Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Более 100 лет назад (1911 г.) Э. Резерфорд на основе опытов предложил «планетарную» модель атома, согласно которой вокруг положительно заряженного ядра по замкнутым орбитам движутся электроны. Эта модель соответствовала теориям «эфира», развивавшихся выдающимися учёными 18-20 веков: Гюйгенс, Гук, Ломоносов, Юнг, Френель, Навье, Коши, У. Томсон, Стокс, Герц, Фарадей, Максвелл, Лоренц, Д. Томсон, Тесла и др. Но уже насаждалась теория относительности имени Эйнштейна и «эфир» не вписывался в модель четырёхмерного координатно-временного континиума. Теоретики провозгласили, что «мирового эфира не существует» [12] и «микромиру свойственны свои закономерности, отличные от макромира». Квантовую, ядерную, атомную физику построили на постулатах и математических моделях с множеством полей и частиц (элементарных, гипотетических, виртуальных). Частицы – одновременно волны, у них не существуют размеры и определённые траектории движения. В соответствии с постулатами Гайзенберга, де Бройля, Шредингера, Паули было принято, что положение электронов в атоме неопределённо, оно описывается волновыми функциями вероятности их нахождения в пространстве – «орбиталями» с некими квантовыми числами (n – главное, l – орбитальное, m- магнитное, s – спиновое) [12]. Эта принятая наукой модель не объясняет существование и структуры атомов, их свойства; не отвечает на вопросы « почему?».

Почему рождается атом водорода, когда электрон (–), двигаясь к протону (+), вдруг вечно остаётся на «боровской» орбите?

Почему орбитали (эллиптические, лемнискаты, «бабочкины крылья» и т.д.) способны экранировать ядро и почему орбитали р, d, f, g заполняют именно 6, 10, 14, 18 электронов?

Почему размеры атомов в периодах при увеличении числа оболочек уменьшаются?

Чем обусловлен ферромагнетизм, и почему только у 9 атомов?

Цель исследования – построение модели атомов, объясняющей их образование, структуры и все свойства.

Основы системного миропонимания

Построение модели атомов как системной структуры из нуклонов и единственной элементарной частицы оказалось возможным только на основе представления об единстве мироздания, в котором все материальные структуры закономерно существуют в единой волновой среде за счёт непрерывного взаимодействия с ней. Такое понимание сущности среды представил В.И. Вернадский: «Излучениями НЕ МАТЕРИАЛЬНОЙ среды охвачено всё доступное, всё мыслимое пространство… Кругом нас, в нас самих, всюду и везде, без перерыва, вечно сменяясь, совпадая и сталкиваясь, идут излучения разной длины волны… Всё пространство ими заполнено…» [1]. Вывод: Вселенная – это системное единство принципиально различных и дополняющих друга миров: массового в не материальной волновой онтологической среде, характеризующейся наибольшей энтропией. Эта среда, названная «Действие, упорядочивающее хаос – ДУХ», отличается от современных теорий «эфира» (кипящий, энергетический, электромагнитный, гравитирующий, газообразный, «живая материя»…) нематериальностью – волны не имеют массы. Это позволило представить в монографиях [2, 6] картину системного устройства материального мира. В соответствии с законами Природы и универсальными постоянными из квантов образуются материальные частицы («массон» = электрон/позитрон, заряд -/+, сферическая стоячая волна), из них – нуклоны, ядра, атомы [3-11]. В настоящей работе теоретически обоснована структура атомов.

Основные принципы формирования атома в среде ДУХ

Предлагаемая модель атома – следствие общности законов Природы на всех уровнях её организации. «Природа не роскошествует в идеях», и закономерности системного образования структур делают их подобными. При разнице массы Солнечной системы и атомов более чем на 50 порядков, различие в структурных соотношениях – в несколько раз. Отношение массы всех планет к массе Солнца 1:750, а массы электронов на орбитах атомов к массе ядер 1:(2000÷4000). Все орбиты расположены в одной плоскости (отклонение 1о-3о), квантованы по расстоянию, круговые (средний эксцентриситет, кроме крайних, 0,040). По аналогии следует предполагать:

• структура атома сферическая,

• электроны в атомах экранируют заряд ядра на определённых, квантованных орбитах;

• орбиты – круговые, расположены, в основном, в экваториальной плоскости ядра.

Эти особенности структуры атома – следствие электромагнитного взаимодействия в среде ДУХ, которое есть волновое движением среды – её взаимосвязи с материальными телами. При вращательном движении наибольшая скорость и наибольшие силы взаимодействия с электронами выражены в экваториальной плоскости ядер. Поэтому заполнение орбит электронов в атомах во всех слоях n должно начинаться с экваториальной плоскости 1s, 2s,3s …

Рождение орбит электронами – «преобразование частицы в волну» естественно объясняется двойственностью заряда массона [4-11]. Массон при приближении к ядру в вихревом движении среды подвергается то силам притяжения, то отталкивания, и условие существования частицы – соотношение между объёмом и поверхностью нарушается. Магнитный момент электрона, являющийся характеристикой движения среды, в 658 раз превышает магнитный момент протона и под воздействием этих сил формируется торообразная волна (R_е-тор=1,94·10^-20 м). Это преобразование возможно только на «боровской» орбите радиусом a₀, где соблюдается условие: 2πa₀ = α^-1λ_K = 3,325·10^-10 м (1/α = 137,036 – постоянная тонкой структуры – соотношение, определяющее условие волнового взаимодействия электрона и среды ДУХ, а λK = 2,426 10^-12 м Комптоновская длина волны).

