало в теоретической физике надо, чтобы тебя признали гением?
Надо только выдвинуть нелепый постулат, который, во-первых, никоим образом не
согласуется с наблюдаемыми физическими явлениями (противоречил незыблемому
закону физики, гласящему, что всякий движущийся заряд … обязательно излучает
электромагнитную энергию), а во-вторых, как и всякий постулат, был недоказуем, не
подлежал обоснованию. О как! И на таких вот книгах воспитывались новые легионы
физико-теоретиков.
Мне же, как инженеру, очень любопытно знать, что же это за незыблемый
физический закон, если незыблемость этого закона не просто ставится под сомнение, а
однозначно отвергается недоказуемым и не подлежащим обоснованию постулатом, проще
сказать, догматом новой, «квантовой» веры. Разве это наука? Восторженное блеяние
«физика-писателя» А.М. Ливановой по данному вопросу мной же воспринимается как
наглядная демонстрация ограниченности ума теоретиков квантовой физики, как
демонстрация полного отсутствия логического мышления и здравого смысла.
Вспомним история рождения постулатов. В 1911 году 25-летний свежеиспеченный
доктор наук Нильс Хенрик Давид Бор получил от фонда Карлсберга (да-да, тех самых, кто
ныне владеет почти всем пивным промыслом как в Европе, так и в России – это и
«Carlsberg», и «Tuborg», и «Kronenbourg», и «Балтика» и т.д.) стипендию в размере 2500
крон для стажировки за границей (возможно, тут пригодились матушкины связи, но не в
этом дело). И в сентябре 1911 он прибыл в Кембридж, в Кавендишскую лабораторию
Джозефа Джона Томсона (Joseph John Thomson), знаменитого первооткрывателя
электрона.
Однако молодой Бор не сошелся с Томсоном, так как с ходу ткнул пальцем в
какую-то ошибку мастера – то ли в расчетах, то ли в выводе формулы, и поэтому уже в
марте 1912 году перебрался в Манчестер, в лабораторию к ученику Томсона Эрнесту
Резерфорду (Ernest Rutherford).
Буквально за полгода до этого Резерфорд, вслед за Томсоном, опубликовал свою
собственную модель атома. Томсон в 1904 году выдвинул «изюмно-пудинговую» модель
атома, plum pudding model, согласно которой в положительно заряженном ядре, как изюм
в пудинг, внедрены махонькие отрицательно заряженные электроны (см. рис. 3). Томсон
полагал, что атомы состоят из множества отрицательно заряженных корпускул (частиц),
заключенных в равномерно заряженную положительным электричеством сферу (... the
atoms of the elements consist of a number of negatively electrified corpuscles enclosed in a
sphere of uniform positive electrification ...).
Рис. 1. «Изюмно-пудиговая» модель атома Томсона (слева)
и планетарная модель атома Резерфорда (справа).
Эрнст Резерфорд, основываясь на результатах своих экспериментов, предложил
планетарную модель, наподобие Солнечной системы – вокруг массивного положительно
заряженного ядра вращаются по кольцевым орбитам электроны. Надо сказать, что еще в
1904 году аналогичную модель атома, в которой электроны вращались вокруг ядра как
кольца вокруг планеты Сатурн, выдвинул японский физик Хантаро Нагаока.
Была только одна «небольшая» проблема. Ни одна из этих моделей не могла
толково и обстоятельно обосновать дискретность спектральных линий. Томсон полагал,
что электроны могут свободно двигаться внутри сферы по кольцевым орбитам, а спектры
получаются за счет разности энергий различных орбит – и предположения Томсона вовсе
не лишены смысла, как это пытаются представить некотоые «физико-писатели». Не
ладилось с объяснением спектральных линий и у Резерфорда.
Нильс Бор поступил с этой проблемой так же, как небезызвестный Александр
Филиппович Македонский некогда поступил с Гордиевым узлом. Вот что об этом писал
сам Бор: «…it must be remarked, that the theory in the form given dies not seem to be able to
account for the well-known laws of Balmer and Rydberg connecting the frequencies of the lines
in the line- spectra of the ordinary elements.» То есть «…следует отметить, что теория в
предложенном виде не жизнеспособна, так как не в состоянии объяснить хорошо
известные законы Бальмера и Ридберга в отношении частот линий в спектрах обычных
элементов.»
И, не мудрствуя лукаво, Бор изобрёл два допущения (которые затем его
последователи возвели в разряд постулатов, другими словами – в догматы новой веры):
It will now be attempted to show that the difficulties in question disappear if we consider
the problems from the point of view taken in this paper. … The principal assumptions used are:
(1) That the dynamical equilibrium of the systems in the stationary states can be
discussed by help of the ordinary mechanics, while the passing of the systems between different
stationary states cannot be treated on that basis.
(2) That the latter is followed by the emission of a homogeneous radiation, for which the
relation between the frequency and the amount of energy emitted is the one given by Planck's
theory.
Перевод:
Теперь продемонстрируем, что трудности данного вопроса исчезают, если мы
рассмотрим проблему с точки зрения, принятой в данной работе. … Вот основные
допущения:
(1) Динамическое равновесие системы в стационарных состояниях может быть
описано посредством обычной механики, а вот переход системы из одного стационарного
состояния в другое – нет, не может.
