МЕНЮ

Атом во внешних полях (эфиродинамическая концепция)

Развитие квантовой механики дало возможность получить представление о воздействии внешних полей на атом вещества, но не привело к пониманию сущности происходящих процессов. В данной работе на основе эфиродинамической концепции показано, что при воздействии внешних полей на атом вещества происходит не расщепление уровней энергии атома вещества, а смещение энергетических спектров атомов, вследствие изменения условий генерации фотонов.

Введение. В учебном пособии[1] показано, что в отсутствие внешних полей энергия атома определяется его электронной конфигурацией и (при L-S связи (связь Рассел — Саундерса)) значениями квантовых чисел L, S и J.

            Квантовая теория обосновывает правила отбора для квантовых чисел L, S и J при переходах атома из одного квантового состояния в другое. Существенно отличные от нуля вероятности имеют только такие переходы, в которых ∆L = 0, ±1;   ∆ S = 0;   ∆J = 0, ±1;  

В отсутствие внешних полей все направления в пространстве эквивалентны и поэтому энергия атома не может зависеть от проекции полного момента  J  на какую-либо координатную ось (например, ось ОZ), или, что то же самое, от магнитного квантового числа mJ, которое при заданном  J, может принимать 2J+1 значений. Таким образом, в отсутствие внешних полей все уровни, которым соответствует J ≠ 0, вырождены с кратностью 2J+1 . Снять это вырождение можно, создав условия, при которых некоторое направление в пространстве будет физически выделено, например, воздействием на атом внешнего магнитного или электрического поля.

Под действием внешних полей происходит дополнительное расщепление уровней энергии, и как следствие – расщепление спектральных линий. Расщепление спектральных линий атомных систем, помещенных во внешнее магнитное поле, называют эффектом Зеемана [2]. Расщепление спектральных линий атомных систем, помещенных в электрическое поле, называют эффектом Штарка [3]. Расщепление спектральных линий во внешних электромагнитных полях является общим эффектом, на основе которого действуют ЯМР — и ЭПР-спектрометры. [4]

Для объяснения расщепления уровней Гаудсмит и Уленбек выдвинули в 1925 г. гипотезу о том, что электрон обладает собственным моментом импульса s, не связанным с движением электрона в пространстве. Этот собственный момент был назван спином. [5]

На основе гипотезы Гаудсмита и Уленбека и правил отбора для квантовых чисел L, S и J была создана гипотетическая квантовая теория, объясняющая поведение атома под воздействием внешних полей. Теория является гипотетической вследствие того, что на сегодняшний день не существует экспериментальных доказательств существования у электрона не только орбитального механического момента L и соответствующего ему магнитного орбитального момента mL , но и собственного (внутреннего) механического момента S, называемого  спином, и соответствующего ему спинового магнитного момента mJ. [6]

Некорректность квантовой теории обусловлена представлением атома под воздействием внешних полей в виде некоторых энергетических уровней, для описания которых используются абстрактные квантовые числа, не имеющие физической сущности.

Первая же попытка экспериментального подтверждения квантовой теории на основе опытов Штерна-Герлаха привела к расхождению теории и эксперимента. [7] Кроме того, даже с тремя выше указанными квантовыми числами оказалось невозможно объяснить линейчатые спектры атомов. Например, действие слабого магнитного поля приводит к так называемому аномальному эффекту Зеемана, который нельзя было понять на основе модели Бора — Зоммерфельда. У атома Бора и его вариантов было множество других недостатков. Одним из них, и наиболее существенным, была  невозможность применения теории Бора к более сложным атомам. Приложение ее к спектру даже такого простого атома, как атом гелия, приводило к полной неудаче, и все попытки понять основы периодической системы в рамках модели Бора были безуспешны.[8]

            Теория Бора, несмотря на описание атома водорода, в целом не внесла ясность в вопрос физики атома и была заменена квантово-механической, сущность которой по мифологичности превзошла последнюю [9]:

В рамках этой теории электрон подчиняется принципу неопределенности и описывается не материальной точкой, подобно некоторому телу, а волновой функцией, «размазанной» по всей орбите. В каждый момент времени он находится в суперпозиции состояний, соответствующих всем точкам орбиты. Поскольку плотность распределения массы по пространству, определяемая волновой функцией, не зависит от времени, переменного электромагнитного поля вокруг электрона не создается; нет и потерь энергии.

