Эволюция знаний атомов и молекул

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эволюция знаний атомов и молекул

Канарёв Ф.М.

Ошибочные представления об атомах и молекулах закладываются в головы всех школьников и студентов около 100 лет. Это значит, что в мире нет ни одного учёного с правильными физическими и химическими знаниями об атомах и молекулах. Научно-образовательная Власть России не знает, как выходить из этого ненормального положения. Подскажем ей.

Идея орбитального движения электронов в атомах была сформулирована Резерфордом. Она была теоретически обосновано Нильсом Бором в 1913 г. Главным его вкладом в теорию атома является гипотеза о квантовании орбитального момента импульса электрона атома водорода [1].

, (1)

где - масса электрона; - орбитальная скорость электрона; - радиус орбиты; - постоянная Планка; - номер орбиты, главное квантовое число.

Считается, что правило квантования орбитального момента импульса, предложенное Нильсом Бором, оставалось гипотезой до тех пор, пока Луи Де Бройль Нобелевская премия вручена Луи Де Бройлю в 1929 за открытие волновой природы электрона. не высказал предположение о том, что длина волны электрона связана с его импульсом соотношением и что в орбите электрона должно укладываться целое число волн электрона . Из этого сразу последовал постулат Бора о квантовании орбитального момента импульса электрона [2]

(2)

и появилась странность. Как понимать тот факт (), что длина окружности первой орбиты () равна одной длине волны электрона? Отсутствие ответа на этот вопрос не смутило Арнольда Зоммерфельда и он предложил в 1915 г. теорию о движении электронов по эллиптическим орбитам. При этом он допустил, что энергия электрона на каждой из таких орбит не меняется. Меняется только орбитальный момент импульса .

Конечно, это странное допущение и, тем не менее, оно было принято, и процесс развития теории атома в орбитальном направлении продолжился [2].

Зоммерфельд ввел новое правило квантования орбитального момента импульса. Вместо зависимости (1) он предложил зависимость [2]

, (3)

где - второе квантовое число.

В результате появилась необъяснимая закономерность изменения обоих квантовых чисел и . Так, при , . Когда , второе квантовое число принимает значения 0 или 1. Если , то принимает значения 0, 1 или 2 и т. д. При расчете спектров было установлено, что для основного состояния электрона. Однако с точки зрения классической механики электрон в этом случае должен двигаться по прямой линии, проходящей через ядро [3].

Так множились противоречия теории орбитального движения электрона в атоме и неясно было, как эти противоречия устранять. Почему орбитальный момент импульса электрона должен равняться нулю, когда он находится на первой орбите? Физики и химики привыкли к такому положению и уже не замечают этого вопроса. Не получив ответа на него, исследователи пошли дальше. Они присвоили названия состояниям электрона в момент, когда он имеет различные орбитальные моменты импульса (табл. 1) [3].

Таблица 1

Последующие исследования показали, что в действительности орбитальный момент импульса изменяется по зависимости [3]

. (4)

Углубление теории орбитального движения Зоммерфельдом не позволило рассчитывать спектры атомов сложнее водородоподобных (атомов и ионов с одним электроном) атомов. Это означало отсутствие понимания процесса взаимодействия электрона с ядром атома. Но на это не обращали внимание, и двигались дальше в ложном направлении [1].

Так как заряд электрона отрицательный, то условились считать, что векторы орбитального момента импульса и магнитного момента электрона направлены противоположно. Странное соглашение. Векторные свойства физическим величинам задаёт Природа, а знак электрону приписан человеком. Разве этого достаточно, чтобы считать векторы и противоположно направленными? [3], [4].

Следующее соглашение оказалось ещё абсурднее. Известно, что спин - величина векторная. Он характеризует вращение частицы, в данном случае - вращение электрона относительно своей оси симметрии. Чтобы объяснить расщепление спектральных линий при наличии магнитного поля, было принято соглашение считать, что проекция спина на выбранное направление может иметь лишь два значения [3]

, (5)

где .

На этом странности теории атома не закончились. Было введено понятие «полный момент импульса», равный . Здесь - квантовое число полного момента импульса, а величина изменятся так и [3], [5], [6].

Странно, но вопрос о закономерности изменения энергии связи электрона с ядром атома при орбитальных переходах электрона так никто и не поставил. А ведь это главный вопрос при анализе всех химических реакций. Почему он не был поставлен? Это - загадка и историки науки, будут разгадывать её. Не был поставлен и второй фундаментальный вопрос: каким образом электроны двух атомов, летающие по орбитам вокруг их ядер, соединяют атомы в молекулы? Вместо того, чтобы поставить эти вопросы и искать на них ответы, исследователи пошли дальше в тупиковом направлении. Обилие квантовых чисел затуманило орбитальное движение электрона в атоме. Плотность этого тумана увеличило уравнение Шредингера, за которое он вместе с Дираком получил Нобелевскую премию в 1933 [7]. В трехмерном пространстве уравнение Шредингера имеет вид [8]

(6)

Решением этого уравнения является функция

, (7)

в которой координата независима от времени . В этом случае результат решения (7) автоматически противоречит Аксиоме Единства пространства - материи - времени и поэтому оказывается далеким от реальной действительности. Несмотря на это, считается, что уравнение Шредингера играет в механике микромира такую же роль, как и уравнения Ньютона в механике макромира, которые, заметим, работают в рамках Аксиомы Единства [1], [9].

Из уравнения Шредингера (6) следовала невозможность определения положения электрона в атоме. Можно было оценить лишь плотность вероятности пребывания его в атоме. Чтобы спасти идею орбитального движения электрона, плотность этой вероятности назвали орбиталью и стали представлять её в виде электронного облака определенной формы (рис. 1) [10].

Рис. 1. Формы электронных облаков

Как видно (рис. 1), формы орбиталей весьма далеки от форм круговых и эллиптических орбит, но это не смущает физиков и химиков. Они продолжают считать, что электроны в атомах движутся по орбитам [10].

