Материал: Структура атома

Таким образом, равенство поступательной и вращательной составляющих энергий, а это значит и скоростей спирального движения электрона, во всех случаях проявляется как строгая закономерность.

Далее, представим динамические характеристики такого спирального движения, найденные различными способами.

Таким образом, анализ спирального движения квантовых частиц в свободном пространстве показывает:

. Скорости круговой ― v_c и поступательной ― v_p составляющих спирального движения квантовой частицы межу собой равны, т. е. выполняется соотношение:

v=v_c=v_p                                                          (1)

2. Согласно (1), длина волны спирального движения квантовой частицы равна длине окружности круговой его составляющей, т.е. выполняется соотношение:

λ_c=2πr_c                                                      (2)

. Энергия спирального движения квантовой частицы с массой m представляет собой сумму энергий кругового и поступательного движений и определяется, согласно (1), по соотношению:

E=mv²                                                       (3)

. Соотношение для энергии движения квантовой частицы, исходя из соотношения де Бройля для длины волны λ=h/mv и с учетом того, что v=λ_cγ (где γ ― частота) , равно:

Е=mv² = γh                                                (4)

. Момент количества движения квантовой частицы в пространстве имеет постоянное значение и, согласно соотношениям (2) и (4), равно:

mvr_c=h/2π=ћ.                                           (5)

Следствия.

Если радиус спирального движения r_с по соотношению (5) принять за условный размер частицы, то такой размер зависит скорости движения, а это значит, чем большее скорость, тем меньше размер частицы. Заметим, что вывод о зависимости размера частицы от скорости получен не на основе сложных преобразований Лоренца или по теории относительности Эйнштейна, а на основе установленного простого закона о постоянстве момента количества движения квантовых частиц, равного ћ.

Очевидно, что при спиральном движении электрона в пространстве появляются силы Лоренца ― F_л. Эти силы трансформируют механическую энергию движения электрона, как заряда, состоящую из поступательной и вращательной частей, в магнитную энергию пространства и наоборот [2, c. 220]. Мы вынуждены согласится с утверждением Лоренца о том, что электрон, как квантовая частица, движущаяся прямолинейно и равномерно, полностью переносит с собой свое электромагнитное поле («шубу»). Тогда очевидно, что энергию движения электрона по соотношению (1) можно рассмотреть, как структурную величину, составленную из двух равных частей, а именно кинетической ― Е_k и электромагнитной энергии ― Е_f, согласно соотношению:

                          (6)

При этом выполняется соотношение:

                                          (7)

Таким образом, при спиральном движении электрона налицо динамическое силовое взаимодействие заряда электрона и пространства, которое показывает действие третьего закона ньютона в динамике на квантовом уровне. Заметим, что в отличие от выполнения третьего закона ньютона при силовом взаимодействии между телами по прямому действию, при силовом взаимодействии пространства и тел на квантовом уровне действие не прямое, а идет с «запаздыванием», т.е. ортогональное (например, по правилу буравчика или левой руки), причем взаимодействие происходит в непрерывном режиме.

Ортогональное силовое взаимодействие пространства имеет место как с заряженными квантовыми частицами, так и нейтральными телами, поскольку они состоят из элементарных заряженных квантовых частиц, которые при зарядовой нейтрализации друг друга, прежде, взаимодействуют с пространством.

Такое ортогональное взаимодействие пространства и тел со смещенным временем и создает эффект пустоты пространства, проявляясь только в феноменальных силах инерции. Таким образом, если у тела каким-то образом отобрать (или изменить) электромагнитную шубу, то для его ускорения до любых скоростей нет необходимости тратить силу, т.е. оно потеряет массу, что, кстати, можно осуществить технически, перемещая их мгновенно в любые области пространства и времени.

