Чтение онлайн

Сопротивление атомов или электронов сближению соответствует известному в квантовой механике принципу "запрета Паули", по которому два электрона не могут занять одно состояние. В классике этот закон возникает не как формальное правило, но как естественное следствие наличия у частиц (электронов и позитронов) эффективного радиуса отталкивания, отчего те ведут себя, как жёсткие шарики, не способные занять одну позицию в атоме. Если один электрон занял своё положение на электронном уровне, другой уже не сможет там очутиться. Для него просто не будет места, как нет места в целиком занятой ячейке для яиц. Итак, электрон-позитронная решётка, сетка имеет, подобно миллиметровке, два характерных масштаба с разницей в 10 4–10 5раз (§ 3.7). Один масштаб, с шагом решётки в 10 –15м (1 ферми), определяет характерные размеры ядер и элементарных частиц. Другой, с шагом в 10 –10м (1 ангстрем), задаёт типичные размеры атомов, длины связей в молекулах. Переход от крупного масштаба к мелкому происходит по достижении частицами энергий, достаточных для преодоления отталкивания.

Наличие двух масштабов расстояний между электронами и позитронами имеет много важных следствий. Подобие двух этих сеток — объясняет аналогию химических и ядерных процессов. Не зря, механизмы распада или синтеза молекул и ядер, выделение и поглощение энергии в химических и ядерных реакциях во многом сходны. Ведь, в обоих случаях происходит соединение и распад кристаллических комплексов, сцепляемых электростатическими силами притяжения электрон-позитронной решётки. Отличаются лишь масштабы. И, поскольку масштабы расстояний rмеж зарядами отличны в 10 5раз, соответственно, — различаются и величины сил, выделяемых энергий и энергий связи. Ведь энергия кулоновского взаимодействия зарядов пропорциональна 1/ r. И, точно, характерные энергии связи электронов в атоме и самих атомов, энергии единичных актов химических реакций — составляют единицы электронвольт, а энергии связи ядер, нуклонов, энергии распадов — измеряются мегаэлектронвольтами, то есть, — в 10 6раз больше (§ 3.12, § 3.13). Энергия химической связи, ионизации атома в несколько электронвольт — это, по сути, энергия электрического взаимодействия E=e 2/4 0 rэлектрона с позитроном, с электрон-позитронным слоем в атоме на межэлектронном расстоянии r= a 0=5,3·10 – 11м. А характерная энергия единичного акта ядерной реакции — это суть энергия взаимодействия E=e 2/4 0 rэлектрона с позитроном или электрон-позитронной решёткой на расстоянии r= r 0=2,8·10 – 15м.

Обычно атомы, ядра и элементарные частицы изображают шариками (что порой делалось для удобства и в данной книге), а, потому, мысль об их чёткой периодичной структуре, о кубической, пирамидальной форме частиц, с их рёбрами и гранями, кажется диковатой. Но, с другой стороны, атомы и частицы издавна называют элементарными кирпичиками, из которых построена материя. Так что же удивительного, если эти кирпичики имеют форму многогранников, как обычные строительные кирпичи, игрушечные кубики или детали конструктора? И что странного, если и сами эти кирпичи построены из ещё меньших кирпичиков, расположенных правильными, периодичными рядами? Не зря, Кеплер и Ломоносов, которые первыми научно обосновали атомарную и кристаллическую структуру вещества, считали атомы многогранниками, пирамидками [63]. А нынешние учёные, даже применив электронный микроскоп, ещё не получили чётких изображений атомов и лишь гадают об их форме.