Завершил тупиковый путь Паули, сформулировавший принцип, согласно которому в атоме не может быть электронов, имеющих все одинаковые квантовые числа. За это ему была присуждена Нобелевская премия в 1945 г с такой формулировкой: «За открытие принципа, названного его именем (Принцип Паули)» [7].

Такой путь развития теории атома не дал самую необходимую информацию - закономерность изменения энергий связи электронов с ядрами. В результате химики до сих пор не знают энергии связи электрона атома водорода с протоном, не говоря уже о других атомах и электронах. Но самое удивительное в том, что они не желают даже знать о том, что это нужно знать. И совсем не интересуются информацией о том, что эта задача уже решена [1].

Этой информации явно недостаточно для анализа процесса взаимодействия электрона с протоном. Поскольку электрон может находиться на разных орбитах, то необходимо знать радиусы этих орбит. Далее необходимо знать энергии связи электрона с протоном, соответствующие разным орбитам. Эти энергии обязательно должны содержаться в спектре атома водорода и, как мы уже показали в 11-ой лекции, они действительно имеются там, но орбитальное движение электрона не позволило многочисленным исследователям найти эти энергии и закон их изменения. Представляем математическую модель закона изменения линейных энергий связи электронов с протонами ядер атомов. Энергия связи электрона с протоном изменяется по зависимости [1]

(8)

Это и есть математическая модель закона изменения энергии связи электрона с протоном атома водорода. Она следует из спектра атома водорода, но её проигнорировали, и мы не знаем почему. Быть может, смущал факт отсутствия спектральной линии, соответствующей энергии ионизации атома водорода . Теперь причина отсутствия этой спектральной линии установлена. Суть её заключается в следующем.

Для последующего описания поведения электронов в атомах мы вводим понятие энергетический уровень электрона в атоме вместо существующих понятий орбита и орбиталь.

Электрон атома водорода вступает в связь с протоном на расстоянии, соответствующем 108-му энергетическому уровню [1]. Далее он не может перескочить все уровни и сразу оказаться на первом () энергетическом уровне, излучив при этом фотон с энергий . Он приближается к протону ступенчато, иногда перескакивая через несколько ступеней. В результате суммарная энергия всех излученных фотонов оказывается равной энергии ионизации атома водорода , а спектральная линия, соответствующая энергии ионизации , отсутствует. Главная причина ступенчатого сближения электрона с протоном ядра - градиент температуры среды. Он не может быть таким, чтобы обеспечить переход электрона со 108 энергетического уровня сразу на 1-й энергетический уровень.

Далее, мы приводим математическую модель закона формирования спектров атома водорода, соответствующую стационарным энергетическим уровням электрона [1].

, (9)

где - частота фотона, поглощаемого или излучаемого электроном при переходе с одного на другой энергетический уровень; - частота фотона, энергия которого соответствует энергии ионизации атома водорода; - частота фотона, энергия которого соответствует энергии связи электрона с ядром в момент пребывания электрона на первом () энергетическом уровне. Для атома водорода , поэтому .

Как видно, в формуле (9) нет энергии и частоты, соответствующей орбитальному движению электрона в атоме. Это значит, что он не совершает такого движения.

Закон Кулона позволяет определить расстояние между протоном и электроном в момент пребывания его на первом энергетическом уровне. Поскольку энергия связи протона с электроном в этом случае равна то при имеем

(10)

Подставляя в полученные формулы (9) и (10) и , найдём не только теоретические значения (теор) спектра атома водорода, полностью совпадающие с экспериментальными значениями (эксп), но и энергии связи электрона с протоном (табл. 1). Результаты расчета для = 2,3,4 ... приведены в табл. 2 [1].

Таблица 1. Спектр атома водорода, энергии связи между протоном и электроном, и расстояния между ними

Знач.	n	2	3	4	5	6
(эксп)	eV	10,20	12,09	12,75	13,05	13,22
(теор)	eV	10,198	12,087	12,748	13,054	13,22
(теор)	eV	3,40	1,51	0,85	0,54	0,38
(теор)		4,23	9,54	16,94	26,67	37,89

Таким образом, математические модели (8 и 9) формирования спектра атома водорода не имеют составляющей, соответствующей орбитальному движению электрона. Это значит, что электрон не имеет орбитального движения в атоме. Сразу возникает вопрос: каким же образом электрон атома водорода взаимодействует с протоном? Какие силы сближают эти частицы и какие ограничивают их сближение? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо проанализировать уже имеющуюся научную информацию о моделях электрона и протона [1].

Известно, что масса покоя электрона равна кг. Его заряд отрицателен и равен Детальный анализ структуры электрона показал, что он имеет форму полого тора (рис. 2, а). Его структура оказывается устойчивой благодаря наличию двух вращений. Первое - относительно оси, проходящей через геометрический центр тора перпендикулярно плоскости вращения, и второе - вихревое вращение относительно кольцевой оси, проходящей через центр окружности сечения тора [1].

Рис. 2: а) электрон; b) протон

На рис. 2 показана лишь часть магнитных силовых линий и характеризующих магнитные поля электрона (рис. 2, а) и протона (рис. 2, b). Если показать всю совокупность этих линий, то модели электрона и протона примут формы, близкие к форме яблока. Как видно, магнитное поле электрона и протона по форме близко к магнитному полю стержневого магнита.

Несколько методов расчета радиуса тора электрона, включающих различные его энергетические и электромагнитные свойства, дают один и тот же результат, совпадающий с экспериментальным значением комптоновской длины волны электрона, а именно [1].

 (11)

где - магнетон Бора; - напряженность магнитного поля в центре симметрии электрона.

Магнитный момент электрона равен магнетону Бора.

(12)

Напряженность магнитного поля вблизи геометрического центра электрона оказывается равной

(13)

Это очень большая напряженность. Она убывает при удалении от геометрического центра вдоль оси вращения электрона пропорционально кубу расстояния. Но самая главная новая информация об электроне касается его спина. Он равен постоянной Планка .

О протоне информации меньше. Известно, что это очень маленькая частица с положительным зарядом, равным отрицательному заряду электрона , массой покоя и магнитным моментом . Если предположить, что протон, как и электрон, имеет форму кольца, то радиус этого кольца оказывается таким [1]

 (14)

где: - масса протона; - фотонная энергия протона [1].