В атоме движение электрона ограничено длиной орбиты и      образует стационарную стоячую волну, что регламентирует кратность длины стоячей волны ─ λ на орбите к длине волны спирального движения ─ λ_с на целое число - n, которое в работе Галиева [1] и [2] принято как общее квантовое число. Тогда радиус орбиты          выражается соотношением:

r=nr_c.                                                 (8)

Отсюда, в условиях атома имеем равенство, найденное Бором:

mυr=nћ.                                              (9)

При этом для скорости движения ─ υ квантовой частицы в атоме выполняется соотношение:

υ = Z e² / n ћ ,                                             (10)

где е ─ значение заряда.

Найденное соотношение замечательно тем, что оно справедливо как для электрона, так и для протона и показывает, что при одинаковых зарядах взаимодействия заряженных частиц, например массивного протона и электрона в атоме водорода, их скорости движения между собой равны и одинаково зависят только от квантового числа n.

При захвате электрона на орбиту ядра поступательная часть спирального движения электрона тормозиться и он вынужден излучать квант энергии Е_изл, равный величине кинетической энергии поступательного движения Е_к, т.е.:

Е_изл=γ_харh=E_к,                                             (11)

где γ_хар ― частота характеристического излучения; h ― постоянная планка. В итоге электрон в атоме займет стационарное состояние на орбитали с радиусом вращения, равным круговой составляющей спирального движения ― r_c, что рассмотрим позже.

На основе найденных закономерностей волнового движения квантовых частиц рассмотрим далее способы их описания в условиях потенциальных полей. Очевидно, что описание спирального движения на произвольно ориентированной орбите в декартовой системе координат чрезвычайно сложно. В то же время, такое описание легко может быть сделано в Интегральной системе координат потенциальных сфер, например, простой синусоидальной функцией стоячей волны. На рис.4 приведена интегральная система координат, где показана произвольно ориентированная орбита и радиус-вектор r этой орбиты и ее проекция на плоскость круговой координатной линии Х.

При анализе проекций круговой орбите на плоскости круговых координатных линий X,Y и Z впервые установлено, что в интегральной системе координат потенциальных сфер круговые линии орбит дают такие же круговые проекции, а проекции кривых любой конфигурации по форме подобны оригиналу. Удивительно то, что это утверждение справедливо и для традиционной декартовой системы координат, если не проецировать угол поворота линии вместе с ее линейным размером, что ошибочно принято делать в традиционной аналитической геометрии. Это обстоятельство предельно упрощает представление проекций круговых орбит и, как видно из рис. 4, произвольная ориентация орбиты может быть задана только лишь разложением радиус-вектора орбиты r на проекции r_x, r_y и r_z по координатным осям радиус-векторов R_x, R_y и R_z.

Найдено также, что спиральное движение электронов в атоме может описываться в интегральной системе координат функцией стоящей волны от трех зависимых друг от друга аргументов ─ n, r, l_о, следующего вида:

Ψ_(xyz)= A·sin(n/r)l_o,                                              (12)

где l_o- длина полуокружности орбиты, а n ─ целое число (общее квантовое число).

Функция (10) на проекциях орбиты имеет такой же вид, но с соответствующими индексами:

,

,

.

Установлено, что длины радиусы ─ r и длины ─ l_о произвольно ориентированных орбит на данной потенциальной сфере могут быть выражены в интегральной системе координат через соответствующие их проекции r_x, r_y и r_z, а также l_x , l_y, и l_z соотношениями следующего вида:

и .                     (13)

Найдено, что общее квантовое число ─ п выражается через квантовые числа проекций орбиты ─ п_х , п_у и п_z следующим простым равенством:

,                                  (14)

где l - орбитальное квантовое число проекции орбиты, равное .

Примечательно то, что решение уравнения Шредингера для многоэлектронного атома с использованием предложенной волновой функции (12) в интегральной системе координат имеет тривиальный детерминистический характер с получением идентичного выражения для момента количества движения электрона в атоме, как для водородоподобного атома Бора по (9). Это ясно показывает соответствие предложенной функции реальному спиральному движению в сферически поляризованном пространстве.

