Геннадий Ф. Коновалов Введение
Общепринятыми являются традиционные представления о четырех состояниях вещества: твердое, жидкое, газообразное, плазма. Кроме того, для объяснения многих физических явлений используются понятия: вещество и поле, которые, применительно к явлениям в микромире, рассматриваются еще как частицы и волны. Во многих случаях это объясняет экспериментальные факты, но одновременно создает определенные затруднения с объяснением других экспериментальных фактов, например “аномальных” свойств воды и специфических особенностей монокристаллического кремния, используемого в микроэлектронике.
Предположим, что для явлений в микромире возможно иное состояние материи, которое можно определить как единое состояние вещества и поля или, SF-состояние (“Stoff — Feld” или “Вещество-Поле”). Наряду с квазичастицами, можно также предположить о существовании локализованных квазиполей, и соответственно локализованных квазичастиц-полей, или нуклонных “веполей” (ВЕщество-ПОле).Если применять SF-состояние материи для микромира, в частности для нуклонов атомов, то снимается целый ряд ограничений для нуклонов атомов, а именно – число нуклонов в атомах может быть не целочисленным, а дробным. То есть, число протонов и нейтронов в ядрах атомов для нуклонного “веполя” может быть дробным. Тогда, нуклонный “веполь”, который состоит из дробного числа протонов и нейтронов, может обладать другими топологическими и физическими свойствами:
“веполь” может иметь неевклидовую кривизну, как с положительным, так и с отрицательным значением, а также переменную топологию;
“веполь” может быть локально рассредоточенным, не являясь единым физическим и геометрическим целым;
“веполь” может одновременно находиться в физическом пространстве с вероятностью p > 1, из-за своей локально рассредоточенной топологической структуры;
“веполь” может иметь топологический дефект нуклонной массы.
Топологический дефект нуклонной массы определяется наличием нецелочисленного (дробного) числа протонов и нейтронов в ядре атома и рассчитывается по справочным данным для каждого химического элемента периодической системы Менделеева, исходя из Р — числа протонов, N- числа нейтронов, А — атомной массы элемента, и масс нуклонов. Дополнительно были приняты предположения о том, что основная атомная масса элементов сосредоточена в нуклонах, и при изменении фазовых состояний элементов не происходит радиоактивных превращений.
По принятой методологии были рассчитаны топологические дефекты нуклонной массы для всех элементов периодической системы Менделеева. Оказалось, что элементы периодической системы Менделеева разделены на две группы: первая группа – с отрицательным топологическим дефектом нуклонной массы, и вторая группа – с положительным топологическим дефектом нуклонной массы.
Важным обстоятельством является тот факт, что вся группа элементов с отрицательным топологическим дефектом нуклонной массы находится в интервале от Z=1 до Z=20, т.е. от водорода до кальция. Возможно, что это обусловлено расположением электронных уровней в указанных элементах, а также с гибридизацией внутренних электронов с нуклонными “веполями”. Кроме того, в диапазоне от Z=1 до Z=20 расположены химические элементы, которые являются главными компонентами животных и растительных организмов.
В группе с отрицательным значением топологического дефекта нуклонной массы находятся водород, кислород и кремний, а также другие элементы.
Теперь воспользуемся нашим предположениями, расчетами и попытаемся объяснить свойства “аномальной” воды. Объяснение “аномальных” свойств воды
Современное состояние научных представлений о строении веществ, находящихся в жидкой фазе, не всегда дает понятные представления об их структуре и свойствах, в том числе о свойствах воды – важнейшего химического соединения на Земле, которое участвует в биохимических реакциях во всем животном и растительном мире.
Не менее интересным является отсутствие объяснений поразительных свойств монокристаллического кремния – одного из самых распространенных химических элементов, который широко применяется в микроэлектронике.
Несмотря на различия фазовых состояний воды, и монокристаллического кремния, находящихся при нормальных условиях, их объединяет подобие топологических свойств, которые определяют возможности воды и монокристаллического кремния для сохранения и переработки интегрированной информации.
Известна периодическая зависимость гидридов элементов VI группы (подгруппа кислорода) периодической системы Д. И. Менделеева: кислорода, серы, селена, теллура и полония от их температур плавления и кипения, которая представляет воду “аномальной” жидкостью только потому, что на линейном графике в двумерном поле температур, точки температур плавления и кипения для H2O не расположены в начале линейных графиков температур плавления и кипения гидридов элементов, хотя химический элемент кислород находится в начале VI группы периодической системы. Это кажущееся противоречие было основанием для того, чтобы считать воду “аномальной” жидкостью. Считалось очевидным предположение о том, что линейное расположение гидридов химических элементов в YI группе периодической системы: кислород, сера, селен, теллур и полоний должно быть таким же линейным в двумерном поле температур плавления и кипения данных гидридов элементов, и температуры плавления и кипения воды должны были бы быть началом соответствующих линейных графиков температур плавления и кипения для гидридов элементов VI группы, вне зависимости химического соединения от фазового состояния.
