научная статья по теме «РОЖДЕНИЕ» АТОМА Науковедение

Текст научной статьи на тему ««РОЖДЕНИЕ» АТОМА»

Смирнов О.Г., кандидат технических наук

«РОЖДЕНИЕ» АТОМА

Рассматривается проблема образования атома и возможность определения его размеров.

1. Атомной физике посвящено большое число монографий и статей, но проблему образования атома обычно обходят молчанием [1], [2], [3].

Проблемой строения атома занимался английский физик Дж.Дж. Томсон. У него вещество равномерно разназано по всему объему атома (1903).

Э. Резерфорд (ученик Дж.Дж. Томсона) предложил в 1910 г. ядерную (планетарную) модель атома, в которой между электронной оболочкой и ядром пустота. По Резерфорду положительно заряженные ядра имеют размер 10-14- 10-15 м и массу, практически равную массе атома. В областях с линейными размерами порядка 10-10 м по замкнутым орбитам движутся электроны, но как они появляются на орбитах осталось неясным.

Эмпирическая формула для вычисления радиуса ядра имеет вид

Яя = ЯА , (1)

Где А - количество протонов и нейтронов в ядре; Яо = (1,2 - 1,7) • 10-15 м.

Разные источники дают большой разброс значений Яо . «Молчаливо» под Яо понимается радиус протона Яр. В [4], [5] нами вычислено Яр ~ 1,38 • 10-15м.

Считается, что в модели Резерфорда электроны будут приближаться к ядру и упадут на него (нами подсчитано [6] - это может произойти через миллионы лет). Такая неустойчивая система смущала физиков. Была создана квантовая теория атома.

2. Первая попытка построить квантовую теорию атома принадлежит датскому физику Н. Бору (1913).

Согласно Бору, ограничиваясь стационарными орбитами, было получено выражение для радиуса п-й стационарной орбиты водородоподобной системы (с одним электроном).

---

гг= кт^** (2)

где п = 1,2,3...; к - коэффициент пропорциональностив законеКулона; Й - постоянная Планка; те - масса электрона; Е - количество протонов в ядре; е - элементарный заряд.

Первый (основной) боровский радиус (п=1) для атома водорода (2=1) К>= 5,2917706-10"пм. Поскольку этот радиус измерить невозможно - были измерены величины энергии, излучаемой и поглощаемой атомами водорода. Можно считать, что для нормальных условий справочное значение величины г0является достоверной. (В [6], [7] доказано, что величина постоянной Планка зависит от температуры и справочное значение этой величины соответствует Т=293К(20оС)).

Отметим, что в многоэлектронном атоме [6], [7] устойчивость движения электронов обеспечивается равномерным распределением их на круговой орбите (некоторый аналог -

кольца Сатурна). Поэтому в формуле (2) надо вместо Е подставить / (Е) • Е , где / (Е) = 1

только для Е=1 (атом водорода). При Е > 1 очевидно / (Е) < 1 (сила притяжения электронов к ядру уменьшается). Простые расчеты дают:

Е=2, / (Е)=0,875; Е=4, / (Е)=0,7607; Е=6, / (Е)=0,6954; Е=12, / (Е)=0,5847; Е=24,

/ (Е)=0,4658; Е=48, / (Е)=0,336; Е=72, / (Е)=0,208; Е=92, / (Е)=0,102. Для других значений Е величину / (Е) можно найти по интерполяции.

3. Развитие квантовой механики привело к отказу от электронных орбит. Возникло понятие - «электронное облако» и вероятность нахождения электрона в различных точках объема атома. Было доказано, что «первый боровский радиус является наиве-роятнейшим расстоянием электрона до ядра в атоме водорода» [3].

В космическом пространстве движутся протоны, электроны и ядра более тяжелых элементов. А как образуются атомы? Частицы могут как ускоряться, так и замедляться в своем движении. Могут останавливаться под воздействием внешних сил и начинать движение в обратном направлении. При этом скорость движения электрона к протону составит [6].

ие2СЬ) = 2кПМЬ , (3)

Где г0- расстояние до центра протона.

Можно предположить, что по аналогии с ядерными силами существуют атомные силы, способные помешать столкновению электрона с ядром атома, обеспечивая неупругое взаимодействие (электрон останавливается на некотором расстоянии г0от протона). В [4] мы считали, что пространство между электронной оболочкой и ядром заполнено «ядерной пылью», сгущающейся к ядру.

