Разделы: Физика
Размещена 05.03.2020. Последняя правка: 01.11.2021.
Просмотров - 2797

Новый взгляд на фундаментальные основы физики. Часть 2. Электрон в атоме беспричинно вращается вокруг ядра. Гипотеза о наличии в атомах тангенциальных сил и моментов, приводящих электроны и протоны в орбитальное движение

Матуров Зофар Загидович

пенсионер

пенсионер

УДК 530.1

1.  Введение

В современной физике уже давно, со времён создания планетарной модели атома Резерфорда-Бора, существует парадоксальная ситуация. Дело в том, что в планетарной модели атома нет ни одной силы, которая заставляла бы электрон вращаться вокруг ядра. Единственное указание на необходимость вращения электрона вокруг протона, это постулат принятый Бором при расчёте планетарной модели атома Водорода (постулат  это закон природы, у которого ещё не раскрыта сущность). Он звучит так - "электрон может находиться в атоме лишь на тех орбитах, где его орбитальный МКД Момент Количества Движения кратен  ħ, то есть L_орб = m_ο∙v_орб×r_орб  = n∙ ħ". И с тех пор, с лёгкой руки Нильса Бора, электроны беспричинно, в нарушении всех законов природы, уже миллиарды лет вращаются вокруг атомных ядер, и никому до этого "безобразия" нет никакого дела. Нильса Бора можно понять, он был первооткрывателем, рассчитавшим эту модель атома. Перед ним стояла другая наиважнейшая задача, рассчитать теоретически, с помощью планетарной модели атома водорода, все три, экспериментально известные к тому времени, спектральные серии водорода – серия Лаймана, Бальмера и Пашена. Что должно было подтвердить и с большим успехом подтвердило истинность планетарной модели атома водорода. А именно Е_нач – Е_кон = h ∙ ν, то есть частота фотона ν,излучаемого атомом водорода, соответствовала разнице энергий начального и конечного состояний электрона в планетарной модели атома водорода. А значит и весь спектр водорода можно получить теперь, расчётным путём, из планетарной модели атома водорода.

2.  Для простоты будем рассматривать самый простой атом Водорода  ₁H¹.

Если рассматривать отдельно уже существующий атом водорода, с вращающимся вокруг протона электроном, находящегося в основном (не возбуждённом) состоянии, у которого уже есть кинетическая энергия вращательного движения, а значит, он может по инерции вечно двигаться внутри своей круговой стоячей волны по этой орбите.

Вот выдержка на этот счёт, из моей предыдущей статьи - "Новый взгляд на фундаментальные основы физики. Часть1. Открытие энергетических уровней внутри элементарных частиц".    «Электрон при своём движении по круговой орбите вокруг протона будет создавать электромагнитную волну в пространстве вдоль траектории движения. Тогда условием резонансного движения электрона на данной орбите (без потери энергии на своё движение) будет являться тот факт, что длина волны, наведённая движением электрона в пространстве, будет равна или кратна длине орбиты электрона. То есть 2π∙r_орб = n∙λ.  Это условие кратности де Бройлевской волны электрона в атоме, длине орбиты электрона на этом уровне. То есть в пространстве вдоль траектории электрона должны образоваться стоячие электромагнитные волны. Тогда электрон внутри своей пространственной круговой стоячей электромагнитной волны, войдя в резонанс с W-пространством, будет вечно летать по этой орбите, не теряя энергии на своё движение».

Как видим, в таком атоме водорода, наличие сил вращающих электрон вокруг протона можно и не рассматривать, хотя они там должны существовать и без сомнения, существуют. Потому что круговое движение электрона не является прямолинейным и равномерным, когда не требуется энергии на движение по инерции. А круговое движение заряда, это переменный ток, на поддержание которого требуется энергия.   

3. Отсутствие сил направленных на вращение электрона вокруг протона в планетарной модели атома, ведёт к неустойчивости атомов и невозможности  их существования в природе.

Теперь рассмотрим случай, когда ионизованный атом водорода, то есть голый протон, вновь превращается в атом водорода, захватив со стороны свободный электрон на один из своих энергетических уровней. Исход такого эксперимента большинству физиков известен. Ближайший свободный электрон очень быстро находит протона холостяка и благополучно усаживается на один из его энергетических уровней и безмятежно вращается на нём вокруг протона.

