Реферат: Аксиома единства пространства - материи - времени

Мы живем в этой совокупности примерно так же, как рыбы живут в воде, и никаких векторных свойств этой совокупности до сих пор не зафиксировано. На этом верном утверждении надо остановиться и понять, что векторные свойства присущи энергиям не совокупности фотонов и электронов, а единичным фотонам и электронам, которые, конечно же, беспорядочно ориентированы в этой совокупности, поэтому в общем случае и не придают ей векторных свойств. Итак, у нас появились основания предполагать, что энергии единичных фотонов и электронов - величины векторные, и тут сразу возникает вопрос: а в каких же явлениях Природы, в каких моментах жизни фотона и электрона можно это обнаружить?

Ответ следует однозначный - в тех явлениях, где энергии единичных фотонов и электронов складываются или вычитаются.

Происходит это, при энергетических переходах электрона в атоме. Ведь эти переходы сопровождаются поглощением или излучением фотонов или другими словами: сложением или вычитанием энергий единичных фотонов с энергией электрона, который поглощает или излучает эти фотоны.

Повторим, единичных, ибо Природа лишила электрон возможности поглощать или излучать при энергетическом переходе в атоме два, три или большее число фотонов за один акт перехода.

Только один фотон может поглотить или излучить электрон при одном энергетическом переходе.

Конечно, читатель обратил внимание на то, что мы уклонились использовать термин "орбитальный переход электрона". Связано это с тем, что электрон не имеет орбитального движения в атоме и сейчас мы получим доказательство этому.

Проанализируем всего один энергетический переход электрона в атоме водорода. Энергия связи электрона в момент его пребывания на первом энергетическом уровне этого атома равна 13,6 электроновольт (eV). Когда он поглощает фотон с энергией 10,2 eV и переходит на второй энергетический уровень, то эта энергия уменьшается и становится равной 3,4 eV. Естественно, что при поглощении фотона электроном их энергии складываются и мы обязаны записать:

Но этот результат противоречит эксперименту, который указывает, что энергия электрона после поглощения фотона не увеличивается, а уменьшается и становится равной 3,4 eV, а не 23,8 eV. Поэтому соотношение (15) надо записать так:

(17)

Чтобы устранить противоречие в формуле (17), было принято соглашение: считать энергию электрона в атоме отрицательной и записывать формулу (17) так:

(18)

Однако с этим трудно согласиться. Дело в том, что электрон в атоме имеет потенциальную и кинетическую составляющие его полной энергии. И если указанное выше соглашение приемлемо для потенциальной энергии, то на кинетическую энергию его никак нельзя распространять. Поэтому следует поискать более убедительное доказательство обоснованности соглашения, отраженного в формуле (18).

Поскольку из нашего анализа следует, что энергии единичных фотонов и единичных электронов - величины векторные, то, оставляя их положительными, уравнение (18) запишется так:

(19)

Схема взаимного расположения энергии фотона (А) и электрона (В) в момент их сложения, соответствующая уравнению (19), показана на рис. 3.

Настала очередь ввести определения различным энергиям, присущим электрону, ибо трудно будет потом понимать его поведение в атоме. Назовем энергию, которая связывает электрон с ядром атома в момент пребывания его на определенном энергетическом уровне, энергией связи электрона с ядром, соответствующей этому уровню.

В силу сказанного энергия связи электрона атома водорода с его ядром, соответствующая первому энергетическому уровню, равна 13,598 eV; второму - 3,39 eV; третьему - 1,51 eV и т.д.

Рис. 3. Схема сложения энергий электрона и фотона в атоме водорода при переходе электрона с первого энергетического уровня на второй

Здесь надо отметить очень важное обстоятельство. Энергия связи электрона с ядром атома водорода, соответствующая первому энергетическому уровню (13,60), равна энергии ионизации атома водорода. Это значит, что если электрон, находясь на первом уровне, поглощает фотон с энергией 13,60 eV, то энергия связи его с ядром станет равной нулю, то есть он теряет связь с ядром.

Из этого следует, что у атома водорода энергия ионизации и энергия связи электрона с ядром, соответствующая первому энергетическому уровню, равны.

Это очень важная особенность и она присуща всем водородоподобным атомам. Напомним, что водородоподобными атомами называют атомы, которые имеют всего один электрон. По существу это ионы, но так уж принято: атом с одним электроном называть водородоподобным.

Из описанного следует закон формирования спектров водородоподобных атомов. Вот его математическое выражение:

(20)

здесь - энергия ионизации атома; для водорода она равна, как мы уже сказали, энергии связи электрона с ядром в момент пребывания его на первом энергетическом уровне; =2,3,4,... - главное квантовое число.

Энергия связи электрона с ядром атома определится по формуле:

(21)

Обратим внимание на то, что энергия связи электрона с ядром атома меняется по закону обратного квадрата . Вы, возможно, помните, что этому же закону подчиняется изменение кулоновской силы при взаимодействии между заряженными частицами и этому же закону подчиняется изменение силы взаимного притяжения (гравитационной) между телами.

А теперь подставим в формулу (20) и и получим теоретические значения F(theor) энергий фотонов, поглощаемых или излучаемых электроном при его энергетических переходах в атоме водорода, которые практически полностью совпадают с экспериментальными F(exp) значениями этих энергий (табл. 1).

Таблица 1.

