Коли реальність відкриває таємниці,
йдуть в тінь і тьмяніють чудеса.
Атомна фізика для "чайників"
У століття квантової механіки писати підручник з класичної фізики мікросвіту - блюзнірство, але історія розвитку науки говорить нам, що саме так відбувся перехід від геоцентричної картини світу Птолемея до геліоцентричної картини світу Коперника.
Слово "квант" вже ціле століття не сходить зі сторінок підручників з атомної фізики. Це пов'язано з тим, що об'єкти мікросвіту настільки малі, що їх не видно навіть у найсильніший оптичний / електронний / тунельний і ін. Мікроскоп. Саме тому в світі атомів і молекул так легко заплутатися, що, власне, і сталося з дослідниками мікросвіту на початку минулого століття.
Головна проблема квантової фізики з'явилася в процесі наступного міркування. Якщо електрон в 1800 разів легше протона, то він повинен бути в багато разів менше протона. Ми звикли до того, що більш легкі об'єкти макросвіту дрібніше важчих. Це так звично і очевидно, що думка про те, що електрон може бути крупніше протона у фізиків не з'явилася. Точніше, вона з'явилася у Дж. Дж. Томсона і Луї де Бройля, але була така незвичайна, що не знайшла належної уваги і розуміння в науковому світі.
У 1928 році Дж. Дж. Томсон навіть прочитав лекцію "За межами електрона". в якій йшлося про те, що якась область "за межами електрона" має розмір атома водню. Фізики так і не здогадалися, що ця область насправді є не "за межами електрона", а самим електроном.
Наша найближча мета, шановний читачу, розібратися, чому легший електрон крупніше тяжчого ядра в десятки тисяч разів?
Для відповіді на це "простий" питання нам доведеться зробити ряд наукових відкриттів, але нехай Вас це не лякає. Як сказав великий Фейнман, "що зумів зрозуміти один дурень, зможе зрозуміти і інший"). На жаль, сам Фейнман не зміг або не захотів зрозуміти класику мікросвіту, про яку йому написав в листі Кеннет знельсонити.
Перше відкриття, яке нам доведеться зробити разом, це відкриття механізму інерції. Знаючи, чому атомне ядро масивніше електрона, тобто має більшу інерцію, у нас з'явиться шанс зрозуміти, чому електрон може бути крупніше атомного ядра.
Багато хто чув про знамениту формулою E = mc ^ 2, але навряд чи хтось знає, який механізм пов'язує енергію і масу (міру інертності). Зробити це відкриття нам допоможе
ланцюжок Герона Олександрійського.
Здається, що по ній біжить колечко, але в дійсності це - хвильової процес. Кільця перевалюються по черзі. При цьому створюється ілюзія руху одного кільця. А тепер уявіть собі, що приблизно так влаштований фотон (частка світла).
Якщо ланцюжок Герона замкнути, то "колечко-хвиля" піде по колу.
Так можна уявити собі електрон. Це - електромагнітний процес замкнутий в кільце, в якому хвиля рухається зі швидкістю світла.
Таку модель електрона в атомі водню запропонував ще Луї де Бройль, але фізики її відкинули з тієї причини, що взаємодія хвильових процесів, замикання їх в кільця можливі тільки при прояві нелінійності середовища. Виявити нелінійність світлоносного ефіру виявилося для фізиків непосильним завданням. Адже частинки звичайного світла не взаємодіють між собою в експериментах.
Однак зі зростанням енергії взаємодія починає проявлятися. Фізики вже виявили взаємодію гамма-квантів з лазерним променем. У процесі цієї взаємодії народжуються електрон-позитронного пари. Але на початку двадцятого століття фізики ще не знали про це і думали, що фотони, точніше гамма-кванти будь-яких енергій не взаємодіють між собою. Але тепер ми з Вами знаємо, що з ростом енергії це взаємодія проявляється. А це означає, що фотон високої енергії можна замкнути в. електрон.
Ви ще не здогадалися, що ми стоїмо на порозі великого відкриття? Відкриття механізму інерції.
Повернемося до звичайної хвилі. Наприклад, хвилі на поверхні води.