А теперь объективно, опираясь на факты, отбросив эмоции, посмотрим, что в этом случае будет происходить с электроном и протоном, в соответствии с требованиями теории. Есть закон электрического взаимодействия зарядов, это закон Кулона   F_кул = q₁∙q₂/4πε_ο∙r².   Для взаимодействия электрона с протоном F_кул = e²/4πε_ο∙r².  Электрическое взаимодействие по закону Кулона является строго радиальным взаимодействием, означает, что силы взаимодействия двух точечных зарядов расположены строго на прямой соединяющей эти заряды, так как электрические заряды наделены центральным распределением сил в пространстве (центральные силы, действующие по  принципу суперпозиции).  Следовательно, ближайший свободный электрон, оказавшийся около ионизованного протона, станет двигаться по прямой к протону и должен упасть на него. Так как больше никаких сил, заставляющих электрон начать вращаться вокруг протона, в планетарной модели атома нет. Зато в ней спокойно фигурирует – центробежная сила электрона, которая является следствием, неизвестно откуда взявшегося орбитального вращения электрона вокруг протона.  Силы нет, а вращение есть!!!

Вот он! Парадокс планетарной модели атома Водорода, а значит и всех атомов имеющихся в природе.  Радиальные силы  F^e_цс = F_кул = F^p_цс = F^e_цб . Это все силы, на которых держится планетарная модель атома водорода. F^e_цс и F^p_цс - центростремительные силы электрона и протона, их роль исполняет сила кулоновского притяжения электрона к протону. Как видим, в планетарной модели фигурируют 3-три силы F^e_цс = F^p_цс = F^e_цб. Центростремительные силы F^e_цс =  F^p_цс и всегда направлены по радиусу навстречу друг другу, поэтому при сложении взаимно уничтожаются. Остаётся третья ничем не скомпенсированная сила F^e_цб приложенная к электрону и всегда направленная по радиусу от протона.  Система сил, приложенных к протону и электрону в атоме, является разомкнутой, а такие системы являются не стабильными и распадаются. Следовательно, планетарная модель атома, в том виде, в котором она сейчас представляется, является не завершённой и требует доработки. 

Мы думаем, Нильс Бор всё это анализировал и прекрасно знал. Только он в то время не смог найти и предположить, откуда взять такую силу.          А потому, он просто ввёл в расчёты центробежную силу электрона F^e_цб которая дала прекрасные результаты, - спектр водорода, рассчитанный по планетарной модели атома, совпал с экспериментальными данными.  А чего ещё надо. 

4. Поиск недостающей силы вращающей электрон в атоме. 

У нас имеется однозначный экспериментальный факт о том, что ионизованный протон, приняв свободный электрон со стороны, вновь превращается в полноценный атом, с вращающимся электроном на своей орбите. Этот экспериментальный факт однозначно говорит о том, что в атоме между протоном и электроном существует сила, которая заставляет электрон, вращаться вокруг протона. Смотри рисунок 1. 

Чтобы электрон начал вращаться вокруг протона, необходимо добавить силу F^e_тнгц – тангенциальную силу электрона. Сила направленная тангенциально (по касательной) к орбите электрона. Какая это должна быть сила? Кроме электрической силы кулоновского взаимодействия на электрон и протон действуют ещё гравитационные силы притяжения масс электрона и протона. Это сила закона Ньютона F^е_грав= m₁∙m₂∙G/r². Однако гравитационные силы в микромире очень малы, из-за малости масс элементарных частиц. Вычислим силу гравитационного притяжения электрона к протону на первом Боровском радиусе   r_1бор = 5,29∙10^-11м.

F^e_грав = m₁∙m₂∙G/r² = 9,109∙10^-31кг ∙ 1,672∙10^-27кг ∙ 6,67∙10^-11 /(5,29∙10^-11)²  = 3,63∙10 ^{- 47} н.

Для сравнения вычислим силу электрического взаимодействия электрона с протоном на том же радиусе  r_1бор = 5,29∙10^-11м.

F_кул = e² ̸ 4∙π∙ε_ο∙r² = (1,602∙10^-19 кл)² / 4∙π∙8,85∙10^-12 ∙(5,29∙10^-11)² = 8,246∙10^-9 н.  Как видим  F_эл / F^e_грав = 2,27∙10⁺³⁸, то есть гравитационное взаимодействие в микромире пренебрежимо мало, по сравнению с электрическим. Теперь оценим величину F^e_тнгц –  тангенциальной силы электрона. Будем рассуждать так, - пока электрон не вращается, центробежная сила отсутствует.  К электрону прикладываем две силы F^e_тнгц  и  F^e_цс   (см рис1).  Электрон начинает вращаться, появляется центробежная сила электрона   F^e_цб  = m_e∙ v²_орб / r_орб . Скорость электрона растет, и когда  становится таким, что  F^e_цб = F^e_цс , тогда электрон начинает стабильно вращаться на этой орбите.  