Таким образом, радиус протона на три порядка меньше радиуса электрона. Спины протона и электрона равны постоянной Планка. Векторы этих спинов направлены вдоль осей их вращения. Направления вектора спина электрона и вектора его магнитного момента совпадают, а у протонов они направлены противоположно [1]. Это следует из формулы, связывающей постоянную Планка и магнитный момент электрона . Представим ее в таком виде [1]

(15)

В современной физике векторы и считаются противоположно направленными. Обосновывается это тем, что заряд электрона в формуле (15) отрицателен. Странное обоснование. Мы уже отметили, что векторные свойства величинам и задает Природа. Отрицательный знак заряду электрона задали сами физики. Но ведь это - условное соглашение, но не закон Природы! В формуле (15) заряд электрона - скалярная величина, и у нас нет оснований записывать ее в виде [1]

(16)

Анализ процессов формирования молекул показывает, что у протона направления векторов спина и магнитного момента противоположны, поэтому формула (15) описывает магнитный момент электрона, а формула (16) - протона.

Напряженность магнитного поля вблизи геометрического центра модели протона оказывается значительно больше аналогичной напряженности магнитного поля электрона. Используя магнитный момент протона и его фотонную энергию , получим напряженность магнитного поля вблизи центра симметрии протона [1]

(17)

Это - колоссальная напряженность магнитного поля вблизи центра симметрии протона. За пределами этого центра она убывает пропорционально кубу расстояния от его геометрического центра [1]. Мы уже предположили, что эта напряженность магнитного поля генерирует силы, эквивалентные ядерным силам, соединяющим протоны с нейтронами [1]. Из этого следует, что электрон с протоном сближают их разноименные электрические поля, а ограничивают это сближение одноименные магнитные полюса. Тогда модель атома водорода будет такой, как она показана на рис. 3.

Структуры атома и молекул водорода

Теперь приведем модели атомов первых химических элементов, следующие из описанных старых теорий атома и из новой теории микромира (рис. 3, с).



Рис. 3. Модели атома молекул водорода

Атом водорода первый и самый простой из них. Роль ядра выполняет протон и с ним взаимодействует электрон. Уравнение Э. Шредингера предсказывает наибольшую вероятность пребывания электрона на поверхности сферы атома. Один электрон атома водорода образует электронное облако - орбиталь в форме сферы (рис. 3, а) [10].

Из новой теории микромира следует, что электрон атома водорода взаимодействует с протоном линейно (рис. 3, с) [1].

На рис. 3, b молекула водорода, следующая из уравнения Шредингера. Как отличить в этой модели ортоводород от параводорода, неизвестно. Новая теория микромира даёт чёткие модели молекул водорода (рис. 3, d, e, f) и детально описывает процесс их формирования [1].

Структура атома гелия

Гелий - второй химический элемент. В его ядре два нейтрона и два протона, а в атоме - два электрона (мы не рассматриваем изотопы). Если в атоме гелия один электрон, то он считается водородоподобным. Спектр первого электрона атома гелия (с меньшей энергией ионизации) формула Бора (1) не позволяет рассчитывать. В этом случае используются приближенные методы расчета, основанные на уравнениях Шредингера и Максвелла [11]. В результате формируется недостаток информации для выявления структуры атома этого химического элемента. Уравнение Шредингера (6) и принцип Паули позволяют представить атом гелия в таком виде (рис. 4, а) [10], [12].

Энергия ионизации первого электрона атома гелия равна , а энергия, соответствующая первому энергетическому уровню, равна . Подставляя эти данные в формулы (8) и (9), получим спектр первого электрона атома гелия (табл. 3).

Таблица 3. Спектр первого электрона атома гелия

Значения	n	2	3	4	5	6
(эксп.)	eV	21,22	23,09	23,74	24,04	24,21
(теор.)	eV	21,22	23,09	23,74	24,05	24,21
(теор.)	eV	3,37	1,50	0,84	0,54	0,37

Старая схема атома гелия (рис. 4, а) отличается от старой схемы атома водорода (рис. 3, а) большим диаметром S орбитали и тем, что на ней находятся два электрона. Никакой информации об энергиях связи этих электронов с ядром атома нет. А ведь такая информация крайне необходима химикам для анализа энергетики химических реакций.



Рис. 4. Возможные структуры ядер и атомов гелия

Обратим внимание на то, что энергии связи электрона атома водорода с протоном (табл. 1) и первого электрона атома гелия с ядром (табл. 2) имеют близкие значения. Это указывает на то, что первый электрон атома гелия взаимодействует с одним протоном ядра.

Из этого следует, что когда оба электрона находятся в атоме гелия, то каждый из них взаимодействует с одним протоном ядра. Когда же один электрон удаляется из атома, то оставшийся электрон начинает взаимодействовать с двумя протонами ядра и его энергия ионизации оказывается в 4 раза больше, чем у электрона атома водорода [1]. Модели ядра и атома гелия, следующие из новой теории атомов, показаны на рис. 4.

Отметим, что отсутствие орбитального движения электрона в атоме и взаимодействие каждого электрона атома со своим протоном требует его пребывания на поверхности ядра. Протон имеет простое магнитное поле подобное магнитному полю стержневого магнита. Магнитное поле нейтрона сложнее, оно имеет шесть магнитных полюсов [1].

Структура атома лития

В соответствии с принципом Паули на первой S орбитали (светлая зона внутри) могут находиться только два электрона (рис. 5, а). Тогда третий электрон располагается на второй S орбитали (более тёмная зона). Никакой информации об энергиях связи электронов с ядром нет.

Новая теория микромира даёт детальную модель атома лития (рис. 5, b) и энергии связи всех его трёх электронов с ядром при пребывании их на всех энергетических уровнях (табл. 3).

Рис. 5. Схема новой моделей ядра и атома лития

Новая теория атома позволяет рассчитать спектры всех электронов атома лития.