Однако не учитывались обстоятельства, что в области рассматриваемых фазовых переходов, гидриды элементов YI группы находятся в различных фазовых состояниях: H2O – стабильная жидкость, H2S – газ, H2Se — газ, H2Te — газ, H2Po – нестабильная жидкость.
Такой подход имеет существенную методологическую ошибку – применение необоснованной тождественности для понятий: “формула” и “структура”. Использование понятия “формула” для представления “структуры” молекулы того или иного химического соединения неправомерно и ошибочно. “Формула” воды H2O представляет модель молекулы в газовой фазе, но эта “формула” воды не может быть применена для представления “структуры” воды, находящейся в жидкой фазе, поскольку воду в жидком состоянии можно определить как полимер.
Подобные методологические упрощения, в частности, необоснованная тождественность понятий “формула” и “структура”, применяемые при рассмотрении свойств химических элементов, а также абстрактные научные понятия: атом, молекула, формула и структура химического элемента и их производные понятия, не всегда позволяют объяснить отдельные закономерности и свойства химических элементов и их соединений.
С другой стороны, такой метафизический подход, как определенный уровень формирования абстрактного понятийного аппарата, широко применяется в химии, физике, биохимии и биофизике. Данный метафизический подход, как одна из многочисленных парадигм XIX века, сыграл важную методологическую роль в развитии всех естественных наук.
Однако, в рамках данной метафизической парадигмы, невозможно объяснить, например, “аномальную” воду.
Рассмотрим известные экспериментальные данные, приведенные в таблице 1.
Таблица 1. Температуры кипения и плавления гидридов элементов VI группы № п/п Химическое соединение и фазовое состояние Т кипения, К Т плавления, К D =Т кип. – Т плав. 1 H2S газ 213 187 26 2 H2Se газ 231* 208 23 * 3 H2Te газ 271 224 47 4
H2Po нестабильная
жидкость 308 237 71 5
[H24O24]n ** стабильная
жидкость 373 273 100
*) Расхождение величины D для H2Se, по мнению автора, связано с возможными ошибками при определении Т кип. для H2Se, что будет обсуждено ниже.
**) Предположение автора — описывать структуру воды в виде [H24O24]n — как жидкого полимера,
Периодическая зависимость температур кипения гидридов элементов VI группы от топологических параметров t
В таблице 2 приведены исходные данные для корреляции между температурами кипения и топологическими параметрами t для гидридов элементов VI группы, а также вычисленные расчетные температуры кипения гидридов VI группы по полученной эмпирической зависимости температур кипения от топологических параметров t для гидридов VI группы. Топологический параметр для каждого гидрида YI группы рассчитывался как функция от молекулярного веса и топологического дефекта нуклонной массы гидрида элемента.
По экспериментальным данным из таблицы 2 для температур кипения гидридов элементов VI группы, и по известному математическому методу, были рассчитаны коэффициенты корреляции для установления формулы эмпирической зависимости Tкип от топологических параметров t. Эмпирическая зависимость между Tкип и топологическими параметрами t для гидридов элементов VI группы описывается гиперболической функцией:
Tкип = a * Bt, ( 1 )
где a = 91,3206 и B = 1,12237.
Таблица 2. Корреляция Ткипения гидридов элементов VI группы с топологическими параметрами t № п/п Гидрид элемента Топологический параметр t
Т1, К
экспериментальная
T2, К
расчетная D i, % 1 H2S 7,0492 213 197,2 +7,42 2 H2Se 8,780 231 245,1 * — 6,1 3 H2Te 9,7208 271 275,9 — 1,81 4 H2Po 10,7049 308 312,2 — 1,36 5 [H24O24 ]n 12,0151 373 368,0 +1,34
D средн. = 3,61 %
*- расчетное значение температуры кипения для H2Se = 245,1 К.
В таблице 2: D i={(T1-T2):T1*100%},
D iсредн =(D 1 + D 2+ D 3+ D 4 + D 5): 5=3,61 %,
что определяет нахождение расчетных температур кипения гидридов VI группы с относительно небольшой погрешностью.
Периодическая зависимость температур плавления гидридов элементов VI группы от топологических параметров t
В таблице 3 приведены исходные данные для корреляции между температурами плавления гидридов и топологическими параметрами t для элементов VI группы, а также вычисленные расчетные температуры плавления гидридов VI группы по полученной эмпирической зависимости температур плавления от топологических параметров t для гидридов VI группы.
По экспериментальным данным из таблицы 3 для температур плавления гидридов элементов VI-ой группы, и по известному математическому методу были рассчитаны коэффициенты корреляции для установления формулы эмпирической зависимости Tплав от топологических параметров t.
Оказалось, что эмпирическая зависимость между Tплав и топологическими параметрами также описывается гиперболической функцией:
Tплав = c * Dt, ( 2 )
где c = 109.0196 и D = 1.07744.