Электроны в атомах – это стоячие волны, которые не переносят и не испускают энергии (объяснение постулата Бора). Волна в сфере стала волной в торе с возрастанием поверхности в 1560 раз. Волновая орбита формирует магнитный поток 1,741·10^-19 А·м^2, который на четыре порядка больше, чем у электрона-частицы. Магнитное поле – безмассовый поток среды ДУХ формирует волновые орбиты электронов и единое магнитное поле атомов.

Формирование волновых орбит электронов в атомах

Волновые орбиты электронов в атомах формируются по единым правилам последовательно и соответствуют периодам элементов в таблице Менделеева. Электронные оболочки в каждом периоде определяют сферическую поверхность расположения волновых орбит, каждая из которых занимает оптимальное положение для компенсации заряда ядра. Каждый период начинается с появления в атоме одного электрона в экваториальной плоскости следующего «слоя» орбит – s1, s2, s3 и т.д. Относительно слабо связанный электрон определяет свойства первой группы элементов: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr. Размер орбит, при котором существует передача импульса электрона mec среде ДУХ – h определяется постоянной тонкой структуры 1/α и «комптоновской» длиной волны λK. Условие существования волновых орбит – образование стоячих волн, которое возможно при отражении и взаимном сложении волн, полуволн, и четверти волн. Размеры орбит определяют размер атома, и длины окружности орбит у атомов первой группы элементов, рассчитанные по известным значениям их радиуса [13], соответствуют условиям стоячих волн с погрешностью менее 2 %: ₁H – 1(λ_К /α) = 0,3325 нм, ₂He – 2(λ_К /α), ₃Li – 3(λ_К /α), ₁₁Na – 3,5(λ_К/α), ₁₉K – 4,5(λ_К /α), ₃₇Rb – 4,75(λ_К /α), ₅₅Cs –5(λ_К /α) (табл. 1).

Таблица 1

Размеры волновых орбит, определяющие размеры атомов

Также закономерно формирование двухэлектронных орбит s2. Две волны с противоположно направленными спинами создают в торообразной структуре абсолютно устойчивую «стоячую» волну. Усиливается связь с ядром, уменьшается размер атома. Радиус орбиты s2 меньше, чем s1, в среднем по периодам на 40 нм. Это сокращение орбиты на 0, 755 (λ_К /α) ≈ 3/4(λ_К /α) соответствует сложению двух волн с разными спинами. Результаты расчёта волновых орбит во всех периодах с высокой точностью соответствуют известным размерам атомов (табл. 1).

Орбиты со «спаренными» электронами – энергетически выгодная структура – основа формирования всех оболочек атомов. Они формируются сразу после одноэлектронных орбит в следующем по заряду ядра атоме. Такая последовательность соответствует изменению свойств атомов и модели альфа-структуры ядер [11], в соответствии с которой каждый следующий атом формируется последовательным прибавлением в ядре блока n-p-n и альфа-частицы. Эта модель опровергает правило Гунта [12], но служит подтверждением гениальной догадки В.И. Вернадского: «Закономерная бренность химических элементов, их генетическая связь, происхождение одного от другого выявляются только при изучении их как атомов… Для каждого рода атомов есть своя неизменная череда… Беря историю любого атома в космическое время, мы видим, что он через определённые промежутки времени, сразу, одинаковыми скачками переходит в другой атом, другой химический элемент» [1].

Подоболочки p, d, f в атомах также формируются с образованием стоячих волн на орбитах. Орбиты для компенсации заряда ядра в каждом последующем элементе таблицы Менделеева должны соответствовать появлению протонов в поверхностных слоях ядер. Эти орбиты располагаются в плоскостях, параллельных экваториальной, «выше» и «ниже» её, имеют меньший радиус и уменьшают размер атома. На близких к ядру орбитах атомов в III периоде (до ₁₈Ar) формируются 3 орбиты р: «выше», «ниже», а затем и в экваториальной плоскости. В IV и V периодах до ₃₆Kr и ₅₄Xe формируются параллельно экваториальной орбите s2, «выше» и «ниже» её 5 двухэлектронных d-орбит, после них – орбиты p. В VI и VII периодах – формируются 7 двухэлектронных f-орбит, а затем d и p. Схема появления волновых орбит во II и III периодах: s1-s2-p¹-p₁-p²-p₂-p1-p2 (верхний и нижний индексы соответствуют орбитам «выше» и «ниже» экваториальной) представлена в табл. 2.

