Как вращаются электроны вокруг ядра

Новое в блогах

Электрон не вращается вокруг ядра

Классическая физика непадение электрона на протон объясняет вращением электрона вокруг ядра. Однако такое объяснение на поверку оказывается несостоятельным. Классическое объяснение связано с равенством силы электростатического притяжения двух разноименных зарядов и центробежной силы, возникающей при вращении тела. Для водорода должно выполняться соотношение, приводимое во всех учебниках:

После сокращения одного r получаем простую зависимость mv 2 = e 2 / r

В исходной зависимости центробежная сила и сила кулоновского притяжения зависят от расстояния между зарядами в обратной зависимости. Равенство указанных сил естественно возможно, но после сокращения указанное равенство с очевидностью оказывается неустойчивым. Стоит расстоянию между протоном и электроном чуть уменьшиться, как сила электрического притяжения превысит центробежную силу, что приведет к еще большему уменьшению расстояния. И наоборот, достаточно расстоянию между зарядами увеличиться, и центробежная сила превысит силу электрического притяжения, электрон оторвется от протона. Равновесие на основе указанных формул оказывается крайне неустойчивым, поэтому такое объяснение непадения электрона на протон превращается в фикцию.

Вращение электрона даже чисто математически не позволяет объяснить причину его непадения на ядро. Тем не менее, это «объяснение» по-прежнему преподают школьникам и студентам.

С вращением электрона вокруг ядра возникают и другие не стыковки:

Во-первых, непонятно, как совмещаются вращения множества электронов вокруг одного ядра. Они же неизбежно будут сталкиваться друг с другом.

Во-вторых, химиками установлено, что химическая связь атомов имеет направленный характер. Как возможна направленная связь, если все электроны вращаются вокруг ядра? В таком атоме невозможно выделить какое-либо привилегированное направление, но оно должно быть выделено, поскольку в реальности атомы в молекулы соединяются строго под определенными углами.

В-третьих, скорость вращения электрона вокруг ядра зависит от числа протонов в ядре. Как в молекуле, составленной из разных атомов, с разным количеством протонов, электрон может перемещаться по одной и той же орбите, если скорость движения этого электрона должна быть разной на разных участках орбиты?

В-четвертых, вращение электрона сопряжено с ускорением, а ускоренно движущийся заряд должен излучать фотоны, но электрон не излучает.

В реальности электрон не вращается вокруг ядра. Да ему и не нужно вращаться. Правда, возможность стационарного местоположения электрона в атоме и не падение при этом на протон не так просто, но возможно

В квантовой физике вопрос о вращении (или не вращении) электрона попросту замяли и тщательно замаскировали. Электрон переименовали в орбиталь, размазали его по пространству, придали ему вероятностную интерпретацию. А тех, кто вздумал сомневаться в вероятностной интерпретации частиц, обвинили в недостаточной компетентности и сообразительности. Ну, чисто по мотивам сказки Г.Х. Андерсена про платье голого короля.

Только вот вышла незадача. Частицы не являются «вероятностными», они вполне определенны и стабильны, а все случайности могут проявляться лишь по причине специфики способа доступа к ним.

Биологические организмы наглядно демонстрируют, что в живой клетке без всяких проблем происходят управляемые процессы с электронами и протонами (ионами водорода), и этим процессам глубоко наплевать на придуманные людьми матрично-волновые функции и операторы с вероятностной интерпретацией участвующих в них переменных.

Источник

Тайна вечного движения электронов

Posted on 18/03/2014

Тайна вечного движения электронов

Мы все знаем, что тела состоят из атомов. И атомы состоят из ядра (протоны, нейтроны и т.д.) и вечно движущиеся электроны вокруг атомного ядра. В течение долгого времени не находил ответа на вопросы: «Почему электроны вращаются?» и «Откуда они забирают необходимую энергию для вечного движения?». Я хотел проникнуть в сущность, чтобы понять «Почему?» и «Откуда?», вопросы, на которые современная наука не имеет ответа. Я надеялся, что разгадка этой проблемы будет способствовать созданию экологически чистых, неограниченно источников энергии. На самом деле не получилось так, гораздо проще (имеется в виду, откуда берется энергия необходимой для вечного движения электронов). Постараюсь ответить на эти вопросы максимально кратко и ясно.