Причем, наибольшую ценность имеют энергии связи электронов с ядром атома (табл. 4).

Таблица 4. Энергии связи электрона атома водорода и первого-1, второго -2 и третьего - 3 электронов атома лития с ядром

n	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	13,6	3,40	1,51	0,85	0,54	0,38	0,28	0,21	0,17
1	14,06	3,51	1,56	0,88	0,56	0,39	0,29	0,22	0,17
2	54,16	13,54	6,02	3,38	2,17	1,50	1,10	0,85	0,67
3	122,5	30,6	13,6	7,65	4,90	3,40	2,50	1,91	1,51
n	10	11	12	13	14	15	16	17	18
	0,14	0,11	0,09	0,08	0,07	0,06	0,05	0,05	0,04
1	0,14	0,12	0,10	0,08	0,06	0,06	0,05	0,05	0,04
2	0,54	0,45	0,38	0,32	0,28	0,24	0,21	0,19	0,17
3	1,23	1,01	0,85	0,72	0,63	0,54	0,48	0,42	0,38

Анализируя таблицу 4, видим близость энергий связи электрона атома водорода и первого электрона атома лития на первом, втором и третьем энергетических уровнях и почти полное совпадение на всех остальных. Это - одно из доказательств того, что первый электрон атома лития взаимодействует с одним протоном ядра.

Нетрудно видеть, что если в атоме лития останется один (третий) электрон, то он начнет взаимодействовать сразу с тремя протонами и его энергия связи с ядром, соответствующая первому () энергетическому уровню, определится по формуле [1].

, (18)

что совпадает со значениями этой энергии в табл. 3 при n=1 и подтверждает нашу гипотезу о том, что если в атоме остаётся один электрон, то он взаимодействует одновременно со всеми протонами ядра.

Рассчитаем энергию связи третьего электрона () атома лития с ядром в момент пребывания его на 5 энергетическом уровне

(19)

Как видно, это значение согласуется с аналогичной энергией связи третьего электрона атома лития с ядром в момент пребывания его на пятом энергетическом уровне (табл. 3). Поскольку атом лития с одним электроном - это водородоподобный атом, то для убедительности рассчитаем энергию связи второго электрона () этого атома с ядром в момент его пребывания на седьмом энергетическом уровне [1].

. (20)

Этот результат также согласуется с энергией связи второго электрона атома лития в момент пребывания его на седьмом энергетическом уровне (табл. 4).

Если бы нам удалось измерить энергии связи с ядром двух остальных электронов атома лития, не удаляя из него первый электрон, то оказалось бы, что все три электрона имеют одинаковые энергии связи с ядром. Однако, постановка такого эксперимента вряд ли возможна на данном этапе научных исследований. Но гипотетическое объяснение этого явления мы уже привели [1]. Совпадение результатов расчетов по формулам (19) и 920 с экспериментальными результатами, представленными в табл. 3, доказывает жизнеспособность такого объяснения.

Нетрудно представить, что различные значения энергий связи разных электронов атома лития (табл. 4), соответствующие первому энергетическому уровню (), получаются потому, что после удаления из атома первого электрона, освободившийся протон начинает взаимодействовать со вторым электроном, увеличивая его энергию связи до величины близкой к энергии связи второго электрона атома гелия ().

После удаления из атома и второго электрона, в ядре оказывается два свободных протона, которые немедленно начинают взаимодействовать с оставшимся третьим электроном, увеличивая его энергию связи с ядром в раз.

Если мы начнем последовательно возвращать все электроны в атом, то количество протонов, взаимодействовавших ранее с одним электроном, начнет уменьшаться. Уменьшится и энергия связи этого электрона до величины примерно равной энергии связи с ядром электрона атома водорода.

Из изложенного следует следующая модель атома лития (рис. 5, b) [1]. Связь устанавливается путем взаимодействия разноименных электрических полей протонов и электронов, которые сближают их, и одноименных магнитных полюсов, которые ограничивают это сближение. Получается так, что каждый электрон взаимодействует только с одним протоном ядра атома (рис. 5, b).

Анализ схемы на рис. 5, b показывает, что симметрично расположенные электроны будут иметь одинаковые энергии связи с ядром. На электрон, расположенный справа от ядра, будут действовать электростатические силы отталкивания двух других электронов, поэтому он будет расположен дальше от ядра и его энергия ионизации будет наименьшей. Этому электрону мы присваиваем первый номер и обратим внимание на то, что энергия ионизации его () меньше соответствующей энергии ионизации атома водорода (). Схема атома лития (рис. 5, b) позволяет понять причину такого различия. Как видно, два симметрично расположенных осевых электрона (2 и 3) своими электростатическими полями удаляют первый электрон от ядра, уменьшая энергию его ионизации [1].

Структура атома бериллия

В соответствии с принципом Паули модель атома бериллия будет такой, как показана на рис. 6 [10], [12]. Модель атома бериллия, следующая из новой теории микромира, представлена на рис. 7.

Рис. 6. Схема атома бериллия, следующая из старой теории атома



Рис. 7. Схема структуры ядра и атома бериллия

Энергии связи всех электронов атома бериллия с его ядром (табл. 4) можно рассчитать и по формуле (19). В качестве примера рассчитаем по формуле (19) энергии связи различных электронов этого атома, соответствующие различным энергетическим уровням.

Энергия связи с ядром первого электрона атома бериллия оказывается равной аналогичной энергии связи электрона атома водорода с протоном в момент, когда и тот, и другой оказываются на 13 энергетическом уровне (табл. 5).

На рис. 3 показана схема атома водорода, а на рис. 7 - атома бериллия. Взаимодействие каждого электрона атома бериллия с одним протоном ядра формирует симметричную структуру. Если сравнивать её со структурой атома водорода (рис. 3, с), то можно прийти к мысли, что все четыре электрона атома бериллия имеют такие же энергии ионизации, как и электрон атома водорода. Однако эксперимент не подтверждает это. В связи с этим возникает вопрос: правильна ли существующая интерпретация результатов этого эксперимента? Попытаемся найти ответ на этот вопрос.