Электрон в соответствии с современными представлениями, укладывающимися в так называемую Стандартную модель, представляет собой точку, состояние которой описывается положением и скоростью. Важно, что одновременное задание этих кинематических характеристик невозможно вследствие принципа неопределенности Гейзенберга, но, рассматривая только одну из них, например координату, можно определить ее со сколь угодно высокой точностью.

Можно ли тогда, используя современную экспериментальную технику, попытаться локализовать электрон на масштабе, существенно меньшем атомного размера (~ 0,5·108 см), и проверить его точечность? Оказывается, что при попытке локализовать электрон на масштабе так называемой комптоновской длины волны — примерно в 137 раз меньше размера атома водорода — электрон будет взаимодействовать со своей антиматерией и система станет неустойчивой.”

Из выше изложенного следует, что в рамках, доминирующей в настоящее время, квантово – механической теории раскрыть и понять сущность процессов на атомном уровне при воздействии внешних факторов, в частности, магнитных и электрических полей не представляется возможным.

В данной работе на основе эфиродинамической концепции [10], в рамках которой определены структурная организации элементарных частиц и атомов, вскрыта физическая сущность электрического заряда, магнитной и электрической силы, предложена интерпретация известных эффектов Зеемана и Штарка, широко используемых в современных прикладных исследованиях.

Эфиродинамическая  интерпретация эффекта Зеемана. Эффект Зеемана заключается в

расщепление спектральных линий и уровней энергии атомов, молекул и кристаллов в магнитном поле. Наблюдается на спектральных линиях испускания и поглощения. [2]

В простейшем случае эффект Зеемана заключается в том, что при помещении источника света в магнитное поле спектральная линия расщепляется на два или три компонента. Такой тип расщепления, который наблюдается на системе синглетных (одиночных) спектральных линий, называется нормальным или простым эффектом Зеемана. Этот эффект был объяснен Лоренцем на основе классической электронной теории как результат расщепления частоты колебания в атоме упруго связанного электрона и лишь впоследствии, на основе квантовых представлений, был истолкован естественным образом как результат расщепления уровней энергии.

Для многих спектральных линий расщепление в магнитном поле имеет более сложный характер. Эффект Зеемана, выражающийся в многократном расщеплении спектральных линий, носит название аномального или сложного.

Если многоэлектронный атом помещается во внешнее магнитное поле, то в зависимости от величины магнитной индукции этого поля могут реализоваться два случая. В первом случае величина магнитной индукции В внешнего поля такова, что не может «разорвать» рассел — саундерсовскую связь между орбитальным и спиновым моментами импульса атома (случай «слабого» поля), и вся векторная система начинает прецессировать вокруг направления этого поля как единое целое. Это приводит к так называемому сложному или аномальному эффекту Зеемана. Во втором случае, соответствующем «сильному» полю, L-S — связь «рвется», орбитальные и спиновые моменты начинают прецессировать в поле раздельно и независимо друг от друга — это дает нормальный эффект Зеемана.

Эфиродинамическая концепция определяет многоэлектронный атом, как совокупность протон-электронных пар, энергетическое состояние каждой из которых определяется местом расположения пары в атоме вещества. Одной из фундаментальных характеристик энергетического состояния протон-электронной пары в атоме вещества является энергия ионизации – это предельная энергия возбуждения соответствующей протон-электронной пары. В настоящее время известны [11] значения энергии ионизации для всех протон-электронных пар атомов вещества, составляющих периодическую таблицу химических элементов Д. И. Менделеева.

Например, в атоме гелия (двухэлектронный атом) энергия ионизации первой протон-электронной пары составляет 24.587387936(25) эВ, а второй 54.41776311(2) эВ.

В любом атоме вещества энергия ионизации первой (внешней) протон – электронной пары является наименьшей  в сравнении с остальными. Это обстоятельство указывает на то, что возбуждению с последующей генерацией фотонов под воздействием внешних факторов подвергается в первую очередь первая протон — электронная пара, требующая минимального количества внешней энергии.

Также известен [12, 13] энергетический спектр первой и последующих протон -электронных пар для всех атомов вещества.  Каждый атом вещества характеризуется энергетическим спектром, который является совокупностью энергетических спектров протон – электронных пар, представляющих соответствующий атом вещества. Для каждой протон – электронной пары  атома вещества ее энергетический спектр является уникальной характеристикой, качественно характеризуется как линейчатый, а его диапазон определяется минимум, как красная граница фотоэффекта [14], а максимум, как длина волны фотона с энергией соответствующей энергии ионизации. Линейчатый спектр может проявляться только при определенных обстоятельствах: внешняя энергия, воздействующая на протон — электронную пару,  должна быть достаточной для возбуждения и последующей генерации фотонов, т. е. больше энергии красной границы фотоэффекта данной протон — электронной пары. Например, для первой протон — электронной пары атома натрия известно [13]: диапазон линейчатого спектра 22056,44 – 2852,811 Å, что соответствует энергетическому спектру фотонов 0,56 – 4,35 эВ. Энергия ионизации 5,139 эВ.

