Происхождение водорода (протонов и нейтронов). Характеристика водородного (протон-протонного) цикла. Оценка частоты вращения ядер химических элементов, радиусы атомов. Роль орбитального захвата атомов и элементарных частиц в генезисе химических элементов.
Аннотация к работе
Периодическая система ДИ Менделеева и генезис химических элементов ООО НИЦ (Научно-инженерный центр) «Углехимволокно», 141 009. Московская обл., г.Исходным продуктом является водород (протоны), который в свою очередь образуется путем конденсации субэлементарных частиц по законам фазовой кинетики (образование капелек тумана) и во время ядерных реакций по механизму образования «вторичных капель» при ударе «капли» ядерной жидкости в поверхность жидкого ядра атома (эффект crown splash). Следующий затем водородный цикл состоит из двух последовательно протекающих ядерных реакций: взаимодействие двух протонов с образованием дейтерия и соединение двух ядер дейтерия с образованием ядра гелия. Дальнейшее увеличение атомной массы и образование новых элементов происходит за счет орбитального захвата, торможения и падения атомов легких элементов - водорода и гелия, на ядро очередного синтезируемого атома. К моменту падения по мере приближения к ядру захваченный легкий атом за счет сил микротяготения получает высокую скорость и кинетическую энергию, которая передается синтезируемому атому и его ядро приобретает большую частоту вращения.И, наконец, s-, r-, p-и x-процессы, соответственно медленный процесс, при котором образуются ядра до Bi200,быстро протекающая цепная реакция с захватом нейтронов, при которой образуются ядра U, Th Np, Pu, вплоть до Lr, процессы, включающие реакции захвата p, n, ?-частиц тяжелыми изотопами и процесс, необходимый для формирования ядер дейтерия, Li, Be и B, неустойчивых в условиях звездных недр. Скажем, почему при присоединении к ядру Ne (20,18) трех ядер водорода (1,001) не продолжается второй период, а образуется Na (22,99),который означает начало нового третьего периода, то есть выполняется Периодический закон. Ответ на этот конкретный вопрос можно получить, если учитывать, кроме массы, другой важный параметр атома - частоту вращения ядра. В этой связи представляет интерес оценить частоту и энергию вращения элементов 1-го периода, водорода и гелия. Кинетическую энергию вращения ядер Ekr рассчитывали по формуле: Ekr= I?2 /2, I=2/5mr2, ? = 2?? или Ekr = 7,898?2с mr2с, (2) где I-момент вращения, ?-угловая скорость, m, rc, ?с - масса, радиус и частота вращения ядра.Периодическая система отражает процесс синтеза (генезиса) химических элементов проходящего путем орбитального захвата элементов и их торможения вследствие неполной тангенциальной ориентации силовых линий поля, силового взаимодействия с окружающими другими атомами, а также вязкого сопротивления окружающей физической среды (эфира). Водород образуется путем конденсации субэлементарных частиц по законам фазовой кинетики аналогично образованию тумана (пересыщенные состояния, зародышеобразование, рост новой фазы) и во время ядерных реакций в продуктах распада. Суммарный энергетический эффект реакций, рассчитанный по изменению потенциальной энергии при постоянной тяготения между атомами 1,847.1028см3/гс2 равен 0,9077.107 КДЖ на моль гелия. Образование элементов происходит путем орбитального захвата исходным атомом атома легкого элемента (водород, гелий) благодаря снижению скорости ниже параболической за счет взаимодействия с третьим атомом. Захваченный на разрешенную орбиту атом тормозится, повышая свою орбитальную скорость, вследствие не полной тангенциальной ориентации силовых линий поля, а также силового взаимодействия с соседними атомами и вязкого сопротивления физической среды (эфира).
План
Краткое содержание.
Введение
Получили распространение две группы теорий происхождения (генезиса) химических элементов. Согласно первой элементы синтезируются в звездах, и в качестве исходного вещества является водород, протоны и нейтроны. По второй группе теорий («горячая Вселенная», «Большой взрыв») химические элементы образовались в дозвездный период существования Вселенной. Теории звездного происхождения элементов опираются на многочисленные экспериментальные данные и являются предпочтительными.