Если пронумеровать условно электроны атома бериллия (рис. 7), то экспериментальные значения энергий ионизации этих электронов окажутся такими [1]: , , , . А энергии связи с ядром атома, соответствующие первым энергетическим уровням, будут равны (табл. 4): у первого электрона , у второго - , у третьего и у четвертого [1].

Таблица 5. Энергии связи электрона атома водорода и 1-го - 4-го электронов атома бериллия с ядром

n	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	13,6	3,40	1,51	0,85	0,54	0,38	0,28	0,21	0,17
1	16,17	4,04	1,80	1,01	0,65	0,45	0,33	0,25	0,20
2	56,26	14,06	6,25	3,52	2,25	1,56	1,15	0,88	0,69
3	120,89	30,22	13,43	7,56	4,83	3,36	2,47	1,89	1,49
4	217,71	54,43	24,19	13,6	8,71	6,05	4,44	3,40	2,69
n	10	11	12	13	14	15	16	17	18
	0,14	0,11	0,09	0,08	0,07	0,06	0,05	0,05	0,04
1	0,16	0,12	0,10	0,08	0,07	0,06	0,05	0,05	0,04
2	0,56	0,46	0,39	0,33	0,29	0,25	0,22	0,19	0,17
3	1,21	1,00	0,84	0,72	0,62	0,54	0,47	0,42	0,37
4	2,18	1,80	1,51	1,29	1,11	0,97	0,85	0,75	0,67

В качестве примера рассчитаем по формуле (20) энергии связи различных электронов этого атома, соответствующие различным энергетическим уровням. Энергии связи первого электрона () атома бериллия с протоном ядра в момент пребывания его на 13-м энергетическом уровне (n=13) будет равна

. (21)

Энергия связи с ядром первого электрона атома бериллия оказывается равной аналогичной энергии связи электрона атома водорода с протоном в момент, когда и тот, и другой оказываются на 13 энергетическом уровне (табл. 5).

Объясняется это взаимным влиянием друг на друга всех четырех электронов атома бериллия. Для 3-го энергетического уровня второго электрона . В табл. 4 эта энергия равна 6,25 eV. Для 15-го энергетического уровня второго электрона В табл. 4 эта энергия равна 0,25 eV. Третий электрон на 4 энергетическом уровне имеет энергию связи

. (22)

Третий электрон на 12-м энергетическом уровне имеет Для 14-го уровня четвертого электрона имеем . Это полностью совпадает с табличным значением (табл. 4) этой величины. Четвертый электрон на втором уровне имеет (см. табл. 5).

Неплохая сходимость теоретических результатов, полученных различными способами, с экспериментальными данными подтверждает правильность избранного нами пути анализа структур ядер химических элементов и структур их атомов.

Итак, с увеличением номера (n) энергетического уровня взаимное влияние электронов атома бериллия (рис. 7) ослабевает и значения энергий их связи с ядрами атома приближаются к соответствующим значениям энергий связи электрона атома водорода (табл. 5).

Начнем искать ответ на вопрос: почему энергии ионизации всех четырех электронов атома бериллия не равны энергии ионизации атома водорода? Анализ рисунков (рис. 3, с и рис. 7) структур этих атомов показывает, что главное отличие условий взаимодействия электронов с ядрами этих двух атомов заключается в том, что в атоме водорода электрон один и ему некому мешать взаимодействовать с ядром. В атоме бериллия их четыре, поэтому они неизбежно взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие и определяет отличие их энергий ионизации от энергии ионизации атома водорода.

Прежде всего, электростатическое взаимодействие электронов атома бериллия друг с другом лишает их возможности приблизиться к ядру на такое же расстояние, на каком находится электрон атома водорода. Электростатические силы отталкивания, действующие между электронами атома бериллия, удерживают их на большем расстоянии от ядра (рис. 7), чем магнитные силы отталкивания, действующие между электроном и протоном в атоме водорода (рис. 3, с).

Настал момент обратить внимание ещё на один интересный факт. Энергия связи первого электрона атома бериллия , соответствующая его первому энергетическому уровню, больше энергии его ионизации [А.П. Стриганов]. Почему?

Анализируя спектры атомов и ионов, мы показали, что значение первой энергии связи электрона с ядром может быть фиктивным. То есть само значение энергии существует, а электрон не имеет возможности занять в атоме положение, которое соответствует этой энергии связи с ядром. Не позволяют силы отталкивания, действующие между электронами. В результате первым рабочим энергетическим уровнем у электрона может оказаться второй или даже третий энергетический уровень. Поэтому есть основания полагать, что первым рабочим энергетическим уровнем первого электрона атома бериллия является второй уровень с энергией связи с ядром, равной (табл. 5).

Таким образом, меньшая энергия ионизации первого электрона атома бериллия по сравнению с энергией ионизации электрона атома водорода объясняется влиянием друг на друга всех четырех электронов этого атома.

Находясь на большем расстоянии от ядра, электроны атома бериллия имеют меньшие энергии связи с ним, что приводит к уменьшению энергии ионизации первого электрона этого атома. Она оказывается равной , в то время как у электрона атома водорода эта энергия равна . Это значит, что один протон ядра генерирует максимальную энергию связи, равную . Индивидуальная энергия связи, генерируемая четырьмя протонами, равна 13,60х4=54,40 eV.

Когда в атоме остаётся три электрона, то эта энергия распределяется между ними и индивидуальная её часть оказывается равной 54,40/3=18,13 eV. Эта величина близка к энергии ионизации второго электрона атома бериллия [А.П. Стриганов].

Теперь обратим внимание на величину энергии связи с ядром второго электрона атома бериллия , соответствующую его первому энергетическому уровню. Не забудем при этом, что эта энергия соответствует состоянию атома, когда там отсутствует один электрон. Мы уже предположили, что этот электрон взаимодействует с двумя протонами ядра. Для дополнительной проверки этого предположения умножим энергию ионизации атома водорода, которая, как мы знаем, равна энергии его связи с ядром, соответствующей первому энергетическому уровню, на квадрат количества протонов, с которыми, как мы предполагаем, взаимодействует второй электрон атома бериллия. В результате получим . Эта величина близка к энергии связи второго электрона атома бериллия с ядром и доказывает факт его взаимодействия с двумя протонами ядра. Небольшое расхождение между величинами и указывает на факт взаимного влияния друг на друга всех трех электронов, находящихся в атоме бериллия в этот момент.

