Формирование структур атомов связанными протон-электрон парами

Крушев Александр Анатольевич,

директор ЧУПТП «Восток плюс»,

Крушев Денис Александрович,

студент Белорусского государственного университета информатики и радио-электроники,

Крушев Дмитрий Александрович,

студент Белорусского национального технического университета.

Рассматриваются физические механизмы формирования структур ядер атомов. Сделаны гипотезы: в атомах, протоны и электроны образуют электрически нейтральные связанные протон – электрон пары, имеющие внутренние свойства формирования дискретных энергий электронов; в атомах для каждого электрона формируется индивидуальная эллиптическая оболочка.

Введение

Попытки классическими законами электродинамики объяснить структуры атомов сопровождались созданием множества моделей атомов – Томсона, Резерфорда, Бора и др. Модель Бора хорошо совпадает с опытными данными для водорода, но не смогла объяснить механизмов взаимодействий между электронами ядрами в атомах имеющих более одного электрона.

Согласно гипотезе де Бройля, поведение микрочастиц несколько отличается от поведения обычных частиц – у микрочастиц обнаружены волновые свойства. Основным уравнением квантовой механики является уравнение Шредингера, описывающее движение микрочастиц, полученное на основании обобщения большого числа опытных фактов. При этом степень точности, с какой к частице может быть применено представление об определенном ее положении в пространстве, определяется соотношением неопределенностей, установленных Гейзенбергом. Уравнение Шредингера позволяет рассматривать элементарную частицу как волновую функцию и, не учитывая траектории по которой движется частица, предсказывать, с какой долей вероятности частица может быть обнаружена в различных точках пространства.

Уравнение Шредингера не рассматривает и не объясняет физических механизмов: удержания большого количества протонов в ядрах атомов и большого количества электронов в электронных оболочках атомов; формирования магнитных моментов электронов; взаимодействий между электронами и ядрами атомов; периодичности изменений химических свойств атомов; формирования стабильных нуклидов и самостоятельного  распада нестабильных нуклидов и т.д.

Определение в атомах физических механизмов: взаимодействий между электронами и ядрами атомов является актуальной проблемой современной физики.

Целью настоящей работы является анализ физических механизмов удержания большого количества протонов в ядрах атомов и большого количества электронов в электронных оболочках атомов.

Анализ физических механизмов формирования структур атомов

Неудачи в объяснении с помощью классических законов физических механизмов формирования структур атомов и большие успехи квантовой механики в объяснении поведения микрочастиц привели к тому, что в настоящее время стало общепринятым считать, что в применении к микрочастицам понятия определенной траектории вообще теряют смысл. Но без определения траекторий движений частиц трудно определить механизмы их взаимодействий.

По современным представлениям [1], электроны, протоны и нейтроны являются основными частицами формирующими атомы. Наблюдение траекторий протонов и электронов в камере Вильсона, точное соответствие траекторий движения электронов и протонов в электрическом поле классическим законам и т.п. свидетельствует о наличии корпускулярных свойств у электрона, протона и других элементарных частиц. Следовательно, наличие у микрочастиц волновых свойств не отменяет у них корпускулярных свойств и не должно рассматриваться как невозможность применения к элементарным частицам классических законов. Следовательно, при определении физических механизмов формирования структур ядер атомов необходимо учитывать как волновые, так и корпускулярные свойства частиц из которых состоят атомы.

В атомах кулоновские силы должны приводить к отталкиванию друг от друга как положительно заряженных протонов, так и отрицательно заряженных электронов. В тоже время, кулоновские силы должны притягивать протоны и электроны друг к другу. Нахождение большого количества протонов в плотных ядрах атомов и большого количества электронов в электронных оболочках атомов свидетельствует, что в атомах имеются механизмы, удерживающие протоны и электроны от действия кулоновских сил. Наиболее простое объяснение физических механизмов стабильного удержания в ядрах атомов большого количества протонов и электронов от действия кулоновских сил, это предположение, что все протоны и электроны в ядрах атомов сохраняют связанные электрически нейтральные протон-электрон пары. При этом каждая протон-электрон пара имеет внутренние свойства формирования дискретных энергий электронов. Это хорошо согласуется с законами электродинамики, сильными и слабыми связями в атомах, уравнением Шредингера.

Рассмотрим формирование структур атома при связанных протон – электрон парах. Самым простым является атом водорода, состоящий из двух частиц – положительно заряженного протона и отрицательно заряженного электрона. Любые заряженные частицы взаимодействуют с другими заряженными частицами. Следовательно, атом водорода можно рассматривать в виде связанной протон-электрон пары , имеющей внутренние свойства формирования дискретных энергий электронов.

В ядрах атомов протоны и нейтроны связаны сильными связями и образуют ядро атома. Электроны связаны с протонами слабыми связями. Следовательно, можно предположить, что в результате электромагнитных взаимодействий формируются индивидуальные связанные протон – электрон пары. Каждая протон-электрон пара обладает свойствами формирования дискретных энергий электронов, аналогично атому водорода. При этом для каждого электрона формируется индивидуальная электронная оболочка. В атомах, имеющих более одной протон-электрон пары, действия кулоновских сил должны отталкивать индивидуальные оболочки электронов друг от друга, что должно сопровождаться формированием каждой протон-электрон парой отдельных эллиптических, радиально вытянутых от центра ядра оболочек движения электронов (рис. 1).

Рис. 1. Формирование связанными протон – электрон парами индивидуальных эллиптических оболочек электронов атома гелия.

 – протон; – нейтрон;  – электрон; сплошными линиями обозначены дискретные энергетические оболочки электронов; пунктирной линией обозначено ядро атома.

В круговых и эллиптических орбитах энергии электронов определяются одним и тем же главным квантовым числом. При этом, в эллиптических орбитах каждому возможному значению энергии электрона соответствует не одна, а несколько орбит, различающихся эксцентриситетом, что позволяет объяснить явление вырождения энергетических уровней электронов в атоме.

В атомах, имеющих несколько протонов и электронов, дискретные энергии электронов зависят от усредненных электрических полей других протонов и электронов, находящихся в атоме. Решение уравнения Шредингера для электрона, движущегося в усредненном электрическом поле, дает результат, отличающийся от водородного атома тем, что энергетические уровни электронов зависят не только от главного квантового числа n, но и от азимутального квантового числа l:

,

 ,

где  – энергия электрона;  – волновая функция;  – квантовые числа.

Анализ физических механизмов формирования и изменений магнитных моментов атомов, периодического изменения химических свойств атомов, формирования нуклонных структур атомов, формирования стабильных атомов и самостоятельного - распада нестабильных атомов будет рассмотрен в следующих статьях.

Вывод

В результате анализа механизмов взаимодействий между электронами и протонами определено, что в атомах протоны и электроны образуют электрически нейтральные связанные протон-электрон пары, имеющие внутренние свойства формирования дискретных энергий электронов и в атомах для каждого электрона формируется индивидуальная эллиптическая оболочка.

Литература

1.                  Савельев, И. В. Курс общей физики / И. В. Савельев. – М. : Наука, 1973.

Поступила в редакцию 21.02.2011 г.