„Самым поразительным и непривычным для нас является то, что это движение никогда не прекращается. Мы ведь привыкли к тому, что любое движущееся тело рано или поздно останавливается” стр. 11[1]. Некоторые физики говорят, что «электроны вращаются вокруг ядра без потерь, в соответствии с первым законом Ньютона». Этот закон относится только к телам, которые движутся в абсолютном вакууме, а поскольку абсолютный вакуум не бывает, значит, что этот закон бесполезен. Известно, что в природе не существует движение без потерь.

„Мы показали, что электрон, как планетарная модель, движется по круговой орбите под действием сил притяжения и электростатических” стр. 59[2]. Или: „Прежде всего, следует выяснить, под действием каких причин электрон может обращаться по устойчивой круговой орбите. В принципе таких причин две : сила гравитационного и сила кулоновского притяжения электрона к ядру. Они-то, видимо, и выполняют функции центростремительной силы, необходимой для кругового движения” стр. 329[3]. В этом случае дается и величина этих сил.

Гравитационная сила:

Лично я не согласен с этой „теории”, потому что вектор этих сил расположен перпендикулярно движения электронов. Следовательно, сила перпендикулярно траектории не может выполнять работу. Выходит, что эта „теория” является ложным.

Делая тщательного научного анализа, мы пришли к выводу, что скорость движения электронов варьирует. Причину вариации этой скорости открыло мне тайну, что существует прямая связь между движения электронов и температуру тела. Таким образом, мы обнаружили, что чем выше значение температуры тело, тем выше и скорость движения электронов на орбите. Но, что это такое температура?

Современная теория говорит нам, что: „Температура – мера средней кинетической энергии молекул” стр. 74[4]. Я считаю, что не правильно использовать слово «молекула», потому что наука XX века пролила свет в этой область, тем более что между молекулами и электронов огромная разница: „Расщепление молекулы в атомы называется химическая реакция разложения” стр. 38[5].

Формулировки понятия температуры являются неправильными, потому что наблюдается поверхностный подход к этой теории. Формулировки, на которые базируется физика, должны быть сформулированы максимально точно и полностью, чтобы раскрыть сущность. Поэтому я предлагаю новую формулировку: температура – физическая величина, которая характеризует косвенно скорость движения электронов вокруг атомного ядра.

Я хочу подчеркнуть, что существует два вида внутренней тепловой энергии, а именно:

Вращательное движения электронов вокруг атомного ядра и есть переменная внутренняя тепловая энергия. Эту энергию тела получают непрерывно из окружающей среды, согласно законом равновесия. Переменная внутренняя тепловая энергия тел бесконечно варьирует (получают – отдают) от одного значения к другому (min. ÷ max.) в зависимости от температуры окружающей среды.

Тепловая энергия, которая образуется в результате химических реакций [энергия слабых сил (f. s. – низкотемпературных реакций: сжигания древесины, угля, нефти, природного газа и т.д.) и энергия сильных сил (f. t. – высокотемпературных реакций: ядерные и термоядерные реакции)] а именно, превращении материи из одного агрегатного состояния в другой и есть постоянная внутренняя тепловая энергия – удельная теплота сгорания. Значения величины этой энергии зависит только от химического строения данного тела, в котором хранятся эта внутренняя сила – потенциальная энергия.

Из повседневного опыта мы знаем, что тела бывают горячие и холодные. При контакте этих тел, горячих и холодных, со временем будет устанавливаться тепловое равновесие, в соответствии с законом природы: закон равновесия, который гласит: между различными компонентами всегда будет установиться равновесие под действие каких-то сил. Например: двух тел с разными температурами, двух тел с разными электрическими потенциалами, два сосуда с водой, которые связаны между собой тонкой трубой с краном, при открывании крана уровни воды станнит ровными и т.д. Эти явления настолько банальны, что не был сформулирован в письменном виде этот закон. Но если мы будем следовать американскому опыту, который вел условия продажи кофе с указанием температуры жидкости на чашки, тогда формулирование в письменном виде закона равновесия намного важнее. Тем более что этот закон дает ответы на очень сложные вопросы, вопросы, не подающиеся понятию. Именно этот закон объясняет: «Почему электроны вращаются?» и «Откуда они забирают необходимую энергию для вечного движения?».

Следовательно, «теория» движения (вращения) электронов вокруг атомного ядра под действием сил притяжения (электростатических, кулоновских) не является правильным. Движение электронов вокруг атомного ядра происходит под действием внешней силы (Солнце, тепловых источников, и т.д.).