При синтезе в среде звезд выделяют 8 процессов. Синтез гелия из водорода или «выгорание» водорода в звездах. Углеродный цикл с образованием углерода и кислорода из ядер гелия. Процесс с участием вновь образованных ?-частиц, приводящий к образованию из ядер Ne20 последовательно Mg24>Si28>S32>Cl36>Ca40>Sc44>Ti48. Процесс, «железного пика» с образованием V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni. И, наконец, s-, r-, p- и x-процессы, соответственно медленный процесс, при котором образуются ядра до Bi200,быстро протекающая цепная реакция с захватом нейтронов, при которой образуются ядра U, Th Np, Pu, вплоть до Lr, процессы, включающие реакции захвата p, n, ?-частиц тяжелыми изотопами и процесс, необходимый для формирования ядер дейтерия, Li, Be и B, неустойчивых в условиях звездных недр.
Интуитивно не вызывает сомнений, что генезис химических элементов имеет органичную связь с Периодической системой. Это следует также из рассмотрения перечисленных выше процессов образования химических элементов. Тем не менее, отсутствуют ответы на некоторые вопросы, что не позволяет создать последовательную и цельную картину связи генезиса элементов с Периодической системой.
К числу этих вопросов можно отнести проблему происхождения самого водорода, поскольку он является исходным материалом для образования всех других элементов. Важно уяснить причины и механизм высокой одинаковости образуемых атомов водорода, благодаря чему сохраняется цельночисленность (кратность) атомных масс элементов.
Остается открытым вопрос, почему при синтезе элементов после увеличения атомной массы до определенного предела начинается повторение свойств элементов. Скажем, почему при присоединении к ядру Ne (20,18) трех ядер водорода (1,001) не продолжается второй период, а образуется Na (22,99),который означает начало нового третьего периода, то есть выполняется Периодический закон. Причиной периодичности изменения свойств элементов, как высказывалось ранее [1], является влияние частоты вращения ядра.
Увеличение атомной массы в пределах периода казалось должно приводить к увеличению размера атома. Фактически наблюдается противоположная картина. Диаметр атомов во всех периодах с увеличением атомной массы уменьшается, например, у лития он равен 160,3 пм, а у фтора и неона соответственно 110,6 и 94,83 пм. И так повторяется в каждом периоде радиус Na 246,6 пм, аргона 140,5 пм. Ответ на этот конкретный вопрос можно получить, если учитывать, кроме массы, другой важный параметр атома - частоту вращения ядра.
И, наконец, любая теория нуклеосинтеза встречается с принципиальным затруднением - отталкивание одноименно положительно заряженных ядер.
Развиваемая нами концепция микрогравитационных взаимодействий в атоме [2] позволяет преодолеть отмеченные затруднения. В новой концепции предполагается, что образование водорода протекает по двум механизмам: путем конденсации субэлементарных частиц из пересыщенных систем по законам фазовой кинетики и при ударе «капли» ядерной жидкости по механизму вторичного каплеобразования (crown splash).
Образование гелия из четырех атомов водорода сопровождается выделением большого количества энергии (водородный цикл) и ядро гелия получает максимальное количество кинетической энергии вращения, которое ядерная жидкость способна выдержать
2. Происхождение водорода ( протонов и нейтронов).
В научно-технической литературе и в информационной сети Интернет много статей, посвященных происхождению названий химических элементов, в том числе водорода, но ни одной о происхождении (образовании) самого водорода. Когда мы запросили поисковик Google-а по этой проблеме, нам тактично предложили самим написать статью для поисковика на эту тему. В какой-то мере в рамках разрабатываемой нами концепции микрогравитации выполняем эту просьбу.
В принципе возможны два пути образования атомов водорода - конденсацией субэлементарных частиц, например. кварков,лептонов (преонов) и при ядерных реакциях других элементов в продуктах ядерного распада.
Первый способ при существующем уровне знаний и техники невозможно подтвердить экспериментально, хотя в природе он несомненно реализован, так как иначе был бы не возможен другой способ. Не было бы других элементов.
Процесс конденсации субэлементарных частиц протекает по законам кинетики фазовых переходов, в которой рассматриваются процессы роста новой фазы на гетерогенных или гомогенных зародышах (центрах нуклеации) в зависимости от параметров (температура, давление, концентрация), определяющих ту или иную степень пересыщения и нестабильности исходной системы и возможности образования центров и роста новой фазы.
Детально процесс конденсации изучен на примере образования тумана. Это явление широко применяется для наблюдения за треками перемещения радиоактивных частиц в ядерных реакциях в камере Вильсона. Пересыщенное состояние создается путем разряжения атмосферы быстрым перемещением поршня над поверхностью водноспиртовой смеси. Пролетающая элементарная частица выполняет роль центра нуклеации и образующиеся микроскопические капельки тумана четко обозначают трек частицы. Как правило, размер капель не превышает 5-10 мкм. Наблюдается узкое распределение частиц по размеру, что, как указывалось выше, является необходимым условием высокой одинаковости частиц и кратности атомных масс, синтезируемых из них элементов.