Структура спектра, отражающая расщепление линий на компоненты, называется тонкой структурой. Сложные линии, состоящие из нескольких компонент, получили название мультиплетов. Тонкая структура обнаруживается, кроме щелочных металлов, также и у других элементов, причем число компонент в мультиплете может быть равно двум (дублеты), трем (триплеты), четырем (квартеты), пяти (квинтеты) и т. д. В частном случае спектральные линии даже с учетом тонкой структуры могут быть одиночными (синглеты).

Исследование спектра первой протон — электронной пары атома натрия показало, что многие линии спектра являются двойными (дублетами): 11403,78 – 11381,45 Å; 10749,29 – 10746,44 Å;  5895,9236 – 5889,95 Å; 4497,658 – 4494,177 Å;  3302,979 – 3302,369 Å;  2853,013 – 2852,821 Å;

Академик Рождественский Д. С. высказал гипотезу [15], что спектральные дублеты и триплеты возникают в результате расщепления уровней валентного электрона под влиянием магнитного поля, образованного остальными электронами. Действительно, как выяснилось впоследствии, природа спектральных дублетов и триплетов носит магнитный характер, но предположение Рождественского, что магнитное воздействие на валентный электрон вызвано лишь внутренними электронами, не согласуется с симметрией атомного остова щелочных металлов. Согласно [16] дублеты это спектральные (от франц. doublet, от double — двойной) — группы (пары) близко расположенных спектральных линий, возникновение которых обусловлено дублетным расщеплением уровней энергии в результате спин-орбитального взаимодействия. Наиболее  характерны для спектров атомов щелочных металлов, линии главной серии которых представляют собой дублеты.

Однако, открытие явления Штарка, суть которого состоит в том, что при наложении электрического поля энергетические уровни  атомов, молекул и кристаллов смещаются и расщепляются на подуровни с одной стороны, а с другой – эфиродинамическое представление о том, что электрон не имеет самостоятельного движения по орбите, так как он является элементом системы – протон-электронная пара, указывают на то, что природа расщепления линий спектров имеет не только магнитный характер и не является результатом спин-орбитального взаимодействия.

Тем не менее выше указанное предположение Рождественского Д. С. о внутреннем характере мультиплетов верно, однако имеет другую интерпретацию.

Из выше указанного следует, что область существования линейчатого спектра любой протон – электронной пары атома вещества определяется как

Еэи ≥ Елс ≥ Ек,                                                                                   (1)

где Еэи – энергия ионизации, Елс – энергия линейчатого спектра атома вещества, Ек – энергия красной границы фотоэффекта.

При этом следует иметь в виду, что появление линейчатого спектра атома всегда обусловлено внешними силами при существовании внутренних.

Т. е.

Елс = Евш + Евн,                                                                               (2)

где  Евш – энергия внешних факторов, Евн – энергия внутренних факторов.

Линейчатый характер спектра можно представить как сумму энергий отдельных фотонов:

Елс = ∑Еγi,  

           i

где Еγ – энергия фотона определенной длины волны, i = 1, 2, 3 … n.

При  воздействии внешней магнитной силы (Ем) энергетический спектр атома в зависимости от ее направления и величины получает увеличение или уменьшение энергии спектра атома:

Елс = ∑Еγi = Евш + Евн ± Ем.                                                          (3)

           i

Из выражения (3) следует, что при воздействии внешней магнитной силы энергетический спектр атома не расщепляется, а смещается в зависимости от направления магнитной силы в сторону высоких или низких частот, вследствие того, что  энергия фотона является функцией его длины волны Еγ = f(λ).

Особенностью линейчатых спектров протон – электронных пар одного и того же атома вещества является перекрытие их диапазонов. Например, у атома натрия [12] вторая протон – электронная пара имеет  диапазон линейчатого спектра 3631,266  – 372,069 Å, что соответствует энергетическому спектру фотонов 3,41 – 33,35 эВ;  третья протон – электронная пара имеет диапазон линейчатого спектра 2563,32  – 156,536 Å, что соответствует энергетическому спектру фотонов 4,84 – 79,28 эВ.

