От атома до ядра
Считается, что химические свойства атомов, характер движения и размещения в них электронов никак не связаны со строением атомных ядер. А между тем многое говорит о наличии такой связи, которая, противореча квантовой физике, замалчивается. Лишь классическая модель атома вскрывает эту связь. Речь, конечно, не о планетарной модели атома Резерфорда, заведшей в тупик, а о куда менее известной классической магнитной модели атома, предложенной Вальтером Ритцем в 1908 г. [1]. Согласно Ритцу именно пространственная структура ядра является тем программным центром, который управляет жизнью атома и поведением в нём электронов, подобно тому как жизнь биологической клетки задана строением клеточного ядра и ДНК. В магнитной модели ядро управляет полётом электронов посредством магнитных, а не электрических сил. Это естественно: в природе и технике круговое движение электронов создаёт именно магнитная сила и лишь она объясняет стабильность атома.
Будь движение электронов, как в планетарной модели, вызвано силой Кулона, они неслись бы по орбитам со скоростями порядка скорости света C и мигом бы (за 10-10 с) падали на ядро, растратив энергию на излучение. Магнитные силы меньше электрических и позволяют электронам кружиться гораздо медленней и медленней терять энергию. В магнитной модели энергия электрона на орбите MV2/2=hf, где h - постоянная Планка, а f - частота обращения электрона [1, 2]. Сократив на MV/2, найдём V=2hf/MV=h/рMr, где r - радиус орбиты электрона. Если r порядка радиуса атома (10-10 м), то V=2300 км/с. Эта скорость, обычная для электронов в лучевых трубках и лампах, на два порядка меньше C. Тогда ускорение V2/r меньше уже на четыре порядка, радиационное торможение мало, и атом живёт долго.
Ядро такого атома мы изображали в виде двух цепочек [1] из чередующихся электронов и позитронов (так и основа клеточного ядра - двойная цепочка ДНК из чередующихся нуклеотидов). Однако считают, что электроны и позитроны при контакте исчезают - аннигилируют с выделением энергии. Ведь после не находят ни электронов, ни позитронов. Здесь снова игнорируют аналогию химии и ядерной физики. Взять, к примеру, взрыв бомбы: горючее и окислитель соединяются, резко выделяя энергию. После взрыва не видно ни горючего, ни окислителя. Но разве они исчезли, обратившись в энергию? Атомы окислителя лишь соединились с атомами горючего, образовав невидимый газ, расширившийся взрывом. Так и при контакте позитрона с электроном частицы не исчезают, а, слившись в пару не имеющую заряда, перестают регистрироваться приборами [3]. Из таких сочетаний электронов и позитронов образованы протон, нейтрон и другие «элементарные» частицы. Кстати, по квантовой механике электрон и позитрон могли б образовать позитроний, аналогичный атому водорода. Но на деле позитроний, в отличие от атомов, нестабилен: кружащиеся частицы сливаются за 10-10 с, растратив энергию, чем доказывают порочность планетарной модели (даже квантовой). Ведь позитрон, играя роль ядра, не имеет его структуры и сложного магнитного поля.
Рассмотрим ядро атома водорода. С одной стороны, это крестовина из двух цепочек электронов и позитронов, а с другой - протон, который мы конструировали из электронов и позитронов, уложенных плоскими слоями в форме куба, вроде кристалла поваренной соли, тоже сложенного из чередующихся заряженных частиц [4]. Поэтому логичней и ядро водорода представить в виде куба или параллелепипеда, скажем, в виде двойного квадратного слоя частиц (рис. 1). Раз протон имеет вес 1836 электронов, то его можно приближённо представить как параллелепипед размерами 2х30х30 частиц, или, для точности, 2х27х34=1836.
В каждом из слоёв магнитные моменты частиц ориентируются вдоль диагонали слоя, минимизируя энергию взаимодействия. В верхнем и нижнем слое моменты направлены противоположно (рис. 2.а), образуя структуру магнитного поля как у крестовины [1]. В этом легко убедиться, представив систему набором магнитных диполей: в эквивалентной схеме (рис. 1, 2) только края квадратов создают магнитные поля (они перпендикулярны плоскости слоя и смотрят вверх и вниз). Электроны и позитроны расположены в шахматном порядке. В атоме водорода электрон прилипает к этой «магнитной шахматной доске», располагаясь точно над позитронами, а при малых колебаниях в магнитном поле ядра излучает свет. Как в крестовом атоме, частота f колебаний и излучения электрона принимает дискретный ряд значений f=RC (1/n2-1/m2), где n и m - целые координаты узла, в котором сидит электрон (рис. 1).
Можно представить протон и в виде однослойного квадрата частиц. Складываясь вдоль диагонали пополам, он образует двойной треугольный слой со структурой поля крестовины и тем же спектром частот. Этот парный треугольник может быть и прямоугольным и равносторонним, тоже дающим водородный спектр (рис. 2). Кроме водородного модель позволяет рассчитать и другие атомы. Рассмотрим атом с номером Z - содержащим Z протонов. Квадраты протонов могут, как в сэндвиче, склеиться слоями, если над позитронами одного слоя окажутся электроны другого. Их притяжение и даёт те ядерные силы, что противостоят отталкиванию протонов и быстро (по экспоненте) спадают с удалением [3]. Когда такая «стопка» протонов сложится вдоль диагонали пополам, получится слоёный уголок. В его верхней и нижней части магнитные моменты смотрят в разные стороны вдоль линии сгиба (рис. 3).