(2), Указанный выше переход (из одного стационарного состояния в другое)
сопровождается испусканием монохроматического излучения, для которого соотношение
между частотой и количеством выделенной энергии в соответствует теории Планка.
Таким образом Бор по своей прихоти взял да и отменил «незыблемый», как писала
А.М. Ливанова, физический закон – именно «так Бор открыл один из удивительнейших
законов микромира». А так как тогдашним физико-теоретикам сильно надоело ломать
голову над моделью атома, возможно, и потому, что фантазия Бора открыла им путь ко
вседозволенности – после этого можно было аналогичным образом «постулировать»
любую глупость – то идеи Бора были приняты на вооружение.
А была ли такая уж страшная необходимость отменять незыблемый закон физики?
Может, прежде надо было просто немного подумать? Давайте вспомним рассмотренное
нами в предыдущих главах явление «пропадания» магнитного поля в соленоидах из двух
разнонаправленных катушек. Ведь там наблюдается в точности такое же явление –
электрические заряды движутся, но магнитное поле при этом в одних случаях
индуцируется (излучается), а в других – нет, не излучается. В развитие этой идеи давайте
рассмотрим еще один пример – радиосвязь.
5. Электромагнитное излучение на радиочастотах.
Конец XIX – начало XX века были ознаменованы новым научно-техническим
прорывом человечества – было изобретено радио, имеющее в своей основе всё те же
переменные магнитные (электромагнитные) поля.
Для обеспечения дуплексной радиосвязи радиостанция должна иметь оба тракта –
передающий и приёмный. Передающий тракт формирует электромагнитные колебания на
определенной, «несущей» частоте. Сейчас в радиосвязи используются частоты от единиц
герц (сверхдлинные волны, СДВ-диапазон) до десятков Гигагерц (миллиарды герц, это
сантиметровые ультракороткие волны). Эти колебания несущей частоты обычно
модулируются передаваемым сигналом по амплитуде или по частоте. Сформированный
таким образом сигнал усиливается и излучается антенной в пространство в виде
радиоволн – в виде переменного магнитного поля.
В приёмной антенне под действием множества переменных магнитных полей,
создаваемых другими радиопередатчиками, атмосферными явлениями и техническими
устройствами, возникает переменная ЭДС. Из наведенного магнитными полями тока с
помощью частотных фильтров выделяется сигнал нужной несущей частоты. Детектируя
этот выделенный сигнал, восстанавливают полезный.
Остановимся на коротковолновой связи. КВ-связь использует магнитные излучения
в диапазоне частот от 3 до 30 МГц. Это означает, что напряженность излучаемого и
принимаемого магнитного поля меняет свою величину и направление от трёх до тридцати
миллионов раз в секунду. Не вдаваясь в ненужные сейчас детали, тракт передачи КВрадиостанции (см. рис. 2) состоит из:
Рис. 2. Передающий тракт коротковолновой радиостанции.
радиопередающего устройства (РПДУ), которое обычно называют просто «передатчик».
Возбудитель передатчика генерирует несущую частоту, то есть частоту, на которой
ведется вещание в эфир, и модулирует эту несущую частоту «полезным» сигналом по
частоте или по амплитуде, если работа ведется в телефонном режиме. При работе в
телеграфном режиме сигнал не модулируется. Сформированный возбудителем сигнал
проходит через усилитель мощности и передается в антенно-фидерное устройство
(АФУ), которое в свою очередь состоит из фидера и передающей антенны.
Передающая антенна предназначена для излучения сформированного
возбудителем и усиленного усилителем мощности сигнала в эфир. Передающая антенна –
это устройство, в котором переменный электрический сигнал непосредственно
превращается в переменное магнитное поле.
Современные коротковолновые антенны – например, логопериодические или
двойные ромбы – имеют длину в десятки и сотни метров (см. фото 10), поэтому антенны
подключаются к РПДУ посредством фидеров.
Фото 10. Современная передающая логопериодическая антенна КВ-диапазона.
Назначение фидера (см. фото 11) состоит в том, чтобы передать сформированное
РПДУ переменное электрическое (электростатическое) поле непосредственно к
передающей антенне. Основные требования к фидеру сводятся к его
электрогерметичности (отсутствию излучения из фидера) и малым тепловым потерям.
Фото 11. От антенного павильона к антеннам расходятся
открытые четырёхпроводные воздушные фидеры.
Но ведь мы знаем, что любой движущийся электрический заряд индуцирует
магнитное поле. Почему же не излучает открытый воздушный фидер? По той же самой
причине, по какой соленоид из двух одинаковых, но разнонаправленных катушек теряет
свои магнитные свойства.
Конечно, на практике не всё так просто. Волновое сопротивление фидера должно
быть согласовано как с входным сопротивлением антенны так и с выходом передатчика
(для максимальной отдачи мощности). Расчет антенн и фидеров – довольно сложное дело,
в котором есть свои тонкости и свои подводные камни.
