Причинно-следственное толкование спектра излучения газов

Йохан Керн

На основании иного предположения, чем в своё время сделал Резерфорд [1], строится модель атома, которая по сравнению с моделью Нильса Бора и последующих модификаций этой модели гораздо более соответствует действительности. Показано, что так называемые “спектры атомов” в действительности излучаются собраниями атомов, группирующимися вокруг ионов. Порции излучения (кванты) определяются не строением атома, а пространственной структурой группировок атомов.

Введение

Современное положение в теории атома очень напоминает положение, существовавшее в астрономии до Коперника (1473-1543) и Ньютона (1643-1727). Астрономы могли на многие годы вперёд рассчитать видимое положение планет на небосводе, но не имели простого мотивированого объяснения, почему планеты периодически совершают движение в обратную сторону по небосводу. В то время Земля принималась за центр “мироздания”, вокруг неё по тогдашней теории вращались планеты и Солнце (на фоне “неподвижных” звёзд). В отличие от этой освящённой теологами теории Коперник кощунственно принял за центр “мироздания” Солнце, объявив Землю обычной планетой, подобной другим, наблюдаемым на небосводе. Это позволило принять движение планет направленным всегда в одну и ту же сторону. Петлеобразное (кратковременое движение назад и затем снова вперёд) движение планет оказалось кажущимся. Однако идея Коперника не могла объяснить всё ещё остававшееся загадочным периодическое замедление и ускорение движения планет. Только объяснение Ньютона на основе идеи о всемирном притяжении друг к другу всех тел позволило дать правильное и простое причинное объяснение движению планет. В тогдашней астрономии всё стало иметь причину и следствие. Для объяснения устройства мироздания уже не нужна была идея сверхестественных сил.

Современная модель атома, как и система мироздания по Птолемею (85-165 н.э.) до Коперника, чисто математически тоже чувствует себя весьма благополучно. Учёные всё могут рассчитать. Почти всё. Но ведут они себя как конькобежцы на тонком льду. Все опасные места тщательно обходятся на безопасном расстоянии. Совершенно ясно, что электрон может двигаться в направлении ядра атома с последующим неминуемым столкновением. Эта возможность (не говоря уже о величине вероятности этого события) дипломатически нигде не упоминается. Тепловые волны модель атома Бора может излучать только в “сильно возбуждённом” состоянии. Другими словами, по теории Нильса Бора (1885-1962) газ может излучать тепловые (длинные) волны только тогда, когда одновременно возможно излучение коротковолновое, в том числе световое. Холодный газ постоянно излучает тепловые волны, но никто ещё не видел, чтобы он при этом излучал ещё и свет. И об этом тоже, разумеется, только из чисто дипломатических соображений, не упоминают ни единым словом.

Основные проблемы, для решения которых, собственно говоря, и создавалась квантовая механика, не решены до сих пор. Никто не решается сказать, что идея потенциальной ямы ничего не объясняет, а только создаёт видимость решения. Точно также нет ответа на вопрос, почему модель атома Бора не излучает постоянно энергии. Вместо объяснения приведено математическое словоблудие, ничего общего не имеющее с логикой. При этом договариваются до того, что электрон “не колеблется относительно ядра”, хотя он при этом и образует вокруг него “статистическое облако”. Как такое может быть?! Достаточно обоснованный ответ на это могут дать, очевидно, только теологи.

Конечно, можно отговориться фразой: нет теории, которая всё объясняет. Но главный недостаток этой теории, который не может быть устранён без устранения самой теории, состоит в том, что все процессы в “квантовой механике” проходят без причины (не имеют причинно-следственной связи) в связи с тем, что рассматривается не физическая сущность явления, а якобы соответствующие ему математические уравнения. Поэтому атом излучает, когда ему вздумается. Неизвестно почему и даже неизвестно как. Точно таким же образом частица покидает “потенциальную яму” или попадает в неё. Никто не знает, почему фотон (порция электромагнитной энергии, он же электромагнитная волна), излучаемый атомом, может на протяжении миллиардов(!) световых лет сохранять свою форму, частоту и энергию, в то время как все другие волны, возникающие внутри малого объёма, очень быстро рассеиваются в пространстве, становясь почти неощутимыми уже на небольшом расстоянии от точки возникновения.