Здесь магнитный момент единицы длины a окажется уже не м, а мZ2: он найдётся как сумма магнитных моментов отдельных магнитных диполей, образующих арифметическую прогрессию 1м+ 3м+ 5м+ … +(2Z-1)м=мZ2. Соответственно магнитное поле и частота колебаний в нём электрона вырастет пропорционально Z2: f=RZ2C (1/n2-1/m2). И точно, у водородоподобных атомов He+, Li2+, Be3+, B4+, C5+, лишённых всех электронов кроме одного, спектры описываются этой формулой, дающей спектр водорода с увеличенным в Z2 раз масштабом. Других электронов быть не должно, поскольку своим полем они б исказили движение электрона, генерирующего спектр. Но у атомов с большим Z магнитное поле столь велико, что вносимые электронами искажения оказываются незначительны. Поэтому для спектра излучения электронов, крутящихся в столь сильных полях с огромной частотой и генерирующих рентгеновское излучение, справедлив закон Мозли f=R (Z-b)2C (1/n2-1/m2), отличающийся от найденного лишь малой поправкой b, вызванной влиянием остальных электронов [5].
Как же расположены все эти электроны в атоме? Оказывается, строение и заполнение электронных слоёв определяется строением ядра - не одним его зарядом, как в квантовой физике, а именно структурой. Она же задаёт периодичность свойств элементов. Напомним, что числа элементов в периодах таблицы Менделеева образуют следующий ряд: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Это удвоенные квадраты целых чисел: 2=2·12, 8=2·22, 18=2·32, 32=2·42. Ещё до теории атома Бора многие учёные - Томсон, Льюис, Ленгмюр - поняли, что периоды связаны с последовательным заполнением электронами неких слоёв, уровней, оболочек в атоме [5]: в первом слое 2 места, во втором - 8 и т.д. Когда электроны полностью займут один слой, уровень, начинает заполняться следующий, открывая новый период. В конце периодов, у инертных газов, слои заполнены целиком и крепко связывают электроны, отсюда инертность.
Но по квантовой механике ёмкости оболочек для периодов с 1-го по 7-й иные: 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98, что не соответствует числу элементов в периодах. Поэтому даже к концу периода оболочки остаются не заполнены, утрачивая свой смысл, ибо заполняются непоследовательно. Да и сама идея оболочек, способа их заполнения выглядит в квантовой механике весьма натянуто. Поэтому обратимся к забытым идеям Джильберта Льюиса. Как и Ритц, он считал причиной атомных спектров способность электрона занимать в атоме различные равновесные положения со своими частотами колебаний, а оболочки и число электронов в них связывал с наличием у атома определённой пространственной структуры - некоего правильного геометрического объёма, послойно заполняемого электронами, занимающими при переходе к новым периодам новые уровни [5]. Ядро и задаёт эту пространственную структуру. Осталось найти тело, дающее нужную конфигурацию слоёв и числа электронов в них.
Легко видеть, что этим телом должна быть бипирамида - две четырёхгранных пирамиды, вроде пирамид Хеопса, соединённых вершинами (рис. 4). Эти пирамиды послойно от вершины заполняются электронами, как блоками реальных пирамид. Уже то, что числа электронов в слоях - это удвоенные квадраты чисел 1, 2, 3, 4, должно говорить о том, что и слои имеют форму постепенно растущих квадратов - последовательных сечений пирамиды. Ну а то, что слои дублируются, означает, что пирамид этих две. Они имеют общую вершину - слой с числом мест равным 2, потому он и не дублируется. Интересно, что к подобной бипирамидальной форме ядра пришёл и В. Мантуров, но уже из соображений ядерной физики [3].
Электроны в слоях должны, во избежание отталкивания, перемежаться расположенными в шахматном порядке позитронами - теми самыми, которые, будучи в протонах избыточными, придают положительный заряд ядру. Тогда в каждом слое будет поровну электронов и позитронов, а всего частиц: 2k2+2k2=(2k)2. Итак, любой слой - это квадрат со стороной в 2k частиц. В крайних слоях, как на шахматной доске, 64 места: 32 чёрных клетки - для электронов и 32 белых - для позитронов (рис. 5). Слои уложены один над другим так, что над позитронами лежат электроны и наоборот (рис. 6): чередование зарядов как в ионных кристаллах той же соли NaCl. Легко понять, как задаётся эта структура слоёв. Ядро атома должно представлять собой два пирамидальных раструба, вроде рупорных антенн, соединённых вместе. В этих рупорах, как в кульках, и уложены слоями электроны вперемежку с позитронами.