В этом случае при большом давлении электрон может объединиться с протоном, образуя нейтрон (нейтронные звезды).

Теперь становится понятным «рождение» атома. Атомные силы, также как и ядерные силы, могут удерживать электроны на некотором расстоянии от ядра. Протон может удержать только один электрон, образуя атом водорода. В других элементах количество удерживаемых электронов будет равно Е (число протонов и ядре атомов). Электроны «плавают» в атомном поле. Решение многих проблем атомной физики упрощается.

4. Определение размеров атомов проводится различными приближенными методами [3]. Здесь мы предлагаем простое решение проблемы. Атомные силы пропорциональны

числу / (Е) • Е , а размеры атомов в основном состоянии в вакууме пропорциональны этим силам

Ъ £ /*,£]Яг*

гв = Ра = га (4)

Откуда

^ = (5)

Расстояние между атомами пропорционально силам тяготения

й тг1 г™ Е^йГ!

Откуда

^ та

г

Я= к

В (7)Я = 0,621 м - радиус шара объема 1м ;

- расстояние между центрами ближайших атомов в радиальном направлении. т - масса шара объемом 1 м3 (плотность вещества, учитывающая внешнее давление); то - масса атома.

5. Приведем конкретные примеры расчета.

(6)

(7)

Гелий 2 Не . По формуле (5), где та - боровский радиус

гкг - Чп^г' £ - 0,63766 • 10-10м (радиус атома гелия)

12

Углерод 6 С

1*

Азот У N

Кислород а О

- ^^ г - 0.0:: -10

м

- ■■ ■Л.--:-. ■ ■■ - ■ -10

м

-10

м

Вода Н20 («* = 2*91435732В7 ■ 10 "27КГ; ш=1000кгв 1м3) По формуле (7)

Посо

Л-10

Я= \ = 0,322 1г Д=0,621мг = 1,93-10 "м Здесь г - расстояние между центрами близлежащих молекул воды; Я - радиус шара объемом 1м3.

27 и ^

Алюминий 13 А1 (ш0 = 26,98154а.е.м = 44,803892165-10 кг, ш= 2700кг в 1м3).

0621

К = ч »Л, = 0,392 ■ 10 10г Т " 0,39* ■ № = 1,584-Ю"10м.

(Расстояние между центрами близлежащих атомов алюминия).

0

м

' А1= * ' ^ = 1,03 ' Ю "10м (Радиус атома алюминия).

56

Железо 26 Бе (ш0 = 55,847а.е.м = 92,7361064543-10"27кг,

т = 7900кг в 1м3).

V- =

0621

= о 44 ' 10г (Ш- 101е =141-10

10

м.

г, 2Ь ,21 ■ 10

-10

м.

59

Никель23 № (т0 = 58,71а.е.м = 97,4902288383-10"27кг, т = 8900кг в 1м3). . £

1&920

&621

к= =0,4503 ■ Ю Г Л48И-Ю1С = 1,379-Ю-10м

г№=,!-ДЖЗ! = 1,222-10

-10

м.

Медь Си(т0 = 63,546а.е.м = 105,520594136-10"27кг, т = 8960кг в 1м3).

* &96-0

0&21

ч = о 44 ■ 10 10г ' =141-10

10

м.

^ си= ■ 24 = 1 2272 ■ Ю "10

м.

га

Цинк 50 гп(т0 = 65,38а.е.м = 108,566022167-10"27кг,

т = 7100кг в 1м3).

г

I 71СО

^^ =0,403-10 10г ■ =1,541-Ю"10

м.

г 7 = 35 = 1 23-10

-10

м.

103

Серебро <*? Ае(т0= 107,868а.е.м= 179,118991727-10"27кг.

т = 10500кг в 1м3).

10500

0,621

к= ^ = о,388 ■ Ю 10г 1 ' 0,335.= 1,6005-10"

10

м.

г д^ъ'ДО*.4,7 = 1,3335 -И»

-10

м.

119

Олово 50 8п(т0 = 118,69а.е.м = 197,089341863-10"27кг, т = 7300кг в 1м3).

73РФ

- , _

Й621

Ю 10г Г " 03345 ■ Ю™

Я = ^ =0,3345 г 8п= 50 = 1,3404 ■ 1® "10

= 1,8565-10-10м.