Всё происходящее в “квантовой механике” объясняется на основе “квантовых” чисел(!!!) и взятых с потолка “правил” [2]. Ну чем не учебник магии и колдовства?! Волшебник, пользующийся успехом, вскоре будет иметь учеников. Не удивительно, что химики, тоже желающие “научных успехов”, в своих объяснениях симметрии некоторых молекул договорились до “резонанса формул” [3], т.е. до резонанса групп знаков, написанных на бумаге!

Вернуться на почву реальности может помочь только модель атома, в которой все процессы имеют свою причину. Естественно, что эта модель должна прежде всего причинно-следственно объяснить возникновение “спектров атомов”, “успешное” объяснение которых [4] и сбило физиков с тропы детерминизма в лабиринт кабалистики.

Иное толкование результатов экспериментов Резерфорда

На основе своих экспериментов с альфа-частицами в 1911 г. Эрнест Резерфорд (1871-1937) пришёл к выводу [1], что составляющие элементов атома – электроны и ядро, имеют в сумме очень незначительный объём по сравнению с объёмом атома как целого. Пример подобного мы уже имеем в природе – это планетная система со звездой в центре. Здесь огромный объём системы создаётся за счёт движения (лёгких) планет вокруг (тяжёлой) центральной звезды на огромных расстояниях от неё. За счёт кругового движения планет сила притяжения звезды уравновешивается центробежной силой. Поэтому планеты находятся в состоянии динамического равновесия и не падают на звезду. Отрицательно заряженные (лёгкие) электроны также испытывают силу притяжения со стороны (тяжёлого) положительно заряженного ядра.

Напрашивающейся аналогии возможного построения атома мешало единственное: по законам классической физики (до 1900 г.) вращающиеся вокруг некоторого центра электроны должны излучать и, следовательно, терять энергию. По этой причине вращающиеся вокруг ядра электроны должны были бы вскоре упасть на ядро. Резерфорд пришёл к выводу, что разрешить это противоречие может единственное логическое заключение: если электрон не падает на ядро, значит он не излучает энергию при своём вращательном движении вокруг ядра. (Имелось ввиду – в микромире, при малых расстояниях между электроном и ядром).

Однако это был не единственный логичный выход из указанного положения. Разрешения противоречий, стоявших перед Резерфордом, можно было искать и на основании следующего логического вывода: если электрон никогда не сталкивается с ядром, значит существует сила, которая этому препятствует. Более традиционно эта мысль выражается в форме гипотезы (предположения), которая должна звучать так:

Сила притяжения между электроном и ядром атома в непосредственной близости между ними (в микромире) переходит в силу отталкивания.

Предполагается, что сила отталкивания растёт по мере сближения так быстро, что соприкосновение между электроном и ядром в естественных условиях невозможно.

Предложенная модель атома не излучает энергии сама по себе и может выдержать любое сжатие

Сделанное предположение даёт совсем иное, но решение проблемы, стоявшей перед Резерфордом. Атом может занимать огромный объём по сравнению с объёмом, занимаемым его составными частями, но электрон при этом не обязан вращаться вокруг ядра. Но может ли эта модель (которая в этой статье понимается как очень несовершенная, неразвитая) соответствовать действительности?

Сделанное предположение создаёт в микромире новые отношения между различно заряженными элементарными частицами: они отталкиваются друг от друга. Одинаково заряженные частицы, как мы знаем, всегда отталкиваются. Поэтому атом, имеющий много электронов, может существовать без того, чтобы электроны обязательно находились во (вращательном) движении. Одиночный атом, имеющий неподвижные электроны, не излучает энергии. С энергетической точки зрения он устойчив.

Если различно заряженные элементарные частицы в непосредственной близости отталкиваются друг от друга, а одинаково заряженные частицы всегда отталкиваются, то мы приходим к следствию, что все атомы в непосредственной близости отталкиваются друг от друга. (Атомы, образующие молекулы, находятся всё ещё достаточно далеко друг от друга.) Отсюда следует, что все вещества могут выдержать равномерное всестороннее давление любой величины. Нам известно, что это следствие соответствует действительности. Конечно, это следствие всего лишь побочный продукт сделанного предположения, но важно, что оно правильное. Оно может служить дополнительным аргументом в пользу близости к действительности сделанного предположения.