Но факт остаётся фактом. Радиоинженеры умеют сегодня конструировать и
рассчитывать состоящие из проводов (обычно используются биметаллические провода)
устройства, которые при прохождении по ним тока (при движении электронов) почти не
излучают магнитного поля (фидеры) и устройства, у которых величина излучённого
магнитного поля максимальна в заданном направлении (антенны).
6. Эскизная модель молекулы, в которой электроны движутся, но не излучают.
Прежде чем перейти непосредственно к эскизной модели такой молекулы, я бы
хотел прояснить кое-какие используемые мной понятия.
Согласно моих представлений, основной единицей вещества является молекулы и
(для кристаллических твёрдых тел) ионы, а не атомы. Поэтому, когда я говорю об
электромагнитном (магнитном) излучении в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом
диапазонах частот, то это в обязательном случае излучение молекул или ионов, но никак
не атомов.
Например, газообразная молекула может состоять из одного (гелий, неон, аргон,
криптон, одноатомная молекула водорода), двух (водород, кислород, азот, хлор, фтор,
угарный газ и т.д.), трёх (водяной пар, углекислый газ) , четырёх (метан) и более атомов.
Отличает молекулу от атома однотипное распределение электронов по энергетическим
уровням – газогенному, жидкостному и кристаллообразующему. Максимальное
«разрешенное» количество электронов на каждом уровне подсказано таблицей
Менделеева: на газогенном – не более двух, на жидкостном – не более восьми, на
кристаллообразующем – не более восемнадцати.
В дальнейшем я попытаюсь наглядными примерами разъяснить, почему я пришёл к
такой идее.
Исходя из описанного мною в главах 2, 3 и 5 явления пропадания магнитного поля,
предлагаемая мной эскизная модель газообразной молекулы представляет собой
массивное молекулярное ядро, которое может состоять из одного или нескольких атомных
ядер, а также электронов жидкостного и кристаллообразующего уровней, которые
объединены неким «электронным газогенным облаком» (см. рис. 3 и 4).
Рис. 3. Эскизная модель одноатомной молекулы гелия.
Рис. 4. Эскизная модель двухатомной молекулы водорода.
Согласно моим представлениям, действительно существуют некие «стационарные»
состояния молекул, в которых молекулы не излучают. Это происходит в том случае, когда
электроны газогенного уровня, электроны, создающие «электронное облако» вокруг
молекулярного ядра, синхронно движутся по диаметрально противоположным орбитам.
В случае, когда это движение рассинхронизировано или же молекула потеряла
один из газогенных электронов (см. рис. 5), в этом случае молекула начинает излучать, то
есть индуцировать переменное или постоянное магнитное поле. Разумеется, излучаемое
магнитное поле в случае 5С будет постоянным только в том случае, если траектория
движения электрона будет являть собой идеальную окружность с постоянной скоростью,
что по моим представлениям, невозможно.
Рис. 5
A. Одноатомная молекула гелия не излучает
B. Молекула гелия индуцирует (излучает) переменное магнитное поле.
C. В данном случае гипотетически возможно, что молекула гелия будет индуцировать
(излучать) постоянное магнитное поле.
Таким образом, не изобретая постулаты, отрицающие незыблемые законы физики
(электродинамики), с помощью представленной эскизной модели, приняв во внимание
дискретность существующего электромагнитного эфира (а существование самого эфира
уже можно считать доказанным опытным путём, правда, академические дедушки и истово
верующие релятивисты об этом ничего не хотят знать) можно логично и понятно
объяснить многие физические явления, которые сейчас не поддаются «классической
квантовой физике», основанной на ошибочных догмах Нильса Бора.
Итак, что уже позволяет объяснить эта модель:
1. Излучают газовые молекулы либо в момент своей ионизации, либо, согласно
идее Томсона, когда парные электроны в облаке двигаются по орбитам с разными
диаметрами и с разными скоростями.
2. Эта модель позволяет понять, что же является причиной внутреннего
давления в газах. Как ни странно, причиной давления газов являются широко
известные силы Кулона.
Тут дело вот в чем. Несмотря на то, что все газообразные молекулы вроде бы как
электрически нейтральны, на самом деле удаление двух электронов на приличное (по
меркам наномира) расстояние приводит к тому, что между газообразными молекулами
возникают силы Кулона (электростатические силы), причем силы отталкивания
преобладают над силами притяжения. В продолжении статьи я более подробно
остановлюсь на этом моменте.
3. Ширина спектральных полос двух- и многоатомных молекул, объясняется
эллипсообразностью газогенного электронного облака и зависит от отношения
большой и малой осей.
4. Газовые молекулы практически никогда не находятся в стационарном
состоянии. Они излучают практически постоянно – только в нижнем инфракрасном
диапазоне. Это излучение тут же перехватывается соседними газовыми молекулами.
Вследствие этого скорость распространения теплового излучения той частоты,
которое соответствует спектру излучения/поглощения газа существенно отличается от
скорости света.
Продолжение следует.
Вопросы, замечания, предложения можно присылать на e-mail [email protected]
Ищу заинтересованных людей для апробации, для рекламы и для
дальнейшего развития, в частности, для разработки математического обеспечения
для этой эскизной модели.