Таблица 3. Корреляция Тплавления гидридов элементов VI-ой группы с топологическими параметрами t № п/п Гидрид элемента Топологический параметр t
Т3, К
Экспериментальная
T4, К
Расчетная D j, % 1 H2S 7,0492 187 184,4 +1,39 2 H2Se 8,780 208 209,9 — 0,91 3 H2Te 9,7208 224 225,1 — 0,49 4 H2Po 10,7049 237 242,3 — 2,24 5 [H24O24 ]n 12,0151 273 267,1 + 2,16
D средн. = 1,44 %
В таблице 3: D i={(T3-T4):T3*100%},
D jсредн =(D 1 + D 2+ D 3+ D 4 + D 5): 5=1,44 %,
что определяет нахождение расчетных температур плавления гидридов VI-ой группы с относительно небольшой погрешностью.
Выводы:
Предположено возможное существование в микромире материи в новом состоянии – в виде нуклонного “веполя”, который состоит из дробного числа протонов и нейтронов; “веполь” может иметь неевклидовую кривизну, как с положительным, так и с отрицательным значением, а также переменную топологию; “веполь” может быть локально рассредоточенным, не являясь единым физическим и геометрическим целым; “веполь” может одновременно находиться в физическом пространстве с вероятностью p > 1, из-за своей локально рассредоточенной топологической структуры; “веполь” может иметь топологический дефект нуклонной массы.
Переходным состоянием между двумя состояниями материи: поле и вещество, является состояние материи в виде нуклонного “веполя”, которое в начале XIX века называлось “эфиром”. Энергетический и информационный обмен между полем и веществом происходит с помощью нуклонных “веполей”.
Физический смысл топологического дефекта нуклонной массы атома – это показатель удельной энергии нерадиоактивного поглощения и излучения, которые происходят при осцилляции системы, состоящей из нуклонного “веполя” атома и электронами внутренних электронных оболочки атома, которые переходят на стационарные электронные орбитали, с дробными квантовыми числами, меньшими, чем квантовое число n=1. Также можно предположить, что электронные оболочки для элементов с Z
Геометрический смысл топологического дефекта нуклонной массы атома – это различная топологическая кривизна (положительная или отрицательная) нуклонных “веполей”, находящихся в SF-состоянии. Это означает, что геометрические поверхности нуклонов в SF-состоянии имеют положительную кривизну для одной группы элементов, и отрицательную кривизну – для второй группы элементов. Можно предположить, что подобные топологические поверхности имеют некоторые из гиперболических тригонометрических функций. При изменении кривизны топологической поверхности нуклонного “веполя” может происходить поглощение или излучение внутренней энергии атомов, которая имеет нерадиоактивное происхождение.
Все элементы периодической системы Менделеева состоят из двух групп: первая группа имеет положительное значение топологической кривизны нуклонных “веполей”, вторая группа имеет отрицательное значение топологической кривизны нуклонных “веполей”. Во второй группе элементов находится часть химических элементов с 1
Нуклонный “веполь” имеет топологический дефект нуклонной массы за счет наличия нецелочисленного (дробного) числа протонов и нейтронов в ядре атома.
Предполагается, что в нуклонном “веполе” атома водорода находится 0,5 протона и дробная часть нейтрона. Возможный топологический элемент структуры воды, как полимера [H24O24]n, может быть представлен плоской структурой с группами H-O-H и двумерными структурами с плоскими шестичленными циклами.
Установлена эмпирическая зависимость между температурами кипения и топологическими параметрами для гидридов VI группы, а также между температурами плавления и топологическими параметрами для гидридов VI группы.
Эмпирическая зависимость между температурами кипения и топологическими параметрами t для гидридов элементов VI группы описывается гиперболической функцией:
Tкип = a *Bt, где a = 91,3206 и B = 1,12237.
Эмпирическая зависимость между температурами плавления и топологическими параметрами t для гидридов элементов VI группы описывается гиперболической функцией: Tплав = c *Dt, где c = 109.0196 и D = 1.07744.
Применение модели воды, как жидкого полимера в виде [H24O24]n позволяет считать воду нормальной, а не “аномальной” жидкостью, поскольку предположение о линейном расположении гидридов элементов VI группы вне зависимости от их фазового состояния является необоснованным. Вода, как стабильная жидкость, в области фазовых переходов “жидкость – пар” расположена в верхней точке линейных графиков в двумерном поле температур кипения и плавления гидридов элементов VI группы.
Элементы с отрицательными значениями топологической кривизны нуклонных “веполей” являются переносчиками энергии нерадиоактивного происхождения от поля к веществу и от вещества к полю.
Свойства воды, как квантовой жидкости, обладающей “памятью” и свойства монокристаллического кремния, как базового элемента для микроэлектроники обусловлены отрицательными значениями топологической кривизны нуклонных “веполей” воды и кремния.
Возможно прогнозирование и создание новых химических соединений на основе элементов с отрицательными значениями топологической кривизны нуклонных “веполей”, а также с инверсными топологическими средами, с заданными свойствами и параметрами для их применения в микроэлектронике.