Другой путь образования атомов водорода точнее протонов и нейтронов - это их возникновение в качестве продуктов распада при протекании различных ядерных процессов. Понятно, что это основной источник пополнения водорода в природе, поскольку водород непрерывно расходуется на синтез элементов. И в этом случае помощь в решении проблемы можно найти в привлечении принципа аналогии физических явлений в макро и микромире.
Рис.1.Эффект crown splash (фото Глюк).
На рис.1 показано фото, на котором зафиксирован момент удара капли жидкости о поверхность другой жидкости. Вокруг упавшей капли образуется плоское кольцо (rim), которое разделяется на равномерно расположенные по окружности струйки, распадающиеся на вторичные капли. Образовавшаяся фигурка напоминает корону, почему это явление и получило название crown splash. При одном ударе образуется от 1-2 до нескольких десятков вторичных капель Этому явлению посвящено большое количество исследований [3, 4]. В многочисленных публикациях приводятся похожие иллюстрации.
Даже чрезмерно не напрягая фантазию, можно представить похожую картину при ударе малого капельного атомного ядра в другое ядро, имеющее структуру жидкости и образование «вторичных капель» - протонов и нейтронов. Обращает на себя внимание высокая степень одинаковости образующихся вторичных капель. Коэффициент вариации по диаметру капель не превышает 0,13%. Учитывая бесконечно большую статистическую выборку можно считать, что «капли» обдадают одной и той же атомной массой и тем самым обеспечивается кратность атомных масс у синтезируемых химических элементов.
В заключение этого раздела приведем типичные условия эксперимента из работы [4]. В качестве жидкости использовалось силиконовое масло с плотностью 0,92 г/см3, поверхностное натяжение 0,21 дин/см, динамическая вязкость 5,2 СП. Диаметр капли 1,55 мм, Скорость удара капли 3,26 м/с. Диаметр короны 4 мм. Диаметр вторичных капель 0,2 мм. На фото нал короной насчитывается 32 вторичных капли одинакового диаметра.
3.Водородный (протон-протонный) цикл.
Первой ядерной реакцией процесса синтеза химических элементов является протон-протонный или водородный цикл. В результате этой реакции четыре протона, соединяясь, образуют атом гелия. Поскольку наиболее вероятны биатомные реакции, то процесс, по-видимому, протекает в несколько стадий. Первая стадия взаимодействие двух протонов: р р > 2Н q1, (1) где q1 - энергетический эффект реакции. Вторая стадия представляет взаимодействие образовавшегося дейтерия (точнее его ядра) с протоном c образованием ядра трития и энергетическим эффектом q2: 2Н p > 3H q2, (2)
Далее само образование ? частицы, ядра гелия, в зависимости от энергетического эффекта может идти путем взаимодействия двух ядер дейтерия или ядра трития и протона: 2Н 2Н > 4Н (Не) q3, (3)
3H p > 4Н (Не) q4, (4)
Энергетический эффект реакции ?Е образования атома гелия из 4-х атомов водорода обусловлен уменьшением потенциальной энергии микрогравитационного (электрического по принятой терминологии) взаимодействия. Его рассчитывали по формуле: -?Е = gm1m2/-(r1 r2), (1) где g - константа микрогравитации равная 1,847.1028см3/гс2, m1, m2, r1 и r2 - массы и радиусы взаимодействующих ядер атомов. Радиусы определяли по формуле объема шара (V=4,189r3), принимая плотность ядерного вещества равной 1012 г/см3.
Рассчитанные величины радиусов ядер равны: протон- 0,7364.10-12см, дейтерий-0,9278.10-12см, тритий- 1,062.10 -12 см и ядро гелия 1,169.10-12см. С использованием полученных величин радиусов ядер по формуле (1) рассчитывали энергетические эффекты реакций (1, 2, 3 и 4). Они оказались равными следующим величинам. Образование из двух протонов ядра дейтерия реакция (1) 2,453.104 ЭВ (3,93.10-8 эрг). Взаимодействие протона с ядром дейтерия реакция (2) 1,136.104 ЭВ (1,821.10-8 эрг). Реакция между двумя ядрами дейтерия с образованием ядра гелия реакция (3) 6,956.104 ЭВ (11,14.10-8эрг) Образование ядра гелия присоединением протона к ядру трития по реакции (4) 5,383.104 ЭВ (8,623.10-8 эрг).