Предложенная модель атома устойчива, но излучает энергию в ответ на любые воздействия

Полученная модель атома не только энергетически стабильна (не излучает энергии сама по себе), но и является колебательной системой. Если электрон немного подтолкнуть, он выйдет из положения равновесия, но при этом возникнет сила, стремящаяся вернуть его в это положение. Поэтому при любом возмущении электрон начнёт колебаться и, в полном соответствии с законами классической физики (до 1900 г.), будет излучать энергию. Вследствие этого возникшие колебания будут затухать и электрон вернётся к состоянию статического равновесия.

То, что электрон при любом, даже очень малом возмущении, излучает энергию, соответствует действительности. Тепловые излучения атомов регистрируются уже при очень низких температурах, когда до световых излучений ещё очень далеко. (По модели атома Бора подобное невозможно, однако говорить об этом, как уже было сказано, не соответствует правилам хорошего тона.)

Предложенная модель атома очень стабильна и в том смысле, что при любом возмущении электрона (кроме столь большого, что оно ведёт к ионизации) атом сам по себе возвращается к состоянию равновесия. Модель проста, положение электрона легко может быть рассчитано.

Упорядоченность в мире хаоса: кристаллы в газе

Так как электрон и протон издали притягивают друг друга, а вблизи отталкиваются, они могут образовать атом с электроном, неподвижным относительно протона. Это однако не означает, что второй протон (или второй электрон) может присоединиться к этому атому и образовать симметричную систему. Нейтральный атом хотя и притягивается свободным протоном, однако сила притяжения при этом несравнимо меньше по сравнению с силой притяжения между электроном и протоном. Кроме того, когда сила притяжения электрона начинает сдавать, сила отталкивания связанного протона растёт всё быстрее. Поэтому положение равновесия второго протона будет гораздо дальше от связанного электрона, чем положение равновесия его собственного протона. (Положение равновесия его собственного протона также меняется при приближении второго протона, однако незначительно).

В поле свободного протона может находиться ещё один нейтральный атом. Также, как и первый, он будет притянут свободным протоном и найдёт вблизи него своё положение равновесия. Однако, так как атомы вблизи отталкиваются друг от друга, то его положение равновесия будет находиться с другой стороны от свободного протона напротив первого атома. Подобное же произойдёт с третьим, четвёртым и дальнейшими атомами, пока вокруг свободного протона не образуется сферический слой из нейтральных атомов, которые все своим электроном “показывают” в сторону свободного протона (рис. 1). Этим, однако, притягивающая способность свободного протона далеко не исчерпана. Таким же образом образуется второй сферический слой из нейтральных атомов, затем третий и т.д..

Рис. 1

Рис. 1 иллюстрирует эту ситуацию. Свободный протон (ион водорода) показан символически в центре в виде небольшого круга, помеченного знаком (+). Нейтральные атомы вокруг него показаны в форме несколько бо́льших кругов. Положение электронов в каждом атоме помеченного знаком (-), а положение связанных протонов знаком (+). Второй, третий и дальнейшие слои нейтральных атомов показаны только частично.

Так как кристалл является олицетворением определённого порядка, а он здесь (на рис. 1) явно имеется, то можно сказать, что вокруг свободного протона образуется своего рода кристалл из нейтральных атомов водорода.

Построение линейчатого спектра

Показанное на рис. 1 скопление атомов вокруг иона будет дальше для краткости называться сави. Проведём, исходя из иона в центре этого скопления, прямую OA. На этой прямой будут находиться атомы, представители каждого сферического слоя, расстояние которых от иона (протона) в центре ступенчато растёт. Пронумеруем атомы, находящиеся на этой прямой соответственно номеру слоя, начиная со внутреннего, цифрами 1, 2, 3 и т.д.. Соответствующими индексами n пометим расстояния rn от центра иона до соответствующего атома на этой прямой (n = 1, 2, 3 и т.д.).