Далее, обратим внимание на некоторые особенности методов получения спектров атомов и ионов. Главная из них заключается в том, что для получения спектров атомов повышают температуру вещества, которому принадлежат эти атомы, до плазменного состояния. Первый потенциал ионизации означает уход из атома первого электрона, второй - второго, третий - третьего и т.д. Из этого следует, что когда из атома уходит один электрон, то протон в ядре атома, освободившийся в результате этого, начинает взаимодействовать с соседним электроном, увеличивая его энергию связи с ядром. Однако, как он делиться этой энергией с соседним электроном, мы не знаем.

Итак, в атоме бериллия остались два симметрично расположенных электрона - третий и четвертый. Вполне естественно, что энергии ионизации у них должны быть одинаковые. Эксперимент показывает, что они равны . Почему получается такое значение третьей энергии ионизации атома бериллия? Сложный вопрос.

Однако первая попытка найти ответ на него вынуждает нас сформулировать следующую гипотезу. Нейтроны в ядре не полностью экранируют электростатические поля протонов, и они взаимодействуют не только друг с другом, но и с электростатическими полями всех электронов. Сейчас мы получим доказательство справедливости такого утверждения.

Четвертый потенциал ионизации атома бериллия равен . Если мы возьмем энергию ионизации атома водорода , в ядре которого один протон, и умножим на квадрат количества протонов в ядре атома бериллия, то получим величину , близкую к энергии . Это указывает на то, что когда в атоме бериллия остаётся один электрон, то он взаимодействует сразу с четырьмя протонами. Доказательством этого является близость энергии связи с ядром четвертого электрона, соответствующей его первому энергетическому уровню и энергии ионизации . В этом случае другие электроны отсутствуют, поэтому мешать четвертому электрону некому, и он ведет себя так же, как и электрон атома водорода, будучи один в атоме. У него, как и у электрона атома водорода () энергия связи с ядром, соответствующая первому энергетическому уровню, равна энергии ионизации . Это - веское доказательство взаимодействия четвертого электрона атома бериллия со всеми протонами ядра в момент, когда он остаётся один в атоме.

Аналогичная закономерность изменения энергии связи с ядром, соответствующей первому энергетическому уровню, прослеживается и у третьего электрона. Она равна . Умножая энергию связи с ядром электрона атома водорода, соответствующую первому энергетическому уровню 13,60eV, на квадрат количества протонов, с которыми, как мы предполагаем, взаимодействует третий электрон атома бериллия в момент, когда в атоме остаются два электрона, получим . Эта величина близка к энергии связи с ядром атома бериллия его третьего электрона в момент его пребывания на первом энергетическом уровне и доказывает факт взаимодействия этого электрона с тремя протонами, когда в атоме отсутствуют два электрона. Расхождения между величинами и объясняется взаимным влиянием друг на друга двух электронов, которые находятся в атоме в этот момент. Когда третий электрон будет удален из атома, то такое влияние исчезнет, и мы получим результат, совпадающий с теоретическим.

Таким образом, когда все электроны находятся в атоме бериллия, то, взаимодействуя друг с другом, они мешают экспериментаторам зафиксировать их истинные энергии связи с ядрами. По мере перехода на более высокие энергетические уровни они удаляются от ядра атома и друг от друга, и их взаимодействие ослабевает. В результате, как это видно в табл. 4, энергии связи с ядром на высоких энергетических уровнях у них принимают почти одинаковые значения. Из этого следует, что у нас есть основания представить табл. 5 в таком виде (табл. 6).

Таблица 6. Энергии связи электрона атома водорода и электронов (1, 2, 3, 4) атома бериллия с ядром в момент, когда все они находятся в атоме

n	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	13,6	3,40	1,51	0,85	0,54	0,38	0,28	0,21	0,17
1	16,17	4,04	1,80	1,01	0,65	0,45	0,33	0,25	0,20
2	16,17	4,04	1,80	1,01	0,65	0,45	0,33	0,25	0,20
3	16,17	4,04	1,80	1,01	0,65	0,45	0,33	0,25	0,20
4	16,17	4,04	1,80	1,01	0,65	0,45	0,33	0,25	0,20
n	10	11	12	13	14	15	16	17	18
	0,14	0,11	0,09	0,08	0,07	0,06	0,05	0,05	0,04
1	0,16	0,12	0,10	0,08	0,07	0,06	0,05	0,05	0,04
2	0,16	0,12	0,10	0,08	0,07	0,06	0,05	0,05	0,04
3	0,16	0,12	0,10	0,08	0,07	0,06	0,05	0,05	0,04
4	0,16	0,12	0,10	0,08	0,07	0,06	0,05	0,05	0,04

Данные табл. 6 показывают, что, начиная с 13 энергетического уровня, энергии связи всех электронов атома бериллия с ядром оказываются такими же, как и у электрона атома водорода. Это значит, что при удалении электронов от ядра атома их взаимное влияние друг на друга почти исчезает, и они начинают вести себя так же, как и электрон атома водорода.

Таким образом, когда все электроны любого атома находятся в атоме, то, взаимодействуя каждый со своим протоном в ядре, формируют спектры, подобные спектру атома водорода. Но это невозможно доказать прямым экспериментом, а косвенное доказательство существует. Оно заключается в том, что зависимости излучения абсолютно черного тела не зависят от материала черного тела, то есть от атома химического элемента. Мы с этим познакомимся в следующей главе.

Структура существующего ядра атома бериллия, показанная на рис. 7, дает дополнительные доказательства соединения нейтронов и протонов посредством разноименных магнитных полюсов этих частиц. Эта же схема доказывает важность экранирующих функций нейтрона и сложность его магнитного поля.