Перекрытие диапазонов приводит к тому, что фотоны, генерируемые ниже лежащей протон – электронной парой  (а линия спектра  — это поток фотонов с энергией, определенной длины волны), попадающие в диапазон выше лежащей пары,  возбуждают эту протон – электронную пару с последующей генерацией фотонов. Эта вторичная генерация фотонов, выше лежащей протон – электронной парой,  и является причиной появления дуплетов, триплетов и т. д., если длина волн этих фотонов близка к длине волн основных фотонов, генерируемых выше лежащей протон – электронной парой.

При воздействии внешней магнитной силы на атом вещества происходит смещение спектров всех протон – электронных пар этого атома. Величина смещения индивидуальна для каждой протон – электронной пары. Наибольшее смещение спектров осуществляется у первой протон – электронной пары. В зависимости от ориентации атома в пространстве магнитных сил смещение спектра может быть как в сторону увеличения длин волн, так и в сторону уменьшения. При этом следует иметь в виду, что существует ряд некоторых линий спектра, устойчивость которых определяется только внутренними силами воздействия и слабо реагирующих на внешнее воздействие. Относительно этих линии и происходит смещение линий спектра, подверженных внешнему воздействию. Природа этих явлений в настоящее время еще недостаточно полно исследована [17]: Теория атомных спектров – это описательная теория (и хорошее мнемоническое правило), и на данном этапе она не претендует на объяснение истинной природы атомных спектров.

На основании выше изложенной интерпретации рассмотрим опыт Зеемана. Для наблюдения эффекта была использована установка, включающая сильный электромагнит.

Между полюсами сильного электромагнита, создающего однородное магнитное поле, помещали источник линейчатого спектра. Наблюдения проводили поперек и вдоль магнитного поля. Для этого в сердечнике просверлили специальный канал. Излучаемый свет фокусировался линзой.

При наблюдении поперек магнитного поля для некоторых простых синглетных линий, например, натрия, ртути, кадмия и др. действительно обнаруживается триплет. При продольном же наблюдении возникает дублет, так как линия с основной частотой  отсутствует.

Известная [2] квантово – механическая интерпретация эффекта Зеемана в части наблюдения вдоль магнитного поля некорректна в виду того, что используемая установка не позволяет вести наблюдение при продольном поле. Продольное магнитное поле создается только в канале магнита. На выходе из канала магнита магнитное поле становится поперечным, которое и оказывает решающее воздействие на поток фотонов. Несмотря на то, что  явление, связанное с наблюдением дуплетов, впервые было осуществлено Зееманом, однако его детальное исследование начинается только с опытов Штерна – Герлаха [7], в честь которых и было дано ему название эффекта Штерна – Герлаха.

Эфиродинамическая  интерпретация эффекта Штарка. Эффект Штарка — расщепление спектральных линий атомов, молекул и др. квантовых систем в электрическом поле. Открыт в 1913 Й. Штарком (J. Stark) на линиях Бальмера серии водорода, является результатом сдвига и расщепления на подуровни уровней энергии системы под действием электрического поля E (штарковское расщепление, штарковские подуровни; термин «Штарка  эффект» относят также к сдвигу и расщеплению уровней энергии).

Различают линейный эффект Штарка, который наблюдается в важнейшем частном случае водорода (а также для водородоподобных атомов и для сильно возбуждённых уровней др. атомов), и квадратичный, типичный для общего случая уровней энергии многоэлектронных атомов. Расщепление при линейном эффекте Штарка для атомов H составляет тысячные доли эВ при напряжённостях полей Е ≈ 104 В/см, при квадратичном оно значительно меньше, достигая ≈ 10-4 эВ   при напряжённостях полей Е ≈ 105 В/см.

Эфиродинамическая  интерпретация эффекта Штарка, в отличие от полевой квантово — механической, исходит из представления электрической силы, как газодинамических процессов в среде фотонного газа, образуемого в процессе генерации спектров атомов вещества. В данном аспекте электрическая сила обусловлена разностью концентраций фотонов – частиц, носителей электрического заряда [18].

Конструктивно установка Штарка [19] эквивалентна современному электровакуумному прибору — трехэлектродной лампе, триоду, у которой анод и сетка соединены вместе, а внутренняя область заполнялась газообразной средой, состоящей из атомов сначала водорода и гелия, а затем и других элементов: лития, натрия, магния, кальция, алюминия, таллия и ртути. Физические процессы в электровакуумных приборах рассмотрены в работе [20], в которой показано, что в основе физики процессов электровакуумных приборов лежит фотонная концепция эмиссии (излучения).