Проделаем теперь мысленный эксперимент. Попробуем придать электрону атома 1 (рис. 1), который расположен наиболее близко к иону в центре сави, толчок в направлении иона. Если этот толчок будет достаточно сильным, то электрон сможет покинуть свой протон и образует с до этого свободным протоном новый нейтральный атом (водорода). Обозначим минимальную энергию, которая для этого понадобилась, знаком E1. Если бы мы сделали то же самое с электроном следующего атома на линии OA, с электроном атома 2, то требующаяся для отрыва электрона энергия была бы несколько больше, чем E1, так как атом 2 находится в области более слабого поля иона и его электрон притягивается ионом с меньшей силой, чем электрон атома 1. Обозначим эту энергию аналогично знаком E2 и отметим: E2 > E1. Повторив то же самое с электроном атома 3, мы из тех же соображений получим, что E3 > E2 и т.д.. Продолжая последовательно эти размышления, мы получим:

E1 < E2 < E3 < ... < En-1 < En < En+1 < ... < Ei (1)

где En тем больше, чем больше n, но все En меньше, чем Ei. Ei здесь - значение энергии ионизации одиночного атома. Для случая водорода Ei = 13,53 eV. Разница между двумя соседними значениями энергии в этом неравенстве становится с ростом n всё меньше и меньше.

Представленные в ряду (1) значения энергий En являются энергиями поглощения. Эти порции энергии нужны электронам, чтобы переместиться к свободному протону. Так как спектр поглощения, как принято считать, идентичен спектру излучения, то можно предположить, что описанный выше ряд энергетических значений (1) аналогичен серии Лимана в спектре излучения водорода:

Em-1 = hcRy(1-1/m2) где m = 2,3,4... (2)

Здесь h – постоянная Планка, c – скорость света, Ry – постоянная Ридберга.

Сравнение полученного спектра со спектром Лимана

Чтобы подтвердить это предположение соответствующим расчётом, необходимо было бы знать зависимость F(r) силы взаимодействия F между электроном и протоном в зависимости от расстояния r между ними, при расстояниях r меньше одного микрона. По принятой выше гипотезе эта зависимость должна выглядеть примерно так, как показано на рис. 2. Сила притяжения сперва растёт (примерно обратно пропорционально квадрату расстояния) по мере уменьшения расстояния, а затем быстро уменьшается до нуля и превращается в силу отталкивания, которая растёт ещё быстрей.

Рис. 2

Энергия, которую электрон получает в поле одиночного протона, можно выразить в соответствии с законом Кулона через интеграл C(1/ro - 1/r), или, что тоже самое, посредством выражения

C1(1 - r0/r) (3).

Нильс Бор в своё время сравнил выражение (3) с выражением (2) для частот серии Лимана, идентичное выражению C2 (1 - 1/n2), и понял, что отсюда можно получить

1/r ~ 1/n2 (4),

где значок (~) обозначает “пропорционально”. Если в последнем выражении текущее значение r заменить на дискретное rn, то из (4) немедленно следует: rn ~ n2. Полученный результат надо было после этого только истолковать. У любого человека r ассоциируется прежде всего с радиусом окружности. Орбита электрона в виде окружности уже была известна из толкования результата своих экспериментов Резерфордом (бывшего научного руководителя Нильса Бора). Бор сделал из произвольной окружности бесконечную серию “разрешённых”. Физического обоснования своего “поступка” он не дал. Это было чисто математическое толкование по принципу: “ведь совпадает с результатом”. Точно также “совпадали с результатом” расчёты астрономов по системе Птолемея – без понимания существа происходящего. (Кто-нибудь скажет: “А чем это плохо? Главное – умели рассчитать!” Разумеется, но, возможно, тогда не возникло бы понятия о силе тяжести. Не появились бы не только аппараты, которые тяжелее воздуха – самолёты и ракеты, но и те, что легче. Да, наверное, и многое другое – не появилось бы.)