Таблица 2

Размеры атомов и формирование волновых орбит в I – IV периодах

Такой же порядок заполнения волновых орбит, объясняющий размеры атомов, предполагается и в следующих периодах. В VI и VII периодах: после s2 последовательно заполняются 7 волновых орбит подоболочек 6f и 7f , затем 5 орбит подоболочек d, затем орбиты p. В VII периоде – только радиоактивные элементы. Формирование подоболочки f завершается у No^102. Размер атома достиг предела возможности удержания ядром электронов, и подоболочка d уже не может сформироваться. Периоды полураспада у следующих «элементов» – секунды.

Размещение в пространстве орбит определяется их взаимодействием с зарядом ядра и ближайшими электронными орбитами. Анализ показывает, что появление орбиты s2 после s1 приводит к уменьшению размеров атомов в среднем на 0,038 нм, а появление одноэлектронных орбит р1 и р1 во II и III периодах каждая уменьшает размер атома на 0,016 нм. Два электрона р-орбит на сфере сравнимы по силе с одним электроном s-орбиты. Это позволяет предположить, что р-орбиты расположены на угловой координате 45о от экваториальной плоскости.

В атомах IV и V периодов появление у ₂₁Sc и ₃₉Y одноэлектронной орбиты d приводит к уменьшению размера атомов по сравнению с ₂₀Ca и ₃₈Sr на 35 нм и 34 нм, а появление у ₂₂Ti и ₄₀Z двухэлектронной орбиты ещё на 16 нм и 21 нм. Такое усиление взаимодействия с ядром и уменьшение орбит возможно при их появлении ближе к экваториальной плоскости, чем последующие р-орбиты – на угловой координате 30о от экваториальной плоскости. Последующие электронные орбиты d мало изменяют размер ядра и должны располагаться «выше» и «ниже» от экваториальной плоскости под углом 60о. Расположение p-орбит на 45о и d-орбит на 30о и 60о симметрично от экваториальной, надёжно подтверждается расчётом квантованности их длины по параметру (λ_К/α). На рис. 1 и 2 приведены примеры расчётных схем структуры атомов серы и железа (III и IV периоды).

Роль магнетизма в формировании атомов

Электронные орбиты в атомах формируются как единое электромагнитное поле атома. Это многооболочечное поле надёжно экранирует заряд ядра, обеспечивает существование атомов в химических соединениях. Хотя связь одного электрона на один протон в ядре на дальних от него орбитах ослаблена, но зато волновое движение в электронных орбитах создаёт в среде ДУХ движение вихрей – магнитный поток. Магнетизм объясняет тенденцию уменьшения размеров атомов во всех периодах. Например, радиус атомов лантаноидов (VI период 57La÷71Lu) 0,187÷0,175 нм меньше, чем у 20Са в IV периоде 0,197 нм, а радиус атома 78Pt в VI периоде 0,139 нм меньше, чем 3Li во II периоде 0,157 нм [13]. Магнетизм объясняет существование атомов тяжёлых ядер, в которых электрические силы притяжения ослаблены расстоянием и экранировкой электронами.

Значительное внешнее магнитное поле характерно для 3 элементов в IV периоде и 6 элементов в VI периоде. В табл.2 и рис 2 видно, что магнетизм у ₂₆Fe (магнитный момент 2,216 μ_В) «вдруг» проявился после построения двух одинаковых волновых орбит d^В1 и d_Н1, значительно удалённых от экваториальной плоскости (60о). У следующих элементов ₂₇Co и ₂₈Ni (1,715 μ_В и 0,616 μ_В) достраиваются оболочки d^В2 и d_Н2. Эти орбиты – аналог кольцевых токовых, формирующих магнитный поток атома. Расчёт длины волновых орбит подтверждает, что у этих элементов Природой создан «соленоид» из 5 орбит 4d^B2d_H2 -2p²р₂ -1s2. У меди появление орбиты 4d2 с отрывом электрона с s2 приводит к нарушению такой структуры.

Магнетизм среди лантаноидов обусловлен построением у 6 элементов «соленоидов» из орбит f. Он появляется у ₆₄Gd (7,63 μ_В) при построении на дальних от экватора орбит f^В2 f_Н2 . У следующих элементов ₆₅Tb, ₆₆Dy, ₆₇Ho, ₆₈ Er достраиваются ещё более удалённые орбиты f^ВВ2 f_НН2 и возрастает магнетизм (9,34; 10,33; 10,34; 9,1) μ_В. У ₆₉Tm с появлением экваториальной орбиты f1 магнетизм снижается (7,14μ_В), а у ₇₀Yb (орбита f2)– отсутствует.

Рис. 1. Структурная схема атома серы

Рис. 2. Структурная схема атома железа

Заключение

Орбитально волновая модель атомов основана на взаимодействии материальных частиц с универсальной онтологической средой ДУХ и универсальных постоянных – характеристиках этой среды. Она объясняет физический смысл этих констант, позволяет закономерно представить расположение всех электронных орбит в атомах в соответствие с периодами и группами в таблице Менделеева, объясняет изменение их размеров, всех физических и химических свойств (магнетизм, спектры атомов, валентность, стабильность…). Это служит надёжным подтверждением соответствия Природе представленной модели атомов.