„Величайшая революция в физике совпала с началом XX века. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения (электромагнитного излучения нагретого тела) оказались несостоятельными. … Электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному выводу, согласному которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Согласно классической теории тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако, повседневный опыт показывает, что ничего подобного в действительности нет. Нагретое тело не расходует всю свою энергию на излучение электромагнитных волн” стр. 144[9].

Аргументирую: утверждение физиков что «нагретое тело не расходует всю свою энергию на излучение электромагнитных волн» подсказывает нам о интеллектуальном поведении вещества – тело «знает» сколько энергию тратить на излучение электромагнитных волн и сколько энергии зарезервировать для её выживания – явная глупость.

Но физик-теоретик Макс Планк выбрал другой способ объяснить это явление, а именно: „В поисках выхода из этого противоречия между теорией и опытом немецкий физик Макс Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами. Энергия E каждой порции прямо пропорционально частоте излучения: … Предположение Планка фактически означало, что законы классической физики неприменимы к явлениям микромира. … Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась теория излучения. Но этот успех был получен ценой отказа от законов классической физики применительно к микроскопическим системам и излучению” (?!) стр. 144[11].

Если принять во внимание определение температуры, то будет очевидна абсурдность «теории» Планка: „Планк, сделав предположение – казалось очень странное в то время даже Планку – что излучение электромагнитной энергии может испускаться только отдельными порциями определенных размеров, которые он назвал квантами” стр. 340[12].

„Известно, что всякое ускоренное движение заряженных электрических частиц сопровождается излучением электромагнитных волн. Круговое движение представляет как ускоренное движение, поэтому электрон из атома должен испускать электромагнитные волны с частотой равной частоте вращения его вокруг атомного ядра. И это, в конечном итоге, должно привести к снижению энергию электрона, приближении его постепенно к ядру, и, в конце падения его на атомное ядро. Таким образом, атом, построенный на атомное ядро и электроны, которые вращаются вокруг него, является неустойчивым, согласно с законами классической физики. Он может существовать короткое время, когда электроны используют всю свою энергию для излучения, а потом упадут на ядро. Однако, в действительности атомы являются устойчивы” стр. 277[14]. Повторяю: «теория про устойчивые атомы» является не правильной, потому что она ведет к бессмысленному выводу, а именно: разумное вещество (материя) – тело «знает» сколько энергию тратить на излучение электромагнитных волн и сколько энергии зарезервировать для её выживания – явная глупость.

Законы классической физики являлись правильными: атомы являются неустойчивы. Аргументирую: в действительности электроны используют всю свою энергию для излучения в течение короткого времени, а потом упадут на ядро, если они не будут забирать (!) энергию из окружающей среды в согласии с закона равновесии. Электроны не падают на ядро, потому что данное тело находится в среде, где значении температуры отличается от абсолютного нуля, т. е. электроны непрерывно питается кинетической энергии (тепло) из окружающей среды.

Ion GABAREV изобретатель, научный исследователь – самоучка.

[1] G. I. Miakişev, B. B. Buhovţev, FIZICA, Manual pentru clasa a X-a a şcolii medii, Ediţia a II-a, Editura “Lumina” Chişinău – 1995.

[2] D. Ciobotaru T. Angelescu I. Munteanu M. Melnic M. Gall, FIZICĂ, Manual pentru clasa a XII-a, Editura didactică şi pedagogică, Bucureşti 1990.

Источник

Как работают атомы

Что удерживает электрон в атоме на орбите атомного ядра?

На первый взгляд, особенно если смотреть на мультяшную версию атома, описанную мною ранее со всеми её недостатками, электроны, двигающиеся по орбите вокруг ядра, выглядят так же, как планеты, двигающиеся по орбите вокруг Солнца. И вроде бы принцип этих процессов одинаков. Но есть подвох.

Что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца? В Ньютоновской гравитации (Эйнштейновская сложнее, но тут она нам не нужна) любая пара объектов притягивается друг к другу посредством гравитационного взаимодействия, пропорционального произведению их масс. В частности, гравитация Солнца притягивает к нему планеты (с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. То есть, если расстояние уменьшается вдвое, сила увеличивается вчетверо). Планеты тоже притягивают Солнце, но оно настолько тяжёлое, что это почти не влияет на его движение.