Нильс Бор считал, что характерный спектр излучения (водорода) происходит от движений электрона в поле одиночного протона. Поэтому происхождение бесконечной серии частот излучения водорода можно было объяснить только за счёт идеи “сложного устройства” атома. В среде частично ионизированного газа (водорода) гораздо более естественно ожидать движение электрона от одного протона к другому. Это позволяет отказаться от идеи сложного устройства атома (атом водорода состоит только из двух элементарных, т.е. простых частиц!) Сложный спектр может получаться за счёт относительно сложного (по сравнению с атомом) устройства сави. Нейтральный атом из одного из слоёв сави “теряет” свой электрон, его принимает ион (свободный протон) в центре сави. Так как слои нейтральных атомов находятся на различном, ступенчато изменяющемся расстоянии от иона в центре сави, то ступенчато меняется и необходимая для ионизации обмена (отрыва электрона от своего протона в поле другого протона) энергия. Этими расстояниями определяется порционирование энергии поглощения. Чисто схематически электрон всегда движется между двумя протонами (рис. 3), от положения равновесия вблизи одного протона к положению равновесия вблизи другого. То есть математически мы будем иметь дело с наложением двух поворотно симметричных функций, силовым воздействием двух протонов на один электрон. Силовое поле, в котором при этом движется электрон, схематически показано на рис. 4. Вблизи своего протона в точке 1 электрон получает импульс (порцию энергии). В идеальном случае его хватает как раз на то, чтобы достигнуть точку ri посредине между двумя протонами, где силовое воздействие равно нулю. В этой точке, израсходовав всю энергию, скорость электрона тоже становится (практически) равной нулю. Дальше электрон движется в симметрично равном силовом поле к другому протону и, достигнув положения равновесия (точка 2), имеет ту же самую энергию и тот же самый импульс, который имел по выходе из точки 1. Так как электрон в точке 2 имеет некоторый импульс, т.е. скорость, то он в точке 2 не сможет остановиться и проскочит её. Начиная с точки 2 на электрон будет действовать отталкивающая сила, поэтому он будет вскоре остановлен и отброшен обратно. После того, как он снова минует положение равновесия, он будет снова притягиваться в сторону точки 2 и т.д. При этом колебательном движении электрон будет излучать энергию. После определённого числа колебаний, излучив всю полученную энергию, электрон займёт положение равновесия в точке 2. Таким образом, расстоянием между двумя протонами, обменивающимися электроном, порционируется не только энергия поглощения, но и излучения.

Рис. 3

Этим показана возможная физическая основа возникновения спектров поглощения и излучения. Кроме того, следует ещё показать, в соответствии с какими зависимостями должны изменяться кривые на рис. 2 и 4, чтобы получить соответствие полученной последовательности значений энергии (1) серии Лимана. Если в сави расстояние между слоями нейтральных атомов всегда одно и то же, тогда изменение функции S(n), представляющей последовательность площадей Si на рис. 4, будет пропорционально изменению интеграла от функции 1/r3, взятому в пределах от r0 до rn.

Рис. 4

Вместо выражения (3), применённого Бором, следует взять выражение для площади Si на рис. 4:

Sn = C3(1 - r02/rn2) (5)

Тогда сравненивая (5) с (2), можно получить результат rn2 ~ n2, или, что то же самое:

r ~ n (6)

Этот результат соответствует строению сави по рис. 1. И здесь тоже r будет означать радиус, но не орбиты электрона, а сферического слоя сави. Следовательно, можно получить полное соответствие со спектральными частотами серии Лимана без утверждения, что атомы похожи на миниатюрные планетные системы. Природа не повторяет сама себя.

Возможно, что расстояние между сферическими слоями нейтральных атомов сави в действительности не остаётся постоянным, что оно постепенно растёт по мере увеличения номера слоя. Тогда выражение для площади Si (рис. 4) будет более сложным. Естественно, что сави не может иметь бесконечное число сферических слоёв. Несколько десятков слоёв являются уже более, чем достаточными, чтобы получить необходимый спектр.

Заключение

В предлагаемой статье представлено физическое и причинно-следственное объяснение возникновения линейчатых спектров излучения газа. Только после того, как оно было найдено, было показано, что оно и с математической стороны может быть вполне корректным. Недетерминированные объяснения очень быстро превращают любую науку в шарлатанство. Чисто математические объяснения, без попытки понять физическую сущность явления, тендируют превратиться в подгонку под известный результат. Уже при вычислении видимого положения планет математики практически доказали, что они могут моделировать любое периодическое движение, не понимая его физического смысла. Позже это было доказано и теоретически с помощью очень красивой теоремы (Фурье). Математические исследования в физике, если не считать чисто прикладных задач, очень часто ведут к ложным высказываниям. Математика может приспособиться к любому непониманию физического процесса и рассказывать нам удивительные сказки об ещё недостаточно понятых нами явлениях. Так возникают вселенные внутри просяного зёрнышка, или бабочку в Туркмении делают виновной за возникший в Америке ураган.