Следовательно, центробежное ускорение электрона  а^е_цб = (v^е_орб)² / r^е_орб  и центробежная сила электрона F^e_цб , являются следствиями действия на электрон  F^e_тнгц  = m_e × а^е_цб .   То есть активная действующая сила это F^е_тнгц =  m_e∙ v²_орб / r_орб , а центробежная сила электрона F^e_цб это следствие действия активной силы, это сила противодействия, в соответствии с третьим законом Ньютона - "Сила действия - равна силе противодействия".  Теперь мы знаем, что тангенциальная сила равна по величине F^e_цб  и направлена по касательной к орбите электрона в сторону вектора v^е_орб .

5.  Природа тангенциальных сил и моментов.     

Осталось узнать, откуда берётся эта тангенциальная сила, и какова её природа. Забегая вперёд можно сказать, что из шестиуровневой модели элементарных частиц, разработкой которой мы занимаемся, следует такой факт. Электрический заряд элементарных частиц  е = 1,602∙10 ^-19 кл, создаётся орбитальным движением торсионов на 6-шести энергетических уровнях. А масса покоя элементарных частиц, создаётся добавочным вращением торсионов, которое накладывается на свои определённые энергетические уровни, для каждой элементарной частицы. (Смотри предыдущую мою статью – «Новый взгляд на фундаментальные основы физики. Часть1. Открытие энергетических уровней внутри элементарных частиц»).  Например, для электрона масса покоя m_e – создаётся на 1- первом энергетическом уровне, а масса покоя протона  m_p  – создаётся на первых пяти энергетических уровнях 1,2,3,4,5.  А потому энергетические уровни, элементарных частиц, обладающих разными массами покоя, обладают различными электрическими вращательными моментами. Что приводит, при электрическом Кулоновском взаимодействии двух разноимённо заряженных элементарных частиц, кроме радиального притяжения друг к другу, к появлению между ними электрических вращательных моментов и сил.

Примечание. Разноимённо заряженные элементарные частицы, обладающие одинаковой массой покоя, то есть частица с античастицей, также будут обладать при электрическом взаимодействии наличием электрических вращательных моментов и сил. Так как при парном рождении частицы с античастицей, в общем ядерном поле, обретают различные направления орбитального вращения энергетических уровней, то есть разноимённые заряды.

Из вышеизложенного вытекает вывод о том, что классическое электрическое Кулоновское взаимодействие необходимо доработать, модернизировать. А именно необходимо, кроме радиальной классической составляющей, ввести ещё новую - электро-тангенциальную составляющую:  

1 – радиальная классическая составляющая F_кул = e² ̸ 4∙π∙ε_ο∙r²

2 – электро-тангенциальная составляющая  F^е_элтнгц = m_e∙(v^е_орб)²/ r^е_орб  и такая же сила действующая  на протон  F^р_элтнгц = m_р ∙(v^р_орб)²/ r^р_орб . 

Правильнее будет сказать, что на электрон и протон действуют моменты сил, которые проявляются как действия электро-тангенциальных сил × умноженных на радиус орбитального движения электрона или протона. Тогда электро-тангенциальные моменты электрона и протона будут такие:

    M^е_элтнгц = F^е_элтнгц × r^е_орб  =  m_e∙(v^е_орб)² н×м ;     M^р_элтнгц = F^р_элтнгц × r^р_орб  =  m_р ∙(v^р_орб)² н×м ;       v_орб = r_орб ∙ ω_орб ;     
M_элтнгц = m ∙ v_орб ∙ r_орб ∙ ω_орб = L _орб ∙ ω_орб ;     L^е_орб  =  L^р_орб ;   m_е ∙ v^е_орб ∙ r^е_орб  = m_р ∙ v^р_орб ∙ r^р_орб . 

Эти электро-тангинциальные моменты и силы, есть такая же неотъемлемая сущность внутренних свойств элементарных частиц, как и классический закон электрического взаимодействия Кулона.

6.  Необходимость и значимость электро-тангенциальных сил в природе.