В месте соединения рупоры имеют сквозное отверстие, по типу песочных часов. Через него, как песчинки, проходят электроны (рис. 4). Там же расположен общий для пирамидок слой из двух позитронов и двух электронов. Раструбы и будут ядром - той структурой, что задаёт все свойства атома. Стенки раструбов (грани пирамид) образованы всё тем же строительным ядерным материалом - позитронами и электронами - и представляют собой протоны и нейтроны, имеющие вид плоских слоёв и правильную форму (рис. 7). А протоны в форме прямых уголков могут входить в ядро в качестве перегородок, делящих пирамидальные полости пополам. В узлах на гранях пирамид и размещаются электроны, генерирующие спектр. Энергия возбуждения атомов идёт на придание электрону колебаний и на вырывание его из слоя. Может удивить, как возникают столь сложные и правильные формы ядер. Но здесь не больше странного, чем в идеально правильной форме снежинок, в точном подобии и симметрии кристаллов - причина в упорядоченном выстраивании частиц. Ещё Ритц говорил, что нельзя понять атомные законы, иначе как допустив у атома и ядра сложную пространственную структуру, напоминающую, пожалуй, структуру сложных органических молекул.
Бипирамидальная модель ядра объясняет связь MV2/2=hf скорости V и частоты f обращения электрона в атоме. Магнитный момент, как нашли, проявляется лишь на краях, рёбрах структур. Поэтому рёбра бипирамиды аналогичны магнитным стержням, и при ориентации как на рис. 8, их магнитное поле в плоскости орбиты с центром в вершине O пирамид будет перпендикулярно плоскости и равно B=м0м/рar2. На электрон, летящий по орбите радиуса r с центром O, действует сила Лоренца F=eVB=e2fм0м/ar (с учётом значений B и V=2рrf), направленная в O и равная MV2/r. Откуда MV2/2=feм0м/a, где eм0м/a=h [1]. Именно эти электроны, запертые в магнитной ловушке атома, вылетают из него при облучении светом частоты f. Это объясняет фотоэффект, эффект Комптона [2] и планковский закон излучения [6]. Итак, в атоме три типа электронов: одни сидят на гранях ядра и генерируют спектр, другие уложены слоями в раструбах ядра, задавая химические свойства, а третьи, как на катушку, наматывают на ядро витки орбиты. Электроны легко переходят между этими тремя состояниями.
Даёт модель и такие свойства, которые не объяснила даже квантовая теория. Рассмотрим заполнение слоёв и связанные с этим физико-химические свойства. В первом периоде всё просто: в атоме водорода электрон занимает в слое №1 одно из двух мест и потому атом может отдать электрон, либо принять на вакантное место чужой, проявляя валентности +I и - I. Гелий, в котором весь слой заполнен двумя электронами, не может ни отдать их, ни поглотить новые. То же во 2-м и 3-м периоде: электроны заполняют второй и третий слой, имеющие по 8 мест, а атомы проявляют соответствующие числу электронов в слое валентности.
В последующих - 4-м и 5-м периодах важен уже порядок заполнения слоя. Сперва электроны заполняют слой по периметру, где они удерживаются крепче. Таких крайних мест всего 10, соответственно и элементов этого типа в периодах по 10 - с калия по никель и с рубидия по палладий. Когда периметр заполнен, прочно связанные в нём электроны уже не способны отрываться (рис. 9). Поэтому с началом заполнения середины слоя отсчёт групп и валентностей начинается заново, подобно тому как это происходит во 2-м и 3-м периодах.
В 6-м и 7-м периодах возникают группы лантаноидов (La-Lu) и актиноидов (Ac-Lr), содержащие по 15 химически подобных элементов с валентностью +III, разом помещаемых в IIIБ группу своего периода [7]. Такое число элементов есть следствие того, что электроны из периметра слоя крепко связаны и мало влияют на свойства атома. А потому элементы, у которых идёт заполнение 14-ти мест этого периметра химически подобны. После того, как периметр заполнен, дальнейшее заполнение слоя идёт так же, как у слоёв 4-го и 5-го периодов.
В лице лантаноидов и актиноидов квантовая физика имеет массу нерешённых проблем. Так, известно, что элементы эти способны проявлять помимо валентности +III и другие, совершенно необъяснимые. А с позиций пирамидальной модели они естественны: электроны периметра, хоть и с трудом, всё же могут отрываться, тогда атом проявляет соответствующие степени окисления. Кроме того, если полость каждой пирамиды разделена перегородкой пополам (рис. 7), и периметр заполняется сперва в одной полости, а затем в другой, то электроны периметра можно разбить на две равных группы по 7 электронов в каждой. Соответственно элементы образуют две группы, расположенные одна под другой в таблице Менделеева (рис. 9). Именно такую форму придал некогда таблице Менделеева его друг - чешский химик Браунер [7]. Его таблица сразу объясняет, как элементы Ce и Tb могут иметь валентность (+IV), а Eu и Yb - валентность (+II): они просто попадают в 4-ю и 2-ю группы. Элементы же La, Gd и Lu, стоящие в третьей группе, проявляют всегда только валентность +III.