Устойчивость атома

 

 

     В 1911 году Резерфорд предложил ядерную модель строения атома, чтобы объяснить опытные данные. Согласно ядерной модели почти вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, занимающем лишь ничтожную часть объёма атома. Положительное ядро окружено отрицательно заряженными электронами. Электронная оболочка занимает практически весь объём атома, но масса её ввиду лёгкости электрона незначительна.
     При исследовании оптических спектров элементов в газообразном состоянии выяснилось, что энергия атома не может быть любой, а может принимать только некоторые избранные значения, характерные для каждой разновидности атомов. Возможные значения внутренней энергии атома получили название энергетических или квантовых уровней.

   После этих открытий появилась большая трудность в согласовании экспериментальных данных с физическими законами. Что нам на это скажет «классическая» физика?
     «Из ядерной модели атома и дискретности его энергетических уровней вытекает существование избранных, «разрешённых», орбит электрона в атоме. Встаёт вопрос, почему электрон не может вращаться вокруг ядра по орбите произвольного радиуса. В чём физическое различие дозволенных и не дозволенных орбит?
     Законы механики и электричества, знакомые нам из предыдущего курса физики, не дают на эти вопросы никакого ответа. С точки зрения этих законов все орбиты совершенно равноправны. Существование выделенных орбит противоречит этим законам.
     Не менее разительным противоречием известным нам законам физики является устойчивость атома (в основном состоянии). Мы знаем, что всякий заряд, движущийся с ускорением, излучает электромагнитные волны. Электромагнитное излучение уносит с собой определённое количество энергии. В атоме электрон движется с большой скоростью по орбите малого радиуса и, следовательно, обладает огромным центростремительным ускорением. Согласно известным нам законам электрон должен терять энергию, излучая её в виде электромагнитных волн. Но, как было указано выше, если электрон теряет энергию, радиус его орбиты уменьшается. Следовательно, электрон не может вращаться по орбите постоянного радиуса. Расчёты показывают, что в результате уменьшения радиуса орбиты из-за излучения электрон должен был бы упасть на ядро за стомиллионную долю секунды. Этот вывод резко противоречит нашему ежедневному опыту, который свидетельствует об устойчивости атомов.
     Итак, существует противоречие между данными о строении атома, полученными из эксперимента, и между основными законами механики и электричества, также найденными на опыте.
     Но не следует забывать, что упомянутые законы найдены и проверены в экспериментах с телами, содержащими большое количество электронов, большое количество атомов. Мы не имеем основания считать, что эти законы применимы к движению отдельного электрона в атоме. Более того, расхождение между поведением электрона в атоме и законами классической физики указывает на неприменимость этих законов к атомным явлениям». («Элементарный учебник физики» под редакцией Г.С.Ландсберга том 3 стр. 439-440 «Наука» 1966г.)

     На неприменимость законов «классической» физики в микромире можно ответить, что все явления макромира складываются из совокупности явлений микромира, и вряд ли существуют физические законы отдельные для этих миров. Да и где тогда расположена граница, на которой перестают действовать одни законы, и начинают действовать совершенно другие?

    «Ядерная модель атома в сочетании с классической механикой и электродинамикой оказалась неспособной объяснить ни устойчивость атома, ни характер атомного спектра. Выход из создавшегося тупика был найден в 1913 году датским физиком Нильсом Бором, правда, ценой введения предположений, противоречивших классическим представлениям. Допущения, сделанные Бором, содержатся в двух высказанных им постулатах.

1. 1. Из бесконечного множества электронных орбит, возможных с точки зрения классической механики, осуществляются в действительности только некоторые дискретные орбиты, удовлетворяющие определённым квантовым условиям. Электрон, находящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что он движется с ускорением, не излучает электромагнитных волн (света).

2. 2. Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии ħω при переходе электрона из одного стационарного (устойчивого) состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается квантовый скачок электрона.»

                      (И.В.Савельев «Курс общей физики» том 3 стр.55 «Наука» 1979г.)

 

     Рассматривая первый постулат Бора можно сказать, что в нём содержится противоречие. Если электрон движется по орбите с ускорением, то он постоянно увеличивает свою скорость. За измеримый промежуток времени он достигнет максимальной скорости – скорости света в вакууме. А тогда он не сможет двигаться с ускорением. По этому постулату выходит, что скорость электрона не имеет ограничения, то есть может стремиться к бесконечности, что противоречит опытным данным. Скорее можно было бы предположить, что на разрешённых орбитах электрон в атоме движется с неизменной скоростью, то есть ускорение отсутствует. И именно поэтому он и не излучает электромагнитных волн.
    

     При появлении квантовой механики сразу возникла и ортодоксальная квантовая логика, которая напрямую запрещает поиск наглядных моделей поведения квантовых объектов, аргументируя это тем, что всё что можно представить несёт на себе отпечаток макромира, неприменимого в микромире.
     Но так ли невозможно построить наглядную модель атома, непротиворечущую законам «классической» физики? Может быть попробуем?