м.

Вольфрам ?4 W(m0 = 183,85а.е.м = 305,29004551-10"27кг.

т = 19300кг в 1м3).

19300

г =

&.К1

я= ^ =0,398'10 10г 039911Р15 = 1,5603-10

-10

м.

= 1,295-10

10

м.

19&

Платина 78 К(т0 = 195,09а.е.м = 323,95400835-10"27кг, т = 21450кг в 1м3).

1'21450

Я= 1( ^ = 0,405 ■ 10 10г = 1,533-Ю"10

м.

г ъ'Т&ДО-Т» = I 2717 ■ 10 "

10

м.

Золото 79 Аи(ш0 = 196,9665а.е.м = 327,070501762-10"27кг, т = 19300кг в 1м3).

м.

г3"'

^ =о,389 -10 10г Г ВДЮ = 1,596-Ю"10

^ Аи= ^'даз ■ 7й = 1 2653 'Ю "10

м.

207

Свинец 82 РЬ(т0 = 207,2а.е.м = 344,063624856-10"27кг, т = 11300кг в 1м3). П

11300

г =

0,621

Я= ^ =0,3203-10 10г 0,3203 ■ 10^=1939-10

-10

м.

? РЬ= гЛ еды- аг = 1,2351 - ю -10м.

6. В справочниках [8] приводится значение классического радиуса электрона г е= 2,817940285-10-15м. В [4] мы привели расчет этого радиуса. В [9] и [10] сделана попытка обосновать другую величину г е= 10"13м, что явно сомнительно.

Дается к научной литературе [11] и другая оценка - г е= 10"19м.Мы предлагаем вычис-

лять радиус электрона по формуле аналогичной (7).

Г р= 2'Г" е * " , (8)

Где г р= 1,38-10"15м ; шр= 1,67262158-10"27кг; ше= 9,10938188-10"31кт.

1Т и

Здесь радиус электрона е= 5,52-10" т. В данный момент эту величину можно считать

наиболее реальной.

7. В пункте 5 мы вычислили расстояние г между центрами близлежащих атомов в радиальном направлении по формуле (7), учитывающей внешнее давление (плотность вещества в земных условиях) и плотную упаковку атомов [1].

Радиусы атомов т хвычислялись по формуле (5) для основного (нормального) состояния в вакууме. При внешнем давлении эти радиусы могут уменьшаться. Радиус атома водорода в возбужденном состоянии (п>1)

Г н(п) = п2г о. (п=1;2;3...) (9) Радиус многоэлектронного атома в возбужденном состоянии

гм-^:^ (ю)

Соответственно изменятся энергетические уровни.

8. Второй закон Ньютона для электронов (в многоэлектронном атоме), движущихся по окружности (в составе кольца) под действием кулоновской силы, имеет вид

к # = (11)

или

= к (12) Полная энергия электрона в многоэлектронном атоме с учетом (12)

А 2

Е= = - к (13)

Учитывая (10)

Е„=--к , (п=1,2,3,...) (14)

где знак минус означает, что электроны находятся в связанном состоянии.

Энергетическое состояние с п=1 является основным (нормальным) состоянием, а состояния сп>1 являются возбужденными.

Согласно постулату Бора, при переходе атома из стационарного состояния п в стационарное состояние т с меньшей энергией испускается квант

1/т"3 >

Ьу= Еп-Ет= - к Откуда частота излучения

( -

(15)

у = к гЛга (- , (16)

В (16) величина

к2*гв

является постоянной Ридберга.

Если, например, в формулу (16) подставить т=1 и п=2,3,4,..., получим группу линий, соответствующих переходам электронов с возбужденных уровней (п= 2,3,4,...) на основной т=1.

Мы получили простое решение для многоэлектронного атома. Многолетние попытки квантовой физики решить проблему с помощью уравнения Шредингера не дали результата, т.к. это уравнение в данном случае не имеет решения [3].

Литература

1. Барсуков О.А. Ельяшевич М.А. Основы атомной физики. -М.: Научный мир, 2006.-648с.

2. Матвеев А.Н. Атомная физика. 2-е изд.- М.: ООО «Изд.Оникс»: ООО «Изд. Мир и Образование», 2007.-432с.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Науковедение»