Спектр атома водорода

До сих пор мы использовали в расчетах энергию электрона в атоме, которая получена в экспериментальной спектроскопии. Но ведь это энергия связи электрона с ядром, она значительно меньше полной энергии электрона. Поскольку энергия связи электрона с ядром атома вычитается из полной энергии электрона , то уравнение (18) может быть записано так:

(22)

Напомним: здесь 13,6 eV - энергия ионизации атома водорода; она соответствует энергии связи электрона с протоном в момент пребывания электрона на первом энергетическом уровне, а 3,4 eV - энергия связи электрона с протоном, соответствующая второму энергетическому уровню электрона; 10,2 eV - энергия поглощенного фотона. Величину в уравнении (22) мы можем убрать, от этого равенство не изменится и оно примет вид формулы (18).

Теперь ясно видно, что энергия электрона в атоме - величина положительная, а уравнение (18) отражает изменение только энергий связи электрона при его энергетических переходах, и минусы перед величинами 13,6 и 3,4 означают не отрицательность энергии, а процесс вычитания энергии, расходуемой на связь электрона с протоном.

Новая информация требует внести коррективы в схему (рис. 3) сложения и вычитания энергий электрона и фотона. Не меняя векторных свойств энергий единичных фотонов и электронов, эта информация показывает, что при поглощении и излучении фотонов электронами векторы их энергий и будут направлены в одну сторону, а векторы энергий связи электрона с ядром будут противоположны им (рис. 4).

Рис. 4. Схема сложения векторов энергий фотона , электрона и энергии связи электрона с ядром атома ,.... в процессах поглощения; I, II, III...-энергетические уровни электрона

Отметим, что выявленная нами дополнительная информация подтверждает векторные свойства постоянной Планка, не меняет сути взаимодействия электрона с ядром атома и не меняет того факта, что электрон не имеет орбитального движения. Это следствие однозначно вытекает из закона формирования спектров.

Посмотрите на математическое выражение закона спектроскопии (20). В нем нет орбитальной составляющей энергии электрона.

Символы и - энергии вращения электрона относительно своей оси симметрии. Если бы у электрона было орбитальное движение (рис. 5), то энергия, соответствующая орбитальному движению электрона, входила бы в математическое выражение закона (20).

Рис. 5. Схема к анализу отсутствия орбитальной составляющей энергии электрона в законе спектроскопии (20)

Общий кинетический момент электрона был бы равен сумме орбитального кинетического момента и кинетического момента вращения электрона относительно своей оси или спина электрона.

Но в формулу (20) входит только спин электрона и нет орбитального кинетического момента , поэтому нет у электрона орбитальной энергии и орбитального движения.

Сразу возникает вопрос: а как же движется электрон относительно ядра атома, если у него нет орбитального движения? Поскольку в законе (20) отражено вращение электрона только относительно своей оси, то электрон с ядром может взаимодействовать только осью вращения. Его можно представить в виде вращающегося волчка, который, опираясь электромагнитной осью вращения о ядро атома, вращается относительно своей оси симметрии.

Тут возникает много вопросов: почему же такой электрон не падает на ядро? Ведь при орбитальном движении от падения на ядро его удерживает центробежная сила инерции, которая равна кулоновской силе притяжения электрона к ядру.

А что в такой схеме взаимодействия электрона с ядром удерживает его от падения на ядро?

Вопросы эти естественные и мы получим на них ответы при анализе структур атомов, а сейчас лишь отметим, что Природа сделала электрон таким, что он имеет электрическое поле, близкое по форме к сферическому, и магнитное поле подобное магнитному полю стержневого магнита. Электрон с ядром атома связывают силы их электрических полей, а ограничивают сближение электрона с ядром атома силы одноименных полюсов их магнитных полей.

Соотношение (20) мы назвали законом формирования спектров атомов и ионов потому, что до выявления этого закона спектры водородоподобных атомов рассчитывались с помощью уравнений Бальмера или Шредингера, а для расчета спектров вторых, считая от ядер атомов, и всех последующих электронов использовались приближенные численные методы [9]. Уравнение же (20) позволяет рассчитывать спектры всех электронов, но при определенных условиях. Рассмотрим их на примере расчета спектра атома лития.

Спектр первого, самого ближнего к ядру электрона этого атома рассчитывается так же, как и спектр электрона атома водорода, то есть по формуле (20). Можно ли рассчитать спектр второго электрона атома лития по той же формуле? Мы назвали эту формулу математическим выражением закона спектроскопии. А раз так, то по ней должны рассчитываться спектры и других электронов.

Обратите внимание на то, что в формуле (20) энергия ионизации второго электрона атома лития не равна энергии его связи с ядром в момент пребывания на первом энергетическом уровне. К тому же, в соответствии с принципом Паули, второй электрон не может занимать первый энергетический уровень.

Для атома лития это действительно так. Однако, неожиданным оказалось то, что существует фиктивная энергия второго электрона, соответствующая первому энергетическому уровню. Стоило только найти ее, как сразу формула (20) дала экспериментальный ряд энергий .

Величина оказалась равной 54, 152 eV. При этом =75,638 eV.

Таблица 2

Спектр второго электрона атома лития

Третий электрон атома бора имеет: и Подставляя эти значения в формулу (20), получим результаты, представленные в табл. 3.

Таблица 3

Спектр третьего электрона атома бора

Не будем останавливаться на анализе других деталей этого расчета, кого этот вопрос интересует подробнее, могут ознакомиться с ним в источниках [18, 26, 33, 53].

Приведем экспериментальный ряд энергий пятого электрона атома Бора и теоретический ряд, полученный с помощью формулы (20):

Таблица 4

Спектр пятого электрона атома бора