Мы всюду видим действия этих сил и моментов, например – вся термодинамика, работа тепловых машин,  тепловое движение молекул газов и жидкостей при высоких температурах и давлениях, когда электронные оболочки атомов, а точнее сами электроны во внешних оболочках атомов, испытывают многие миллиарды ударов в секунду, от электронов находящихся во внешних оболочках соседних атомов. Прикинем угловую частоту вращения электрона на  r^e_1бор  - первом  Боровском радиусе атома водорода  
                                              ω^е_орб1  = v^е_орб1 / r^е_орб  = (2,187∙10⁶ м/сек) / 5,29∙10^-11 м = 4,134∙10¹⁶  сек ^-1

Это значит - электрон на первом Боровском радиусе атома водорода совершает  (представьте себе) сорок миллионов×миллиардов оборотов в секунду. Такая частота вращения электрона соответствует числу ударов испытываемых в секунду электронами, находящимися на внешних оболочках атомов. Необходимо при этом ещё учесть, что электрон движется со скоростью более 2000 км/сек. Отсюда, я думаю, становится ясно, насколько необходимы, для живучести атомов, эти электро-тангенциальные силы и моменты. Без них атомы сдувались бы как лопнувшие шарики.

Силами, противодействующими сминанию электронных оболочек атомов, при соударениях атомов в природе, являются центробежные силы электронов в атомах. Однако надо помнить и осознавать, что без действия электро-тангенциальных сил и моментов, центробежные силы исчезают, и атомы перестают существовать.  Вот истинная цена наличия электро-тангенциальных сил и моментов в атомах !   

Кроме восстановления электронных оболочек атомов, эти силы продолжают действовать внутри атомных ядер. Есть оболочечная модель атомного ядра, которую предложила немецкий физик Мария Майер (в 1963 году получила Нобелевскую премию по физике за открытие оболочечной структуры ядра). Она предположила, что нуклоны внутри ядра движутся по орбитам наподобие электронов в атомах. И рассчитала модель ядра, состоящую из 126 оболочек, тем самым теоретически объяснив магические и дважды магические числа нуклонов в особо устойчивых атомных ядрах, наподобие благородных атомов в таблице Менделеева.  

7. Краткий демонстрационный расчёт.

Проведём краткий демонстрационный расчёт параметров вращения электрона и протона в планетарной модели атома водорода в основном состоянии, то есть когда электрон вращается на первом Боровском радиусе r_1бор . 

В соответствии с постулатами Бора:

Для электрона  1) m_e∙ v^е_орб ∙ r^е_орб  = ħ;  2) F^e_цс = e²/4πε_ο∙(r^е_орб)² = m_e∙(v^е_орб)²/ r^е_орб  = F^e_цб  ;

2) - сократили на r^е_орб ;    3) e²/4∙π∙ε_ο∙ r^е_орб  = m_e∙(v^е_орб)² ;    из 1) r^е_орб  = ħ / m_e∙ v^е_орб ; подставим

в  3)  e² ∙ m_e∙ v^е_орб / 4∙π∙ε_ο∙ħ  = m_e ∙(v^е_орб)²;    получим  v^е_орб1  =  e² / 4∙π∙ε_ο∙ ħ ;   вычислим

v^е_орб1 = (1,602176∙10^-19) ² / 4∙π∙ 8,854187∙10^-12 ∙ 1,054571∙10^-34  = 2,18769143∙10⁶ м/сек

r^е_орб1 = ħ / m_e∙ v^е_орб1 = 1,054571∙10^-34 / 9,109382∙10^-31 ∙ 2,18769143∙10⁶ = 5,29176859∙10^-11 м

v^е_орб1  = 2,18769143∙10⁶ м/сек ;     r^е_орб1  =  5,29176859∙10^-11 м

Для протона 1) m_p∙v^p_орб ∙ r^p_орб = ħ; 2) F^e_цс = F^p_цс = e²/4πε_ο∙(r^е_орб)² = m_p∙(v^p_орб)²/r^p_орб = F^p_цб ; сократим на r^p_орб 3) e²/4πε_ο∙r^е_орб = m_p∙(v^p_орб)² из1)     r^p_орб  =  ħ / m_p∙v^p_орб ;  подставим в 3)  e² ∙m_p∙v^p_орб /4πε_ο∙ ħ  = m_p∙ (v^p_орб)², отсюда v^p_орб  = e² /4∙π∙ε_ο∙ ħ  =(1,602176∙10^-19) ² / 4∙π∙8,854187∙10^-12 ∙1,054571∙10^-34  = 2,18769143∙10⁶ м/сек = v^p_орб

отсюда   r^p_орб  =  ħ / m_p∙v^p_орб  = 1,054571∙10^-34 / 1,672621∙10^-27 ∙2,18769143∙10⁶   = 2,8819883∙10^-14  м

v^p_орб1  = 2,18769143∙10⁶ м/сек ;     r^p_орб  =  2,8819883∙10^-14  м

Параметры движения электрона и протона мы вычислили.  Теперь вычислим электро-тангенциальные составляющие сил и моментов электрона и протона:  

F^е_элтнгц = m_e∙(v^е_орб)²/r^е_орб = 9,10938∙10^-31∙(2,18769∙10⁶)² / 5,291768 ∙10^-11 = 8,238728 ∙10^-8 н.