Итак, классическая модель атома, мало того, что помогает наглядно и естественно объяснить механизм химической связи, но и позволяет установить глубокую аналогию химических и ядерных процессов, энергий и связей. Интересно, что эта геометро-механическая модель связи, впервые предложенная ещё Демокритом, возрождённая Ломоносовым, развитая Льюисом и Ленгмюром, но потом — надолго забытая, ныне вновь обрела признание, скажем в органической химии, в иммунологии, молекулярной генетике и в теории обонятельных рецепторов, где присоединение атомов и молекул часто происходит по принципу соответствия их геометрической формы, — по механизму ключ-замок. Не исключено, что такое представление о структуре материи, частицы которой связаны за счёт механического переплетения с образованием слоистых периодичных, шахматных структур (§ 3.12), формирующих затем объёмные тела и полые многогранники, отражены и в материальной культуре наших предков, для которых плетение, особенно венков и кос, имело глубокий символический смысл. Не случайно быт славян был основан на переплетении волокон льна, шерсти, волос, соломы, лыка, бересты, ивовых прутьев и даже брёвен, как видно на примере тканой одежды, лаптей, корзин, плетёных коробов, котомок, а также изб, теремов и других шедевров народного зодчества, возведённых без единого гвоздя. Если же наши предки-умельцы и применяли металл, то его они тоже переплетали наподобие волокон, когда соединяли вместе звенья цепей или кольца кольчуг (наиболее распространённых как раз на Руси), образующих такие же узоры, как цепочки и сетки связанных электронов и позитронов (Рис. 95, Рис. 102). Такой механизм формирования мира, путём плетения или связывания нитей материи и поля (истекающего из частиц, словно пряжа), отражён и в "Велесовой книге", составленной древнеславянскими учёными-волхвами. Аналогичные воззрения о том, что наш мир соткан из периодично расположенных зарядов противоположного знака, находим и в древнеиндийских "Станцах Дзиан": "И ткань эта есть Вселенная, сотканная из Двух Сущностей, воедино слитых".

Ещё одним "подтверждением" квантовой теории в молекулярной физике считают явление вымерзания степеней свободы [19]. Известно, что двухатомная молекула, скажем, молекула водорода H 2, обладает пятью степенями свободы. Три из них связаны с поступательным движением молекул вдоль трёх осей, и две — с вращением вокруг двух осей (Рис. 172). На каждую степень свободы частицы приходится энергия kT/2, и двухатомная молекула обладает в среднем энергией 5 kT/2, где k —постоянная Больцмана, T— температура в кельвинах. Одноатомная же молекула наделена лишь энергией поступательного движения 3 kT/2. У двухатомных молекул реально есть ещё и энергия упругих колебаний атомов внутри молекулы. Поэтому, энергия реальных двухатомных молекул 7 kT/2.

В итоге, молярная теплоёмкость C(прирост внутренней энергии тела фиксированного объёма из N a=6·10 23молекул при нагреве на 1 oС) для газа из реальных двухатомных молекул — 7 R/2; из жёстких двухатомных — 5 R/2; из одноатомных — 3 R/2 (здесь R=kN a— газовая постоянная). И, точно, при высоких температурах теплоёмкость водорода C=7 R/2, однако при охлаждении Cпадает до 5 R/2 (Рис. 173. а). А, с приближением к абсолютному нулю, Cстремится к 3 R/2, словно у молекул газа при охлаждении "вымерзают" (сковываются) степени свободы. Двухатомные молекулы сначала становятся жёсткими, а, при дальнейшем охлаждении, прекращают вращение, словно одноатомные.

Такое уменьшение теплоёмкости двухатомных газов, при понижении температуры, считалось противоречащим классической молекулярно-кинетической теории и нашло объяснение в квантовой теории, предложенной В. Нернстом, который и открыл феномен. Долгое время казалось, что классическая физика не совместима с этим феноменом. И, всё же, ему можно найти простое истолкование в традициях классики, стоит лишь принять модель атома Ритца. Тогда, при высоких температурах, атомы в полужёстких молекулах действительно колеблются, и C=7 R/2. При снижении температуры, энергии атомов уже не хватает для разрыва части связей и колебаний, — молекула становится "жёсткой". Например, атом водорода устроен таким образом, что в первом электронном слое (Рис. 104, Рис. 105), где всего два места, электрон занимает лишь одно (Рис. 170). Поэтому, электрон второго атома водорода попадает в вакантное место, образуя химическую связь. А пустующее место в слое второго атома — заполняется электроном первого. Так возникает молекула водорода H: H, где атомы H связаны ковалентной связью — из пары электронов, обозначенных по Ленгмюру точками (Рис. 174). При высоких температурах T, у большинства молекул водорода одна связь порвана, и молекула H ·H получается полужёсткой: её атомы могут вращаться, колебаться вокруг единственной точки связи, в виде электрона. При спаде температуры, энергии не хватает для разрыва связей, атомы полностью стыкуются, образуя двойную связь и жёсткую молекулу H: H, атомы которой уже не способны колебаться. Оттого и C=5 R/2 при такой не слишком высокой температуре.