Инерция, тенденция объектов к перемещению по прямым линиям в случае отсутствия действия на них других сил, работает против гравитационного притяжения, и в результате планеты двигаются вокруг Солнца. Это видно на рис.1, где изображена круговая орбита. Обычно эти орбиты эллиптические – хотя в случае планет они почти круглые, поскольку так формировалась Солнечная система. Для различных мелких камней (астероидов) и глыб льда (комет), двигающихся по орбитам вокруг Солнца, это уже не так.

Сходным образом все пары электрически заряженных объектов притягиваются или отталкиваются друг от друга, с силой, тоже обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Но, в отличие от гравитации, которая всегда притягивает объекты вместе, электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать. Объекты, обладающие одинаковыми, положительными или отрицательными зарядами, отталкиваются. А отрицательно заряженный объект притягивает положительно заряженный объект, и наоборот. Отсюда и романтическая фраза «противоположности притягиваются».

Поэтому положительно заряженное атомное ядро в центре атома притягивает легковесные электроны, двигающиеся на задворках атома, к себе, примерно как Солнце притягивает планеты. Электроны тоже притягивают ядро, но масса ядер настолько больше, что их притяжение почти не влияет на ядро. Электроны также отталкиваются друг от друга, что является одной из причин, по которым они не любят проводить время близко друг к другу. Можно было бы считать, что электроны в атоме перемещаются по орбитам вокруг ядра примерно так же, как планеты перемещаются вокруг Солнца. И на первый взгляд, именно так они и поступают, особенно в мультяшном атоме.

Но вот, в чём подвох: на самом деле, это двойной подвох, и каждый из двух подвохов оказывает эффект, противоположный другому, в результате чего они взаимно уничтожаются!

Двойной подвох: как атомы отличаются от планетных систем

Первый подвох: в отличие от планет, электроны, двигающиеся по орбитам вокруг ядра, должны излучать свет (точнее, электромагнитные волны, одним из примеров которых служит свет). А это излучение должно заставлять электроны замедляться и по спирали падать на ядро. В принципе, в теории Эйнштейна существует схожий эффект – планеты могут испускать гравитационные волны. Но он чрезвычайно мал. В отличие от случая с электронами. Получается, что электроны в атоме должны очень быстро, за малую долю секунды, по спирали упасть на ядро!

И они бы так и сделали, если бы не квантовая механика. Потенциальная катастрофа изображена на рис. 2.

Второй подвох: но наш мир работает согласно принципам квантовой механики! А у неё есть свой удивительный и контринтуитивный принцип неопределённости. Этот принцип, описывающий тот факт, что электроны – это такие же волны, как и частицы, заслуживает своей собственной статьи. Но вот, что нам нужно знать о нём для сегодняшней статьи. Общее следствие этого принципа состоит в том, что невозможно знать все характеристики объекта одновременно. Существуют наборы характеристик, для которых измерение одной из них делает другие неопределёнными. Один из случаев – это местоположение и скорость таких частиц, как электроны. Если вы точно знаете, где находится электрон, вы не знаете, куда он направляется, и наоборот. Можно достичь компромисса и с некоторой точностью знать, где он, и с некоторой точностью знать, куда он направляется. В атоме так всё и получается.

Допустим, электрон по спирали падает на ядро, как на рис. 2. В процессе его падения нам всё точнее и точнее будет известно его местоположение. Тогда принцип неопределённости говорит нам, что его скорость будет становиться всё более и более неопределённой. Но если электрон остановится на ядре, его скорость не будет неопределённой! Поэтому он не может остановиться. Если он вдруг попробует упасть вниз по спирали, ему придётся всё быстрее и быстрее передвигаться случайным образом. И это увеличение скорости уведёт электрон в сторону от ядра!

Так что тенденция падения по спирали будет нейтрализована тенденцией к более быстрому движению согласно принципу неопределённости. Баланс находится, когда электрон располагается на предпочтительном расстоянии от ядра, и это расстояние определяет размер атомов!

Если электрон изначально находится далеко от ядра, он будет двигаться к нему по спирали, как показано на рис. 2, и излучать электромагнитные волны. Но в результате его расстояние от ядра станет достаточно малым для того, чтобы принцип неопределённости запретил дальнейшее сближение. На этом этапе, когда найден баланс между излучением и неопределённостью, электрон организует стабильную «орбиту» вокруг ядра (точнее, орбиталь – этот термин выбран, чтобы подчеркнуть, что в отличие от планет, у электрона из-за квантовой механики нет таких орбит, какие есть у планет). Радиус орбитали определяет радиус атома (рис. 3).