     Итак, существует два связанных между собой противоречия с законами «классической» физики:

1.Существование избранных «разрешённых» орбит

2.Устойчивость атома

     На не «разрешённых» орбитах законы «классической» физики не нарушаются – электроны на них не задерживаются. Для существования «разрешённых» орбит необходимо условие – неизменная скорость электрона на орбите, то есть отсутствие ускорения. Если это условие будет найдено, то оба противоречия сразу исчезнут.

     Для того чтобы разобраться в этом вопросе рассмотрим атом водорода. Какие силы действуют на электрон, во время движения вокруг ядра?

1.Кулоновское притяжение зарядов

2.Сила гравитации

     Сила гравитации на много меньше кулоновского притяжения, и соответственно играет меньшую роль в атоме. Так как обе эти силы действуют в одном направлении, следовательно, они складываются. Ядро притягивает электрон, но и электрон притягивает ядро. Из-за разницы масс двигаться будет в основном электрон. Его движение мы и рассмотрим. Пока наличие этих сил ничего не объясняет. Более того, встаёт новый вопрос – почему электрон, при возникновении атома водорода, вместо того чтобы двигаться к ядру, начинает вращаться вокруг него?

     Теперь представим себе движение электрона вокруг ядра. Рассматривая движение отдельного электрона, можно сказать, что его движение направленно, куда бы он ни двигался. Вспомним формулировку электрического тока: электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. Электрон в атоме движется? Движется. Направленно? Так как мы рассматриваем один электрон, то конечно направленно. Он является заряженной частицей? Является. Следовательно, движение электрона вокруг ядра – это и есть электрический ток. А вспомнив, что электрический ток всегда создаёт вокруг себя магнитное поле можно представить, что движущийся электрон окружён магнитным полем, причём напряжённость этого поля убывает с расстоянием. Это магнитное поле распространяется в вакууме внутри атома. От чего зависит магнитный поток вокруг движущегося электрона? Он зависит от скорости движения электрона.

     К такому выводу можно прийти и другим путём. Мы знаем, что электрический ток в металлах обусловлен направленным движением электронов. Мы также знаем, что вокруг проводника с током всегда возникает магнитное поле. Не логично ли предположить, что если совокупность двигающихся направленно электронов создаёт вокруг себя магнитное поле, то и один электрон при движении создаёт магнитное поле вокруг себя? Ведь все явления макромира создаются из совокупности явлений микромира.

     Такое предположение не выглядит чем-то безумным. Давайте предположение о наличии магнитного поля вокруг движущегося электрона назовём нашим предположением и будем дальше в рассуждениях так его и называть. Попробуем посмотреть, какие изменения и расхождения с общепринятой теорией могут возникнуть при рассмотрении устойчивости атома и других физических явлений.

     Если движение электрона вокруг ядра – это и есть электрический ток, то посмотрим, какие новые силы появятся в нашей модели атома.

3. Электродвижущая сила самоиндукции

     Ток самоиндукции направлен так, что он препятствует изменению величины тока, вызывающему процесс индукции.

     Электрон в атоме испытывает ускорение, при этом возрастает его скорость, а следовательно и магнитный поток вокруг него. Изменение магнитного потока вызовет ЭДС самоиндукции, которая будет направлена противоположно причине его вызвавшей, то есть противоположно силам, вызывающим ускорение. При условиях, когда ЭДС самоиндукции будет уравновешивать силы, вызывающие ускорение электрона в атоме (кулоновское притяжение зарядов и силу гравитации), возможно устойчивое состояние атома. На запрещённых уровнях это условие не выполняется, а на разрешённых выполняется. Тут может возникнуть вопрос, если силы компенсируют друг друга, то почему электрон остаётся на своей орбите? Дело в том, что силы притяжения (кулоновское притяжение зарядов и сила гравитации) действуют постоянно, а ЭДС самоиндукции появляется только при попытке изменить скорость электрона. Вот и получается, что электрон не может покинуть свою орбиту без получения энергии извне, так как это не дают сделать силы притяжения. Но и уменьшить свою орбиту, и приблизится к ядру он тоже не может, так как при попытке ускорения электрона, возникающая при этом ЭДС самоиндукции уравновешивает силы притяжения. Тогда получается, что атом не только устойчив, но и сблизиться электрон и ядро не могут ближе низшего (электрон не возбуждён) разрешённого уровня.

     Итак, атом устойчив когда силы действующие на вращающийся по орбите электрон уравновешивают друг друга, и тогда ускорение отсутствует. Но остался вопрос почему при возникновении атома водорода из отдельных протона и электрона, электрон начинает вращаться вокруг протона, а не сталкивается с ним?