Можно понять, что доказательство возможности объяснить возникновение линейчатых спектров излучения на причинно-следственной основе не потрясёт огромное блистающее здание квантовой физики. Поэтому очень важно, что новая, ещё очень несовершенная модель атома уже кое-что может, чего квантовая физика всё ещё не может. Имеется ввиду вышеупомянутая способность излучать длинноволновую энергию при низкой температуре. Новая модель атома может быть сжата и станет при этом меньше размером, что вполне естественно. Модель же атома Бора имеет вполне определённый наименьший радиус орбиты электрона, который не может стать ещё меньше. (Между прочим, для модели атома водорода этот радиус соответствует радиусу атома водорода при нормальных атмосферных условиях на Земле (!). Этим похваляются, хотя это явно доказывает, что квантовая физика ещё раз объявила Землю “центром вселенной”!)

Новая модель более близка к действительности. Она может находиться в реальном газе. (Разумеется, нахождение сави с тысячей, миллионом или миллиардом сферических слоёв нейтральных атомов в реальном газе при нормальных атмосферных условиях невероятно. Но сави и не рассчитано на эти условия. Существование сави означает возможность излучения линейчатого спектра, а его излучают только очень разрежённые газы. В них существование сави становится очень вероятным. Но и при этом не предполагается, что сави имеет очень большое количество слоёв нейтральных атомов.) Модель же атома Бора может, очевидно, находиться только в пустом пространстве. Иначе невозможно поверить, что электрон “возбужденного” атома водорода с основным квантовым числом n = 109 всё ещё чинно вращается вокруг своего протона. При радиусе орбиты около 1 км! Соответствующее сави с таким же невероятно огромным числом сферических слоёв нейтральных атомов всё ещё имело бы размер менее одного микрометра. (Здесь сравнивается с моделью атома Бора сави, которое не атом, а скопление атомов, по той причине, что оно, как и модель атома Бора, должно быть способно излучать любую линию спектра излучения. Сама же модель предложенного атома всегда имеет размеры, не превышающие наше представление о размерах атомов при номальных атмосферных условиях.)

Важно не то, что найден ещё один способ построить бесконечный ряд частот излучения газа с помощью более реальной модели атома, а то, что этот способ обходится без мистических “квантовых чисел”. Важно не то, что представленная модель позволяет предположить, что “квантование” излучения вызвано не столько внутренним устройством атома, сколько организацией вещества, а то, что излучение порций энергии, а также величина этой порции, всегда имеет реальную причину.

Новая идея не должна тотчас всё объяснять лучше. Не соответствует действительности мысль, что если гипотеза противоречит хотя бы одному факту, то она тогда (совершенно) неправильна. Идея Коперника позволяла вычислять видимое положение планет с гораздо меньшей точностью, чем хорошо развитая система Птолемея, потому что и Коперник полагал, как все другие, что орбитой планеты может быть только окружность. (Это не было наивностью. Никто в его время не имел разумного повода предполагать иное. Чтобы предположить орбитой планеты эллипс, надо было ответить не только на вопрос: “Почему эллипс?”, но и предложить определённый эксцентриситет эллипса. На всё это стало возможным дать ответ только после соответствующего развития физики, после открытий Галилея (1564-1642) и Ньютона). Хотя его модель чисто математически была менее точной, с точки зрения физики она была несравнимо ближе к действительности. Модель атома Бора, на основе которой возникла квантовая физика, в течение 12 лет вообще ничего не могла объяснить, кроме самих спектров. Предлагаемая модель атома в этом смысле уже сейчас намного лучше. Объяснять то, что квантовая физика объяснить не может, должно быть и дальше единственным способом самоутверждения новой модели атома (в последующих статьях).

Список
литературы

1. A. Hermann, Lexikon Geschichte der Physik, Aulis Verlag Deubner & Co. KG, Köln 1987

2. H. Vogel, Gerthsen Physik, Springer, Berlin Heidelberg 1995

3. Hammond, Osteryoung, Crawford, Gray. Modellvorstellungen in der Chemie, Walter de Gruyter, Berlin-New York 1976

4. N. Bohr, On the constitution of atoms and molecules, Philisophical Magazine, Vol. 26, 1913, S.1-25.