F^р_элтнгц = m_p∙(v^p_орб)²/r^p_орб = 1,67262∙10^-27∙ (2,18769143∙10⁶)² / 2,8819883∙10^-14    = 0,27776507107 н.

М^е_элтнгц = F^е_элтнгц∙ r^е_орб = m_e∙(v^е_орб)² = 9,109382∙10^-31∙(2,18769∙10⁶)²  = 4,35973887∙10^-18 н∙м

М^p_элтнгц = F^p_элтнгц∙ r^p_орб = m_p∙(v^p_орб)² = 1,672621∙10^-27∙(2,18769∙10⁶)²  = 8,0051568563∙10^-15 н∙м               

Теперь вычислим орбитальные моменты количества движения и магнитные моменты электрона и протона в нашей электро-тангенциальной модели атома водорода.

L^e_орб = m_e∙v^е_орб × r^е_орб = 9,109382∙10^-31∙ 2,18769∙10⁶ ∙ 5,291768∙10^-11 = 1,054570∙10^-34 дж∙сек

L^p_орб = m_p∙v^p_орб × r^p_орб = 1,672621∙10^-27∙ 2,18769∙10⁶ ∙ 2,8819883∙10^-14   = 1,054570∙10^-34 дж∙сек

МКД  электрона и протона   =   =  ħ, это одно из заданных условий.

Магнитные моменты электрона и протона:          

μ^e_орб = e ∙v^е_орб ∙ r^е_орб  = 1,602176∙10^-19 ∙2,18769∙10⁶ ∙5,291768 ∙10^-11 =         1854,8∙  10^-26  а∙м² = 2∙μ_б   где  μ_б – магнетон Бора.

μ^p_орб = e ∙v^p_орб ∙ r^p_орб  = 1,602176∙10^-19 ∙2,18769∙10⁶ ∙2,8819883∙10^-14   = 1,010155∙10^-26  а∙м²         

Возьмём отношение  μ^e_орб / μ^p_орб  = 1854,8∙10^-26 / 1,010155∙10^-26  = 1836,1 =  m_p / m_e.   Как видим магнитные моменты электрона и протона оказались обратно-пропорциональны массам покоя. Это также естественно и закономерно.  

 7.  Вывод.

Можно сделать вывод, что без этих электро-тангинциальных сил и моментов, невозможно существование электронных оболочек атомов и атомных ядер. Также необходимо осознавать, что невообразимая чудотворная энергия звёзд, создаваемая гравитационным сжатием электронных оболочек атомов водорода в недрах звёзд,  есть прямое следствие действия, именно этих электро-тангинциальных сил и моментов.    

8. Заключение. Начиная с 1970х годов, на основе анализа экспериментальных данных, мною ведётся разработка физической модели "Единой структуры дискретного пространства, элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий". В рамках, которой раскрываются механизм и сущность создания элементарного электрического заряда  e = 1,602∙10 ^{- 19} кл, массы покоя элементарных частиц. А также раскрываются механизмы и сущность сильного ядерного, электромагнитного и гравитационного взаимодействий. Ведутся математические расчёты моделей.

1. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. М. Лаборатория базовых знаний, 2009.
2. Калашников С.Г. Электричество. М. Наука, 2007.
3. Парселл Э. Берклеевский курс физики. Электричество и магнетизм. М.: Наука, 2009.
4. Физика. Под ред. А. С. Ахматова. ч. 4 Электричество и строение атома
5. Кузнецов, С.И. Курс физики с примерами решения задач. Ч. 3. Оптика. Основы атомной физики и квантовой механики. Физика атомного ядра и элементарных частиц. / С.И. Кузнецов. - СПб. Лань, 2015. - 336 c.

Комментарии пользователей:

26.07.2020, 10:40 Свирщук Владимир Владимирович Отзыв: Две интересные и познавательные статьи, которые затрагивают нерешенные проблемы физики.

Оставить комментарий