Чи є у цих хвиль інерція? Штовхають вони дзеркало при відображенні?
Експерименти показують, що хвилі можуть штовхати зеркло, можуть, навпаки, тягнути, як хвиля по натягнутій мотузці, а можуть і не штовхати, і не тягнути, тобто взагалі не передавати поздовжнього імпульсу.
Однак, експерименти зі світлом показали, що світло має слабку тиск на речовину. Це означає, що фотони переносять імпульс, спрямований в поздовжньому напрямку, а це означає, що хвиля в електроні володіє інерцією. І ця інерція в певних умовах пропорційна енергії хвилі.
Що ж відбувається з інерцією світлової хвилі, коли вона замикається в кільце?
При русі хвилі по колу інерція її руху перетворюється в інерцію спокою. Так і народжується маса. спокою :) Бачите, як легко робити фундаментальні наукові відкриття?
Тепер ми з Вами знаємо, звідки береться маса у електрона. Змінити напрямок руху хвилі можна за допомогою іншої хвилі. При взаємодії двох хвильових процесів ступінь їх зміни обернено пропорційна енергій. Звідси випливає другий закон Ньютона, але. не тільки! Звідси ж випливає і закон збереження імпульсу! Є і ще один приватний закон (збереження проникності), про який фізики ще не знають. Він теж випливає із загального закону Кушелева:
Ступінь зміни взаємодіючих процесів обернено пропорційна їх енергій.
Тепер ми з Вами знаємо, чому елементарні частинки мають інерцією (масивні) і взаємодіють за законами Ньютона. Але для визначення розмірів елементарних частинок цих знань недостатньо.
"Потрібна інформація" (З к / ф "Коротке замикання")
Щоб розібратися, як залежить розмір закільцьованої хвилі від її енергії, доведеться розібратися, як залежить енергія хвилі від довжини хвилі, затиснутою між дзеркалами. Взагалі-то енергія хвилі залежить не тільки від частоти, а й від амплітуди. Але в фотонах (частинках світла), як показав фотоефект, енергія лінійно залежить від частоти. Звідси напрошується висновок про те, що амплітуда електромагнітної хвилі в фотоні незмінна, а обмеження амплітуди хвилі - ознака нелінійності середовища. Але не будемо поки "копати так глибоко". Для чергового фундаментального відкриття нам досить буде знати, що в елементарних частинках амплітуда електромагнітної хвилі обмежена, тому їх енергія (майже) лінійно залежить від частоти. Але в цьому випадку чим більше енергія (і маса!), Тим менше довжина хвилі і розмір елементарної частинки!
Ось ми з Вами і відкрили класичну механіку елементарних частинок.
Енергія елементарної частинки пропорційна частоті при постійній амплітуді електричного поля.
-Дозвольте, але це ж формула Планка!
-Абсолютно вірно! Тільки це вже не формула, а система. Система рівнянь Кушелева.
Тепер ми знаємо, що амплітуда хвилі в елементарних частинках обмежена, а розмір елементарних частинок (принаймні лептонів) обернено пропорційний їх енергії. Але це лише в першому наближенні і тільки для частинок з однаковою геометрією структурообразующего процесу.
З таких частинок можуть утворитися оболонки атомів і молекул.
-А чому кулоновская сила діє на центр кільця? Адже в центрі щось нічого немає ?!
-Не поспішайте з висновками, "електрон так само невичерпний, як атом" (В.І.Ленін). Кільцем позначена лише найжорсткіша складова електрона, тобто закільцований електромагнітний промінь з довжиною хвилі Комптона. Ця складова схожа на обід колеса. Роль спиць виконують натягу Максвелла-Кушелева, тобто по суті напружена структура світлоносного ефіру, що заповнює всю видиму Всесвіт. Збігнева Огжевальскому і Кеннету знельсонити не вдалося розгадати механіку атомних ядер і більш тонку механіку світлоносного ефіру. Далі за всіх в цьому напрямі просунувся Джеймс Клерк Максвелл.
Моя модель кристалоподібні ефіру "Наносвіт" виявилася вдосконаленою моделлю "шестерень Максвелла".
