Чтение онлайн

Не только физика атома, ядра, но и физика твёрдого тела, термодинамика и химия опираются теперь на квантовую механику. Неужели даже в этих, исконно классических науках нельзя объяснить явления наглядно, а нужен сложный аппарат квантовой механики? В физике ядра, атома и элементарных частиц, как оказалось, квантовые представления не только не обязательны, но, часто, — просто ошибочны и уступают классическому описанию. Да и в других разделах физики классический подход даёт естественное адекватное описание всех "квантовых" эффектов, стоит лишь правильно их истолковать, найти удачную механическую модель явлений, строения атомов и частиц. Такой моделью оказалась бипирамидальная магнитная модель атома. Её основы заложены Ритцем, Томсоном, Ленардом, Ленгмюром и Льюисом — ещё в начале XX в. [19, 46]. Согласно модели, атом имеет форму двух пирамид, соединённых вершинами и послойно заполняемых электронами, что объясняет спектры атомов, закон Менделеева и законы фотоэффекта (§ 3.3, § 4.3).

Размеры атомов и межэлектронные зазоры в слоях задают и межатомные расстояния в молекулах и кристаллах. Ближе атомы сойтись не могут. Однако, почему они не могут разойтись? Что удерживает атомы вместе в молекулах и кристаллах? Первое научное объяснение этому предложили те же Ленгмюр и Льюис, на основе разработанной ими кубической модели атома, по которой ядро атома послойно окружают электроны, занимающие устойчивые положения в вершинах кубов [19, 46]. Эта модель во многом соответствует бипирамидальной, поскольку бипирамида вписывается в куб (Рис. 170). Модель Ленгмюра без всяких оснований отвергли, приняв квантовую теорию химической связи с абстрактными электронными облаками, орбиталями и их перекрытием. Зато в классической модели всё выглядело предельно просто. Электроны послойно заполняли пространственные уровни, оболочки атомов — в форме куба. Если в атоме уровень был заполнен не до конца, его могли занять электроны других атомов, входящие в вакантное место, как ключ в замок. Это позволяло образовывать химические соединения — только определённым подходящим друг к другу по форме атомам и в строго заданном отношении. Например, атом кислорода имеет два свободных места на электронном уровне (Рис. 170). Поэтому, к нему могут пристыковаться два атома водорода, содержащие по одному электрону. Так образуется молекула воды (Рис. 171). Тогда угол между отрезками, соединяющими центры атомов, составит около 109° (угол меж диагоналями куба). Это соответствует реальному углу в 105–109°, измеренному у молекул воды в экспериментах [138].

Всё это очень напоминает демокритову модель сцепления атомов по принципу "ключ-замок". Демокрит и Лукреций считали, что на атомах есть выпуклости и впадины, крючки и петли (см. эпиграф § 4.14). Когда выпуклость (крючок) одного атома попадает во впадину (петлю) другого, они соединяются, как детали игрушечного конструктора [105]. Выпуклости-крючки — это электроны одного атома, а вогнутости-петли, провалы, — не занятые электронами места в слое другого. Такую впадину будем в дальнейшем называть "вакансией", "пазом" или "гнездом", по аналогии с посадочным гнездом в конструкторе. Такой термин был предложен В. Мантуровым в его кристаллической модели ядра [79]. При этом, силы, удерживающие атомы вместе, имеют электрическую природу. Те же силы удерживают в слое электроны — это силы притяжения к электрон-позитронной решётке, аналогичные ядерным, только с иным масштабом (§ 3.12).

Так получается предельно наглядная механическая картина связи атомов, сцепленных по принципу шипового соединения деревянных деталей мебели, где выпуклости, зубья, шипы одной доски попадают в пазы и прорези другой, входя с ними в зацепление. Эти периодичные ряды шипов, расположенных в шахматном порядке, вполне аналогичны электронной шахматной структуре атомов (Рис. 170). Только в атомах роль клея и сил трения, удерживающих шипы во впадинах, играют электромагнитные силы, удерживающие электроны в слое, в его не занятых участках. Кстати, именно по принципу "шип-впадина" устроен и широко применяемый в химии молекулярный конструктор из разноцветных шариков-атомов — с разным числом отверстий, в которых силами трения удерживаются связующие их прутики, изображающие электроны. Выходит, структурная химия отчасти вернулась к геометромеханической модели связи атомов (за счёт их форм, "шипов", "крючков" и "переплетений"), открытой ещё в античности, затем надолго забытой, но возрождённой Бойлем и Дальтоном [106]. Интересно, что ещё Демокрит и Лукреций, открывшие эту модель связи атомов, за счёт подобия их форм, предугадали, что связующим элементом (выпуклостями и крючками) должны быть те же мельчайшие частицы, что создают разряд молнии (электроны, см. § 4.17).