Однако по предложенному решению уравнения Шредингера еще нельзя найти реальную структурную модель электронной оболочки атома, поскольку такая математическая модель описания спирального движения электрона на орбите предложенной функцией (12) абстрактна и не учитывает все факторы, например, динамику движения тела с реальной массой по спирали, а значит гироскопические эффекты, возникающие при захвате электрона на орбиту ядра атома.

Суть гироскопического эффекта состоит в том, что при вынужденном вращении гироскопа в каком-либо направлении он стремится расположить ось своего вращения таким образом, чтобы она образовывала как можно меньший угол с осью вынужденного вращения, и чтобы оба вращения совершались в одном и том же направлении.

На рис. 5 представлена модель действия гироскопического эффекта на гироскоп, подвешенный на нити. На диск 1, который может вращаться на оси 2 в разных направлениях, через нить 3 сообщают вынужденное вращение. Как показано в поз. А, при совпадении направления вращения диска на нити с направлением вынужденного вращения ось вращения диска свою ориентацию не меняет. А если эти направления вращения не совпадают (поз.), то мы наблюдаем проявление гироскопического эффекта. При этом ось вращения диска 1 поворачивается, последовательно занимая в поз. Б и С, таким образом, чтобы направление вращения и ориентация оси диска совпадали с направлением и ориентацией вынужденного вращения диска на нити.

Учет гироскопических факторов при структурной организации многоэлектронного атома позволит определить граничные условия решения уравнения Шредингера, представленными разрешенными значениями всего набора квантовых чисел.

В связи с этим рассмотрим далее модельные условия существования и принципы структурной организации квантовых частиц в атоме на фоне действия гироскопических факторов.

Атомы в целом (особенно атомы инертных газов) гироскопически нейтральны, т.е. они не имеют гироскопического сопротивления, связанного с изменением ориентации своей оси. В противном случае при переходе на криволинейную траекторию движения они проявляли бы очень большую наведенную инертную массу, связанную с гироскопическим сопротивлением. Это значит, что электроны и протоны в атоме должны образовывать гироскопически нейтральные системы таким образом, чтобы их суммарный момент количества движения в совокупности стремился бы к нулю, что и подтверждают экспериментальные факты. В электронной оболочке атома такую систему можно получить, связав электроны с одинаковой энергией в спиновые пары. Рассмотрим образование таких спиновых пар электронов в атоме более подробно.

Для этого рассмотрим процесс захвата электрона, имеющего определенную скорость спирального движения, на орбиту двухзарядного ядра гелия и выясним, какие могут происходить изменения ориентации электрона-гироскопа при его переходе на орбиту.

На рис. 6 приведена модель перехода двух электронов Э_А и Э_Б в гироскопически нейтральное связанное состояние в атоме. Как видно из рис. 6, ось спирального вращения электрона с радиусом  при его захвате на орбиту с радиусом  перпендикулярна оси орбиты вынужденного вращения. Вследствие гироскопического эффекта электрон меняет свою траекторию движения на орбите таким образом, чтобы направление оси его спирального вращения совпадало с осью орбиты. При этом электрон, находясь в поле заряда ядра, вынужден тормозить скорость своего поступательного движения, т.к. ее вектор направлен от ядра. В итоге электрон займет в атоме фиксированное положение кругового вращения, ось которой совпадает с осью орбиты и в интегральной системе координат конец радиус-вектора этой орбиты R_o точно указывает на центр электрона, координаты которого определяются значениями проекции радиус-вектора орбиты на оси R_x, R_y и R_z. Фиксированное положение кругового вращения электрона в атоме, обретенное вследствие гироскопического эффекта, соответствует по существующей теории состоянию электрона на орбитали, поэтому такое положение электрона будем называть, в соответствии с принятой терминологией, орбиталью.

Очевидно, что при этом излучается квант энергии, равный поступательной оставляющей общей энергии спирального движения электрона. Другая оставшаяся половина общей энергии электрона представляет собой энергию его вращающегося движения на орбитали, равной ― , которая, в свою очередь, равна половине потенциальной энергии электрона, также как и по теории Бора.