Елементарна комірка шестерні моделі Кушелева
Коливання елементів ефіру (планкіонов) - це і є електромагнітні коливання.
Поширення коливань в середовищі породжує хвилі. В даному випадку електромагнітні.
-А як же через кристалічний ефір продираються планети?
-Планети складаються з елементарних частинок, а ці частки "живуть в ефірі", як звук в звичайному кристалі. Як звук "продирається" через кристал? ;)
-А чому ефір не може бути ідеальною рідиною, як у Максвелла або ідеальним газом, як у Ацюковскій?
-Поперечні хвилі не можуть розповсюджуватися ні в рідинах, ні в газах. Тільки в твердому тілі. А досконалим твердим тілом є кристал.
-А хто сказав, що електромагнітні хвилі можуть бути тільки поперечні?
-Максвелл. А Герц підтвердив це експериментально. Мова йде про далекій зоні випромінювача. У ближній зоні кут між векторами електричного і магнітного поля може істотно відрізнятися від прямого.
-А як бути з квантуванням в мікросвіті?
-А також, як і в макросвіті.
Енергія зв'язку магнітів цілком квантована. Давайте спробуємо пояснити лінійчатих спектри випромінювання / поглинання атомів. Чому при переході електрона з однієї оболонки на іншу виділяється / поглинається цілком конкретна енергія? Чому навіть один атом водню має складний лінійчатий спектр?
Почнемо з того, що спектр окремого атома водню спостерігати важко. Зазвичай спостерігають спектр розрядженого газу. При цьому спостерігаються серії спектральних ліній. Першою була помічена серія Бальмера, який вгадав формулу, по якій можна (іноді дуже точно!) Обчислювати відношення довжин хвиль в серії. Довжини хвиль змінювалися за квадратичним законом.
Довжина хвилі, нм: 656.3, 486.1, 434.1, 410.2, 397.0, 388,9, 383.5. 364.6
З емпіричної формули видно, що мова йде про якийсь резонансний процесі з цілим числом хвиль. Це і наштовхнуло Луї де Бройля зобразити електрон у вигляді стоячої хвилі в атомі водню. Однак, довжина хвилі електрона виявилася набагато меншою. Комптонівська довжина хвилі електрона дорівнює 2.4264. пікометр. Спектральну серію визначає інша хвиля. Стояча сферична хвиля, що виникає навколо атомного ядра. Електрон може перестрибувати з однієї вузлової точки в іншу, як це відбувається з краплями в стоячу акустичну хвилю:
Тут видно шари туману, що розташувався вздовж вузлових поверхонь.
Краплях заважає левитировать гравітація, а електрону - тяжіння а атомного ядра. В експерименті можна спостерігати, як краплі перестрибують з одого рівня на інший. Так само перестрибують і електрони в збудженому атомі. Збуджені атоми оточені сферичним полем стоячих хвиль, причому вузли (сферичні поверхні) знаходяться на рівних відстанях один від одного, а енергія зв'язку електронів змінюється за законом Кулона, тобто по квадратичної залежності. До речі, по ширині і інтенсивності спектральних ліній можна оцінити добротності резонансів збуджених атомів. Цю ж добротність можна оцінити і в інший спосіб. За часом переходу в збудженому стані. Електрон "лівітірует" у вузлі стоячій електромагнітної хвилі до тих пір, поки амплітуда хвилі не знизиться до критичної, після чого електрон перескакує на більш нижній рівень. А амплітуда знижується за рахунок втрат в резонаторі (збудженому атомі).
Ось так просто пояснюються лінійчатих атомні спектри. Ніяких квантових премудростей, чиста класика :)
А тепер розглянемо досвід Штерна-Герлаха, який нібито вказує на помилковість класичної фізики.
Виготовимо магнітну пікотехнологіческую модель атома срібла.
Ізомер атома парасеребра SN-NS притягається до S-полюсу магніту
і відштовхується від N-полюса
Таким чином, ми з вами переконалися, що мікросвіт може бути описаний на рівні наочних моделей класичної фізики.