При подаче напряжения на электроды установки (анод и сетку) между катодом и сетчатым электродом образуется фотонный поток (эмиссионный ток катода), который воздействует на газообразную среду, состоящую, например, из атомов водорода. В этом случае линейчатый спектр атома водорода будет иметь следующий вид:

Елс = Евш + Евн + ∑Еγi,                                                          (4)

                                  i

где ∑Еγi – энергетический спектр эмиссионного тока катода.

       i

Таким образом из выражения (4) следует, что воздействие электрического поля на  линейчатый спектр атомов вещества формально обусловлено как смещение спектра при воздействии энергии фотонов внешнего излучения, поток которых и создает электрическую силу.

Выводы. Современная квантово – механическая теория воздействия внешних магнитных и электрических полей на атом вещества некорректна ввиду непонимания физики процессов генерации фотонов атомами вещества, в основе которой лежат постулаты теории Бора и недоказанная гипотеза Гаудсмита и Уленбека.

            Альтернативой квантово – механической теории является эфиродинамическая концепция, в рамках которой решены вопросы структуры элементарных частиц и атомов, взаимодействия элементарных частиц в атомах вещества, вскрыта физическая сущность магнитных и электрических сил как газодинамических процессов эфира.

            На основе данной концепции показано, что явление расщепления это процесс смещения линейчатого спектра атома вещества, обусловленного изменением условий генерации фотонов при воздействии внешних факторов, в частности, магнитных и электрических полей.

            Квантово – механическая интерпретация эффектов Зеемана и Штарка некорректна и не соответствует потребностям современной науки.

Литература.

  1. Мартинсон Л.К., Смирнов Б.В. Квантовая физика: Учебное пособие. М.: Изд-во MГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. — 497 с. Серия: Физика в техническом университете.
  2. http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1231.html  Ельяшевич М. А. Зеемана эффект // Физическая энциклопедия.
  3. http://femto.com.ua/articles/part_2/4580.html  Ельяшевич М. А. Штарка эффект // Физическая энциклопедия.
  4. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М. Теория строения молекул. 2-е изд., перераб. и доп. — Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. – 560 с.
  5. Савельев И. В. Курс общей физики: Учеб. пособие. В 3-х т. Т. 3. Квантовая

оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра

и элементарных частиц. — 3-е изд., испр, — М.; Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит.,

1987, — 320 с., ил.

  • Вонсовский С. В. СОВРЕМЕННОЕ УЧЕНИЕ О МАГНЕТИЗМЕ, УФН  Т.XXXV, вып. 4 (1948).
  • http://nauka2000.com/   Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Эфиродинамическая природа атомного магнетизма.
  • Дей К., Селбин Д. Теоретическая неорганическая химия. Пер.с англ.; под ред. д-ра хим. наук К. В. Астахова. — Изд. 3-е, испр. и доп. — М., «Химия», 1976. — 568 с.
  • https://postnauka.ru/faq/52391  5 мифов об атомах.
  • Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире. Издание второе. М.: Энергоатомиздат, 2003. 584 с.
  • https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/ionEnergy.html  NIST Atomic Spectra Database Ionization Energies Form.
  • https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html  NIST Atomic Spectra Database Lines Form.
  • Стриганов А.Р., Свинтицкий Н.С. Таблицы спектральных линий нейтральных и ионизованных атомов. (H, He, Li, C, N, O, F, Ne, Na, Mg, Al, Si, Cl, Ar, K, Ca, Ti, Fe, Cu, Kr, Xe, Cs). Атомиздат, Москва 1966.
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/  Красная граница фотоэффекта.
  • Фриш С.Э. Оптические спектры атомов. М.: Государственное издательство физ-мат литературы, 1963. — 640 с.
  • http://femto.com.ua/articles/part_1/1145.html Дублеты.
  • Шатов В.В. Кластеры в источниках излучения. Часть 1. Традиционные источники возбуждения атомных оптических спектров: пламя, дуга, искра, плазма, лазер. Доклады независимых авторов. Выпуск 25, 2014.
  • http://nauka2000.com/   Лямин В. С.,  Лямин Д. В. К 125-и летию открытия фотона.
  • http://ritz-btr.narod.ru/shtarkef.html  Рабинович А. Явление Штарка – разложение спектральных линий в электрическом поле.
  • http://nauka2000.com/   Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Физика процессов электровакуумных проборов.

Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов

1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звёзд6 звёзд7 звёзд8 звёзд9 звёзд10 звёзд (Еще не оценили)
Загрузка...


Вы можете оставить комментарий к записи