4. Сила Лоренца (электрон – заряженная частица и движется в магнитном поле им же созданном)

     Возникает вопрос, действует ли сила Лоренца при движении на электрон при отсутствии стороннего магнитного поля? Рассмотрим движение электрона в вакууме. Мы предположили, что при движении электрона вокруг него возникает магнитный поток. Тогда как происходит взаимодействие между электроном и магнитным потоком? Магнитные силовые линии всегда замкнуты. Может быть, они проходят через электрон и замыкаются через окружающее его пространство? Тогда на выходе и на входе магнитных силовых линий у электрона образуются магнитные полюса. Мы знаем, что сила Лоренца, действующая на электрон, движущийся в магнитном поле, перпендикулярна к направлению движения электрона и к силовым линиям стороннего магнитного поля. Теперь предположим, что сила Лоренца действует и без наличия стороннего магнитного поля. Тогда остаётся только условие перпендикулярности к направлению движения электрона. Этому условию удовлетворяет целая плоскость, и тогда направление силы Лоренца зависит от расположения полюсов, которые тоже будут перпендикулярны движению электрона (прямая проведённая через полюса электрона будет перпендикулярна направлению его движения). Не зная расположение магнитных полюсов, мы не знаем в какую сторону направлена сила Лоренца. Теперь включим стороннее магнитное поле. Тогда будут взаимодействовать именно магнитные поля. Развернуть макроскопический магнит электрон не в силах, зато легко может развернуться сам и тем самым упорядочить свои полюса с полюсами стороннего магнитного поля. Сила Лоренца продолжает действовать, но зато теперь мы знаем её направление и движение электрона теперь предсказуемо.

     Если движется не один электрон, а их пучок, то электроны при движении будут расходиться в разные стороны, а пучок увеличиваться в размерах. Так будет происходить потому, что при движении в одном направлении, у электронов в пучке может быть разное расположение магнитных полюсов, и тогда направление силы Лоренца у каждого электрона будет своё. Всё меняется при включении стороннего магнитного поля. Электроны разворачиваются так, чтобы их магнитные полюса упорядочились с полюсами стороннего магнитного поля. И тогда направление силы Лоренца у всех электронов будет в одну сторону. Пучок электронов будет сдвигаться целиком, а увеличиваться в размерах не будет (при условии одинаковой скорости электронов). Данные рассуждения не противоречат опытным фактам, и поэтому можно принять в качестве предположения то, что сила Лоренца действует на двигающуюся заряженную частицу и без наличия стороннего магнитного поля.

     Что же нам может дать сила Лоренца? Сила Лоренца сдвигает направление движения электрона в сторону по орбите, и тогда при его вращении вокруг ядра орбита представляет собой не плоский круг, а трёхмерный шар. Почему сила Лоренца будет действовать именно в сторону, а не к ядру или от него? Потому что при таком расположении полюсов возникнет попытка изменения размера орбиты и тогда скорость электрона должна уменьшиться или увеличиться, чему будет препятствовать ЭДС самоиндукции. Магнитные полюса электрона развернутся так, чтобы ЭДС самоиндукции не возникала.

     Теперь мы готовы рассмотреть возможность возникновения атома водорода из отдельных протона и электрона с точки зрения законов «классической» физики. Итак, протон и электрон, под действием электрического поля и сил гравитации начали сближаться. Из-за большой разницы в массах в основном будет двигаться электрон. Его движение мы и рассмотрим. Из опыта мы знаем, что в конечном итоге получиться атом водорода, то есть электрон будет вращаться вокруг ядра. Как же так? Какие силы превратят прямолинейное движение в движение по сферической орбите? Кулоновское притяжение зарядов и сила гравитации сложатся и действуют прямолинейно, сближая частицы. ЭДС самоиндукции, по мере увеличения скорости будет увеличиваться, и соответственно уменьшать ускорение, но полностью компенсировать его не сможет. А что же делает сила Лоренца? Именно она будет смещать направление движения электрона в сторону, сначала немного, но по мере увеличения скорости всё сильнее и сильнее (помним, что силы действующие на электрон являются векторными величинами, и тогда можно рассматривать электрон, имеющий определенную скорость и направление движения в пространстве, и воздействующую на него результирующую силу, величина и направление которой складывается из всех действующих на него сил). И вот в какой то момент выполняется условие, когда ЭДС самоиндукции и силы вызывающие ускорение станут равны. Тогда электрон будет вращаться с постоянной скоростью по орбите одного радиуса. Силы, вызывающие ускорение и ЭДС самоиндукции, будут компенсировать друг друга, а сила Лоренца будет сдвигать электрон перпендикулярно направлению движения и перпендикулярно силам притяжения, то есть создавать объёмность (трёхмерность) атома. Наше предположение хорошо согласуется с фактами. В конечном итоге мы и имеем атом водорода.

     Теперь мы можем сказать, что устойчивость атома и существование избранных «разрешённых» орбит не противоречат законам «классической» физики. Более того, существование низшего энергетического уровня, ближе которого в обычных условиях электрон и ядро сблизиться не могут, тоже получает объяснение. После вышеописанных размышлений может возникнуть вопрос, почему при рассмотрении явлений микромира с точки зрения «классической» физики совсем не учитываются магнитные явления? Совершенно непонятно. Более того, квантовая механика тоже практически не учитывает магнитные явления в микромире. Такой подход кажется совершенно не обоснованным.