В водороде одновременно присутствуют полужёсткие молекулы с одной связью H ·H и жёсткие, с атомами, скованными воедино двойной связью H: H. С понижением температуры, теплоёмкость плавно убывает от C=7 R/2 до C=5 R/2, поскольку плавно меняется соотношение числа молекул H ·H и H: H (Рис. 173. а). Как выяснили, охлаждение ведёт к снижению процента полужёстких молекул H ·H, отчего плавно спадает и теплоёмкость. В то же время, теоретически, газы из этих двух типов молекул можно разделить, ведь, за счёт разного строения, они должны различаться физико-химическими свойствами и спектрами (§ 3.4). И такое разделение водорода на два компонента с разными свойствами и спектрами, действительно, осуществлено в лабораториях [19, 134]. Из водорода удалось выделить два газа — ортоводород и параводород, обладающие разными свойствами и теплоёмкостями. Поскольку, при низких температурах водород почти полностью состоит из более устойчивого параводорода, то он, очевидно, образован частицами с парой связей H: H. Соответственно, ортоводород, возникающий при сильном нагреве, состоит из частиц H ·H, где одна из связей порвана.

Тот факт, что ортоводород можно преобразовать в параводород и — обратно, посредством химических методик (нагрев-охлаждение, катализаторы [134, с. 333]), доказывает, что различие меж ними вызвано не разной ориентацией спинов ядер, не ядерными свойствами [82], а — химическими, — разной структурой химических связей. Не случайно параводород H: H удаётся преобразовать в ортоводород H ·H, разорвав одну из связей, с помощью электрического разряда, применяемого обычно, как раз, — для ионизации молекул и разрыва в них атомных связей. Отметим, что в чистом состоянии параводород, а, тем более, ортоводород, получить сложно, а потому всегда имеют дело с их смесями, обогащёнными тем или другим компонентом. При этом, с течением времени, газ постепенно приходит в состояние с равновесной концентрацией орто- и параводорода [134]. И это — естественно, поскольку лишь при низких температурах атомы, пребывая в энергетически более выгодном состоянии, остаются прочно связаны в молекуле H: H. А, при высоких температурах, за счёт столкновений, связи постоянно то рвутся, то восстанавливаются: имеет место динамическое равновесие между молекулами орто- и параводорода, попеременно обращающихся друг в друга. Итак, при падении температуры именно рост концентрации параводорода H: H ( C=5 R/2), с параллельным падением процента ортоводорода H ·H ( C=7 R/2), ведёт к снижению теплоёмкости их смеси в водороде (Рис. 173. а).

С дальнейшим охлаждением вымерзает и вращательная степень свободы: двухатомные молекулы перестают вращаться, что тоже вполне объяснимо. Молекулы получают вращение от косых, боковых соударений, когда часть кинетической энергии в ходе удара переходит в энергию вращения. Но, с понижением температуры, молекулы всё чаще испытывают прямые, лобовые соударения, и уже не закручиваются. Ведь, при малой температуре частицы движутся медленно, отчего, в процессе сближения, электрические дипольные моменты молекул (созданные взаимной поляризацией) успевают сориентировать их перед ударом — вдоль линии сближения. Вдоль неё они и отскакивают, не получив вращения (Рис. 175). Именно так, двухатомный газ, при стремлении температуры к абсолютному нулю, и теряет вращательные степени свободы, ведя себя как одноатомный, — с теплоёмкостью C=3 R/2. При низких температурах имеет место классическое упорядочение, но, если у большинства газов упорядочиваются положения молекул от слияния их в кристаллы, то у водорода, остающегося газом вплоть до температуры в 14 K, упорядочивается само тепловое движение молекул.