Электроны атома бериллия не совершают орбитального движения в атоме. Каждый из них взаимодействует со своим протоном в ядре, прецессируя на нём в момент поглощения или излучения фотонов.

Как видно, при анализе моделей атомов лития и бериллия мы не увидели причин, распределяющих их электроны по орбиталям, уровням, подуровням, следующим из надуманного принципа Паули, который не имеет никакого отношения к реальности [1].

Структура атома бора

Атом бора - пятый элемент в таблице Менделеева. Большинство ядер этого атома имеет пять протонов и шесть нейтронов (рис. 8, a).

Ядро атома бора имеет одну ось симметрии. Аналогичную структуру имеет и атом этого химического элемента (рис. 8, b). Пять протонов имеют свободные магнитные полюса, к которым присоединяются электроны (рис. 8, с).

Рис. 8. Ядро и атом бора

Ось первого электрона, проходящая через ядро атома, является единственной осью его симметрии. Дальше мы увидим, что более сложные атомы имеют несколько осей симметрии.

Структура атома углерода

Первая плоская форма ядра атома углерода, в которое входит шесть нейтронов, формирует атомы графита, который пишет на бумаге (рис. 9, а). Каждый протон имеет свободный магнитный полюс для соединения с электроном. Все шесть электронов плоского атома углерода имеют равные возможности вступать в связи с электронами других атомов и формировать сложные органические соединения.

Вторая форма ядра атома углерода - пространственная. Оно может иметь семь или пять нейтронов и формировать пространственные структуры алмаза (рис. 9, b). Структура атома алмаза, которая формируется из пространственного ядра этого атома, имеет три оси симметрии (рис. 9, b). Это - оси декартовой системы координат. Структура пространственного ядра и атома углерода, и самого атома убедительно демонстрируют главное свойство алмаза - его прочность (рис. 9, b).

Рис. 9. Структуры ядер и атомов углерода

На рис. 10, а представлена плоская молекула углерода , а на рис. 10, b - кластер графита из двух молекул углерода.

Фотография графита, сделанная европейскими исследователями, представлена на рис. 11, а. Она убедительно доказывает достоверность не орбитального, а линейного взаимодействия электронов с ядрами атомов. Чтобы проверить достоверность величины , представленной авторами на фото (рис. 11, а), необходимо иметь структуру атома углерода и его спектр. Спектр первого - валентного электрона атома углерода (рис. 9, а) - в табл. 7.

Таблица 7. Спектр 1-го электрона атома углерода

Значения	n	2	3	4	5	6
(эксп.)	eV	7,68	9,67	10,37	10,69	10,86
(теор.)	eV	7,70	9,68	10,38	10,71	10,88
(теор.)	eV	3,58	1,58	0,89	0,57	0,39

Рис. 10. Молекула углерода и кластер графена из двух молекул углерода

Рис. 11. Фото графена (слева) и компьютерная обработка фото графена (справа)



Рис. 12. Фотографические структуры молекулы и атома углерода, и теоретическая структура атома углерода

Рис. 13. Теоретические структуры: а) молекулы углерода; b) кластера графита

Электронные фотографии кластеров бензола (рис. 14, а и b), сделанные европейскими исследователями, появились в Интернете несколько лет назад. На фотографиях достаточно чётко просматриваются шестигранные молекулы бензола и менее чётко - атомы водорода на внешнем контуре кластера. На схемах компьютерной обработки их фотографий (рис. 14, b) в вершинах шестиугольников шарики - атомы углерода, а к ним присоединены линейно шарики меньших размеров. Это протоны атомов водорода (рис. 14, а).



а)

b)

c)

d)

Рис. 14: а) и b) сканирующие фото кластеров бензола; с) и d) теоретические модели молекул бензола

А теперь обратим внимание на туманные, заострённые выступы по внешнему контуру сфотографированных кластеров бензола (рис. 14, а и b).

Это следует из фото сканирующего микроскопа (рис. 14, а и b. Новая теория микромира раскрывает структуры обитателей микромира на 6….8 порядков глубже, чем самые современные микроскопы (рис. 14, c и d).

Заострённые выступы по внешнему контуру фотографии (рис. 14, а и b)- атомы водорода . Электронный микроскоп не видит их структуру (рис. 3, с) и представляет в виде заострённого линейного образования (рис. 14, а и b). На теоретической молекуле бензола (рис. 14, с и d) атомы водорода представлены точками и линиями, связывающими электроны атомов углерода и водорода . Явная связь между фото кластера бензола (рис. 14, а и b) и теоретическими структурами атома водорода (рис. 3, с) и молекулами бензола (рис. 14, с и b) убедительно доказывает, что электроны в атомах взаимодействуют с протонами ядер линейно.

Сравнение теоретической модели кластера бензола (рис. 14, c и d) с его фотографиями (рис. 14, а и b) даёт основания для поздравления европейских экспериментаторов, точно отразивших визуализацию (рис. 14, b) своих фотографий. Конечно, они не владеют ещё новой теорией микромира, поэтому атомы углерода и водорода представили в виде шариков, связанных друг с другом линейными связями.

Жаль, конечно, что исследователи не привели информацию о разрешающей способности их сканирующего электронного микроскопа (рис. 14, a и b). Покажем сейчас, как новая теория микромира расшифровывает содержание информации на этих фотографиях и определяет разрешающую способность электронного микроскопа, с помощью которого они были получены. Для этого представим теоретическую модель, сфотографированной молекулы бензола c размерами, которые рассчитываются элементарно, при известной длине атома водорода (рис. 3, c).

На рис. 14, а - размеры элементов структуры, сфотографированного кластера бензола (рис. 14, a и b), следующие из размеров молекулы бензола (рис. 14, с) и его кластера (рис.15). Это и есть показатели разрешающей способности микроскопа, но авторы фото не указали их.

Рис. 15. Теоретическая структура кластера бензола

Заявления производителей электронных микроскопов о том, что их микроскопы позволяют фотографировать отдельные атомы пока преждевременны. Тем не менее, их достижения внушительны, но малопродуктивны без новой теории микромира, которая «видит» обитателей микромира с разрешающей способностью минимум на 5 порядков глубже достижений экспериментаторов (рис. 14, с и d) и значительно облегчает интерпретацию информации, получаемой с помощью электронного микроскопа (рис. 14, a и b).