Ещё одна особенность – принадлежность электронов к фермионам – заставляет электроны не спускаться до одного радиуса, и выстраиваться по орбиталям разных радиусов.

Насколько атомы крупные? Приближение на основе принципа неопределённости

На самом деле мы можем примерно оценить размер атома, используя только расчёты для электромагнитных взаимодействий, массу электрона и принцип неопределённости. Для простоты проделаем расчёты для атома водорода, где ядро состоит из одного протона, вокруг которого двигается один электрон.

где ℏ — это постоянная Планка h, делённая на 2 π. Обратите внимание, он говорит, что (Δ v) (Δ x) не может быть слишком малым, что означает, что обе определённости не могут быть слишком малыми, хотя одна из них может быть очень малой, если другая будет очень большой.

Когда атом устанавливается в предпочтительном основном состоянии, мы можем ожидать, что знак ≥ превратится в знак

B означает, что «A и B не совсем равны, но и не сильно отличаются». Это очень полезный символ для оценок!

Для атома водорода в основном состоянии, в котором неопределённость положения Δx будет примерно равна радиусу атома R, а неопределённость скорости Δv будет примерно равна типичной скорости V движения электрона вокруг атома, мы получим:

Как узнать R и V? Между ними и силой, удерживающей атом вместе, существует взаимоотношение. В неквантовой физике объект массы m, находящийся на круговой орбите радиуса r, и двигающийся со скоростью v вокруг центрального объекта, притягивающего его с силой F, будет удовлетворять уравнению

где k – константа Кулона, e – единица заряда, c – скорость света, ℏ — это постоянная Планка h, делённая на 2 π, а α – определённая нами постоянная тонкой структуры, равная . Совместим два предыдущих уравнения для F, и оценочное соотношение получается следующим:

Теперь применим это к атому, где v → V, r → R, и m → m_e. Также умножим верхнее уравнение на . Это даёт:

На последнем шаге мы использовали наше соотношение неопределённости для атома, . Теперь можно вычислить радиус атома R:

И это оказывается практически точным! Такие простые оценки не дадут вам точных ответов, но очень хорошее приближение обеспечат!

Источник

Электроны не вращаются вокруг ядра атома

Для электрона невозможно рассчитать траекторию, можно говорить только о шансах того, что он будет находиться в том или ином месте вокруг ядра. Поэтому говорят не об орбитах электрона, а об орбиталях. Так называют пространство вокруг ядра, где вероятность нахождения электрона превышает 95%.

В современных школах проходят и модель Резерфорда с орбитами, и современную модель с орбиталями. Правда, вторая, как более новая, помнится не всем. И на случай, если вы такового не помните — на картинке левее показана схема, как примерно можно себе это представить.

Говорят, что, изобретя эту модель, Резерфорд воскликнул: «Теперь я знаю, как выглядит атом!» Однако вскоре, вслед за воодушевлением, Резерфорд осознал и другое. Вращаясь вокруг ядра, электрон создает вокруг себя переменные электрическое и магнитное поля. Эти поля распространяются со скоростью света в виде электромагнитной волны. А такая волна несет с собой энергию! Получается, что, вращаясь вокруг ядра, электрон будет непрерывно терять энергию и в течение миллиардных долей секунды упадет на ядро.

Разрешить противоречие Резерфорд поручил своему сотруднику, молодому теоретику Нильсу Бору. Поработав два года, Бор нашел частичное решение. Он постулировал, что среди всевозможных орбит электрона существуют такие, на которых электрон может находиться в течение долгого времени не излучая. Электрон может переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом поглощая или излучая квант электромагнитного поля с энергией, равной разности энергий двух орбит. Пользуясь начальными принципами квантовой физики, которые уже были открыты к тому времени, Бор сумел вычислить параметры стационарных орбит и, соответственно, энергии квантов излучения, соответствующих переходам. Эти энергии к тому моменту были измерены с помощью методов спектроскопии, и теоретические предсказания Бора почти идеально совпали с результатами этих измерений!

Несмотря на этот триумфальный результат, теория Бора едва ли вносила ясность в вопрос физики атома, ведь она была полуэмпирической: постулируя наличие стационарных орбит, она никак не объясняла их физическую природу. Глубинное разъяснение вопроса потребовало еще не менее двух десятков лет, в течение которых была разработана квантовая механика как систематическая, цельная физическая теория.

Понравилась публикация? Поделись ей с друзьями!

Понравился сайт? Подпишьсь на нас в соцсетях!

Источник