Так же легко модель объясняет существование отрицательных ионов. В боровской же модели атом не в силах связать избыточный электрон, а, тем более, — несколько. А, между тем, есть много отрицательных ионов, скажем Cl—, O2–. По Бору, нейтральный атом не удержал бы лишние электроны, зато, если учесть наличие в классической бипирамидальной модели вакансий в слое, то в них электрон-позитронная решётка вполне может связать и несколько лишних электронов. В атоме хлора всего одно свободное место (Рис. 170). Поэтому, атом захватывает один электрон и прочно его удерживает, образуя ион Cl—. В атоме кислорода слой имеет два незанятых места. Соответственно, по присоединении к ним электронов образуется ион O2–. Энергия связи электрона с атомом, в этом случае, называется "сродством к электрону". Она — того же порядка и той же природы, что энергия ионизации. Впрочем, если избыточных электронов чересчур много, отталкивание мешает их удержанию атомом.

Атому, в котором больше свободных мест, чем занятых, проще отдавать электроны. Таким образом, валентность атома, — его способность образовывать химическую связь, — определяется числом электронов, которые он может удержать или отдать. Причём, валентность определяется ещё и способом размещения электронов на уровне: электроны могут перемещаться внутри слоя, словно фишки в "пятнашках". Совершенно так же, как для нуклонов в ядре (§ 3.6), атом может образовывать несколько устойчивых конфигураций электронов, способных захватить или отдать больше или меньше электронов (как предположил ещё А. Майер § 3.1). Вот почему, одни и те же атомы могут проявлять разную валентность, образуя разное число связей. Эта первая и самая наглядная модель химической связи объясняет, как у атомов возникает данное число связей, почему энергия связи того же порядка, что и энергия ионизации (отрыва электрона). Квантовая же физика даёт невразумительные туманные объяснения, напоминающие мистические умствования Аристотеля, — вечного противника Демокрита [105]. Самое странное, что пошла эта квантовая теория химической связи из Гёттингена, словно по смерти Ритца власть там также перешла к его противникам, сторонникам неклассических взглядов: М. Борну, В. Гайтлеру, Ф. Лондону, В. Паули, В. Гейзенбергу [46]. Именно они развили абстрактную теорию связи бесструктурных атомов, посредством перекрытия туманных электронных орбиталей и квантового обменного взаимодействия, не имеющего отношения к обмену частицами, а связанному с перекрытием волновых функций электронов.

Рассмотренный выше классический механизм связи атомов работает не только в молекулах, но и в аморфных твёрдых телах, жидкостях, где связи носят беспорядочный характер, то возникая, то разрываясь, отчего атомы соединяются без всякой системы. Другое дело — кристаллы. В них связи упорядочены и порядок этот, возможно, задан во многом правильным строением атомов и электронных слоёв. Оттого и соединение атомов происходит в геометрически точном стиле. Аналогично, кирпичи, блоки, с их правильной формой, укладываются в зданиях и пирамидах правильным образом. Ещё лучше эти чёткие межатомные связи кристалла видны на примере паззла, квадратные детали которого, благодаря геометро-механическому зацеплению их выпуклостей и впадин, образуют целостную картину, напоминая кристаллическую решётку из атомов, образующих единое тело, кристалл. Уже давно открыто, что форма молекулярных кристаллов напрямую связана с формой молекул. Так же, и кубическая, октаэдрическая (бипирамидальная) форма алмазов, простых кристаллов, возможно, обусловлена такой же формой атомов. Квантовая теория химической связи не только неестественна, но и попросту не нужна, поскольку все особенности атомной связи (ионной, ковалентной и металлической) прекрасно объясняла созданная гораздо раньше классическая теория Томсона-Льюиса-Ленгмюра. Кванторелятивисты беззастенчиво присвоили себе успехи этой классической теории, забрав её терминологию, обозначения и принципы, лишь переиначив их на квантовый лад.

Атомы, с их жёстким каркасом, скованные связями, обладают, всё же, некоторой свободой движений. Они могут отдаляться друг от друга. При этом, на атомы действуют силы притяжения электронов одного атома к электрон-позитронной решётке другого. Могут атомы и сближаться, — тогда их отталкивают силы упругости атомного каркаса. Поэтому, есть определённое равновесное межатомное расстояние, есть сопротивление тел сжатию и растяжению, и есть хаотические тепловые колебания атомов возле положений равновесия. Полагали, что классически нельзя получить стабильных систем из положительных и отрицательных зарядов. На этот счёт есть специально доказанная теорема Ирншоу. Поэтому, утверждают, что лишь квантовые, неклассические законы обеспечивают стабильность атомов и вещества. И, всё же, стабильность этих систем объяснима классически, достаточно учесть неэлектрические, магнитные силы и изменение характера кулоновского взаимодействия на малых расстояниях (§ 3.18). Именно наличие характерного размера частиц, заданного эффективным радиусом их отталкивания, позволяет заряженным частицам образовывать устойчивые конфигурации в виде атомов, ионных кристаллов, типа кристалла соли. И сами физики признают реальность такого спинового, электромагнитного взаимодействия электронов, обеспечивающего устойчивость системы зарядов, но не хотят признать его классический характер.