Структура атома и молекулы азота

Термин «азот» предложил Лавуазье. Он означает «безжизненный». Воздух содержит 75,6% азота по массе и около 23% кислорода. Но азот не поддерживает ни горение, ни дыхание. Молекулярный азот не соединяется с кислородом и это спасает всё живое Земли от формирования кислот в воздушной и водной средах.

Азот - седьмой элемент в периодической таблице химических элементов, расположенный в её пятой группе. Структура его ядра показана на рис. 15, а. Она близка по форме к структуре ядра атома углерода (рис. 9, а). Поскольку большинство ядер атомов азота имеют семь протонов и семь нейтронов, то это большинство имеет плоские ядра, показанные на рис. 15, а.

Рис. 15. Схема атома азота: а) ядро атома; b) атом

Схема атома азота, имеющего такое ядро, показана на рис. 15, b. Атом азота имеет лишь один активный (валентный) осевой электрон. Именно эта особенность создаёт условия для формирования молекулы из двух атомов со столь большой энергией связи, что химики придумали для неё название тройной связи. Нет, связь у молекулы азота одна, но с большой энергией связи. Жаль, что спектр атома азота смешан со спектром его молекулы. Приводимая в справочниках по спектроскопии энергия ионизации атома азота, равная 14,534 eV, скорее всего, является энергией диссоциации молекулы азота, а не энергией ионизации его атома. Это достаточно большая энергия связи.

А теперь представим процесс перехода шести кольцевых электронов атома азота на нижние энергетические уровни. Его особенность заключается в том, что эти электроны переходят на нижние энергетические уровни одновременно, излучая при этом фотоны, размеры, которых на несколько порядков больше размера атома азота. Когда в этот процесс вовлекается вся совокупность атомов азота - вещества, в которое он входит, и когда в него вовлекаются атомы углерода и кислорода, которые также имеют кольцевую совокупность электронов, то суммарное количество излученных фотонов сразу увеличивает объём, занимаемый ими в пространстве, что и формирует явление взрыва.

Конечно, существующее представление о том, что взрыв - расширение газов - глубоко ошибочно. Давление формируют одновременно излучаемые фотоны благодаря тому, что их размеры на 5-7 порядков больше размеров атомов. Из этого сразу вытекают неизвестные специалистам требования к взрывчатым веществам и ракетному топливу и методы их реализации, но мы не будем развивать эту тему по известным причинам.

Молекулу азота (рис. 16) формируют электронные связи осевых электронов 1 и 2 его атомов. Связь оказывается достаточно прочной. Все остальные 12 электронов находятся на одинаковых расстояниях от ядер своих атомов и поэтому не могут быть активными, когда азот - в молекулярном состоянии. Нет электронов слева и справа от кольцевых электронов атомов вдоль оси симметрии молекулы. Это - главная причина низкой химической активности молекулы азота.

а) молекула азота b) молекула азота

Рис. 16. Молекула азота

При анализе структуры молекулы воды, мы увидим причину увеличения её размера при замерзании. В этом процессе также участвуют кольцевые электроны атомов кислорода и фотоны, излучаемые и поглощаемые ими, и мы наглядно увидим, как они реализуют процесс увеличения размера молекулы воды при её замерзании. Вся энергия связи распределяется вдоль оси симметрии молекулы лишь между двумя электронами 1 и 2 (рис. 16, а), поэтому она названа химиками тройной связью. Теперь придётся отказываться от противоречивых представлений о молекулярных связях и привыкать к тому, что одна электрон - электронная связь в различных молекулах имеет разную величину энергии связи, которая и определяет активность молекулы при формировании различных соединений.

Структура атома и молекулы кислорода

Атом кислорода - восьмой элемент периодической таблицы химических элементов, расположенный в её шестой группе. Структура его ядра показана на рис. 17, а. Симметричность ядра должна передаваться атому. На рис. 17, b представлена схема атома кислорода, следующая из структуры его ядра (рис. 17, а), а на рис. 17, с - схема молекулы кислорода.

Атом кислорода значительно активнее атома азота, так как у него два осевых активных электрона 1 и 2 (рис. 17, b). Это обусловлено тем, что шесть кольцевых электронов, расположенных в плоскости, перпендикулярной осевой линии, своим суммарным электрическим полем удаляют электроны 1 и 2 от ядра на большее расстояние, формируя условия для большей их активности при взаимодействии с электронами соседних атомов. Структура молекулы кислорода показана на рис. 17, с. Она образуется путем соединения разноименных магнитных полюсов осевых электронов двух атомов кислорода. Молекула кислорода, в отличии от молекулы азота, имеет значительную химическую активность, которая обеспечивается осевыми электронами 1 и 2 наиболее удаленными от ядер атомов (рис. 17, b и с).



Рис. 17. Схемы ядра, атома и молекулы кислорода

Структуры молекул и

Окись углерода или угарный газ - продукт неполного сгорания углеродосодержащих веществ. Это ядовитый газ без цвета и запаха. Его ядовитые свойства обусловлены несимметричностью молекулы и неравномерностью распределения энергий связи электронов с протонами ядер атомов. Наибольшую активность имеет осевой электрон 2' атома кислорода (рис. 18).

Рис. 18. Модели молекул и

Углекислый газ или двуокись углерода (рис. 18, b) - бесцветное газообразное вещество в полтора раза тяжелее воздуха. Сжижается при комнатной температуре под давлением 69 атм., а при выпуске из баллона испаряется. не поддерживает ни горения, ни дыхания. Причина этого - предельная симметричность молекулы (рис. 18, b), выравнивающая энергии связи электронов с протонами ядер и снижающая их химическую активность.

Структура молекулы аммиака

Аммиак - бесцветный газ с резким запахом (рис. 19).

Рис. 19. Молекула аммиака

На рис. 19 видно, что один атом водорода (электрон и протон ) своим элект...