Убедиться в стабильности некоторых типов электромагнитных систем помогают опыты А. Майера, где магниты, плавающие в воде, самопроизвольно образовывали стандартные устойчивые правильные структуры (§ 3.1). Примечательно, что сам Альфред Майер рассматривал свои опыты именно как иллюстрацию, как модель строения атомов, структуры молекул и кристаллов. Он даже объяснял на основе этой модели — многие свойства веществ, такие, как рост объёма некоторых тел (к примеру, льда) при затвердевании, аллотропию, изомерию, связывая их с наличием у одного атома, молекулы нескольких возможных устойчивых форм, конфигураций [78, с. 372]. И действительно, как видели, атомы и частицы могут существовать в виде разных устойчивых конфигураций электронов и позитронов (§ 3.9). Точно так же, и плавающие магниты в опыте Майера могли образовывать несколько устойчивых правильных конфигураций, с различной степенью стабильности. Возможно, Майер был прав и в том, что смена одной устойчивой конфигурации атома на другую, ведёт к изменению типа кристаллической решётки материала, с изменением его объёма (смена аллотропных модификаций). Наличие у атомов и молекул определённой геометрической формы, далёкой от сферической, объясняет, как заметил Майер, и расширение некоторых тел при кристаллизации. Ведь упорядоченная постройка из кубиков, контактирующих только вершинами (Рис. 171), имеет больший объём, чем те же кубики, но сваленные в одну кучу. Так же, и кубические, бипирамидальные атомы при кристаллизации вещества могут увеличить удельный объём тела в сравнении с жидким его состоянием, что наблюдается у таких веществ, как вода, германий, галлий, сурьма, висмут (§ 4.17). Такое расширение представляет большую проблему для квантовой теории, с её бесструктурными, размытыми сферическими атомами.

Замечательно, что ещё Демокрит и Лукреций высказывали эту мысль о влиянии на свойства тела не только составляющих его частиц, но и формы, порядка их расположения, образуемых ими конфигураций, словно порядка букв в слове, — на его смысл (§ 5.16). Эту ключевую идею структурной химии, впервые чётко сформулированную Бутлеровым, пророчески высказывал ещё Ломоносов, считавший, подобно древним атомистам, что атомы элементов различаются весом, формой и соединяются в молекулы или твёрдые тела — по принципу подобия, соответствия геометрических форм, на чём и строил науку химию. Причём, сила химической связи задавалась, по Ломоносову, лишь геометрическими свойствами атомов в соединении, — их взаимным положением и площадью контактирующих граней, что недалеко от истины, раз энергия химической связи определяется числом связующих электронов, образующих плоские электронные слои соприкасающихся атомов, и расстоянием меж ними.

Вернёмся к анализу стабильности системы зарядов. Если условно рассматривать электроны и позитроны не как точечные заряды, а как жёсткие заряженные шарики — с радиусом, равным классическому радиусу электрона r 0, то они вполне могут образовать стабильные комплексы: элементарные частицы, ядра и атомы. Притягиваемые заряды сближаются и образуют кристаллическую решётку, как в кристалле соли. Но дальнейшее сближение либо рождает силы отталкивания, либо ослабляет кулоновское притяжение. Это и задаёт равновесное расстояние между частицами, равное классическому радиусу r 0=2,8·10 – 15м, — потому-то их и можно считать жёсткими шариками. Нарушение кулоновского закона, при сближении до r 0, связано с механизмом электрического взаимодействия (§ 3.18) и признаётся физиками [60]. Электронные комплексы, как выяснили, могут иметь и другой характерный масштаб, отличный от r 0и — куда более крупный, сопоставимый с радиусом атома a 0=5,3·10 – 11м, на котором тоже должны возникать отклонения от закона Кулона (§ 3.7, § 3.18). Вдобавок, кроме электрических, есть ещё магнитные силы взаимодействия электронов. Всё это, как видели, и позволяет им образовать устойчивые электронные слои масштаба a 0, задавая характерный размер атома. Электроны сближаются вплоть до взаимопроникновения их сфер распада, после чего сближение электронов или образованных ими атомов останавливается.