Сравнивая рассчитанные энергетические эффекты, видим, что энергетически наиболее выгодно протекание процесса образования гелия по реакциям (1) и (3), то есть с первоначальным взаимодействием двух протонов и последующей реакцией образовавшихся ядер дейтерия. Суммарный энергетический эффект этих реакций равен 9,409.104 ЭВ (15,07.10-8 эрг) или 0,9077.107 КДЖ на моль гелия.
Это потенциальная энергия сближения 4-х протонов и образования ядра гелия. В соответствии с теоремой вириала 50% этой энергии во время сближения выделяется в виде излучения полного спектра от микроволнового до ?-излучения. Вторая половина потенциальной энергии реализуется в повышении орбитальной скорости протонов, с которой они приближаются к общему центру масс, ядру образующегося атома гелия. Частично эта энергия реализуется в виде энергии вращения ядра гелия. Остальная часть рассеивается (взрыв) в виде кинетической энергии субэлементарных частиц в окружающем пространстве. Такое распределение кинетической энергии, как будет показано ниже, поддается количественной оценке.
Частота (энергия) вращения ядра, как отмечалось во введении, играет наряду с массой решающее значение в генезисе химических элементов. В частности, предполагается, что ядра инертных (благородных) элементов обладают предельной, максимально допустимой для цельности окружающего поля частотой вращения и этим объясняется окончание периода в таблице. В этой связи представляет интерес оценить частоту и энергию вращения элементов 1-го периода, водорода и гелия.
Для оценки частоты вращения ядер химических элементов наряду с ЯМР может быть использован предложенный нами ранее[5] косвенный метод. Этот метод основан на предположении, что окружающее вращающееся ядро поле можно рассматривать, как вязко-упругое тело. В этом случае вращающееся ядро передает часть своего импульса окружающему полю, в котором создаются условия, определяющие по выражению М. Фарадея [6] «характер обращения орбитальных объектов». Таким образом, по параметрам орбитального движения можно судить о частоте вращения ядра. Детально этот вопрос будет рассмотрен в следующем разделе. Здесь лишь приведем величины частот вращения ядер водорода и гелия соответственно 1,106.1015 и 1,177.1015 с-1, которые были определены в предыдущих работах [7, 8].
Кинетическую энергию вращения ядер Ekr рассчитывали по формуле: Ekr= I?2 /2, I=2/5mr2, ? = 2?? или Ekr = 7,898?2с mr2с, (2) где I- момент вращения, ?- угловая скорость, m, rc, ?с - масса, радиус и частота вращения ядра.
Кинетическая энергия вращения ядра гелия при расчете по формуле (2) оказалась равной: 99,42.10-18 эрг или 62,06.10-6 ЭВ.
Кинетическая энергия вращения четырех протонов: 8,77.10-18 ? 4 = 35,08.10-18 эрг или 21,9.10-6 ЭВ
Следовательно, энергия вращения ядра гелия на 64,34.10-18 эрг больше энергии вращения 4-х ядер водорода. Это превышение компенсируется за счет энергетического эффекта водородного цикла, точнее той его части, которая реализуется в виде повышения орбитальной кинетической энергии.
4. Оценка частоты вращения ядер химических элементов.
Наряду с массой ядра его частота вращения является основным параметром, определяющим физические и химические свойства химических элементов. Ранее показано[9], что между индексом электроотрицательности элементов I и комплексом (m? -1), m- масса и ?c- частота вращения ядра, наблюдается практически линейная связь с коэффициентом корреляции 0,97. Индекс электроотрицательности интегрально охватывает все химические свойства элементов. Поэтому можно говорить о прямой связи между химическими свойствами и частотой вращения ядер элементов. с
Что касается физических свойств, то объединяющим показателем здесь может быть длина волны рентгеновского излучения К?1. Она отражает излучение на первой боровской орбите с n = 1. Начиная с лития, длина волны непрерывно снижается на три порядка с ? = 22,8 до 0,131 нм для урана. Уменьшение длины волны означает уменьшение радиуса первой рентгеновской орбиты. Это хорошо согласуется с предложенной ранее [10] уточненной формулой разрешенных орбит Н.Бора: r = kn2, r = n2(gmc/c?c)0,5, k = (gmc/c?c)0,5 , k = rn1. (3) где r - орбитальный радиус, n - главное квантовое число, g - константа микрогравитации 1,847.1028 см3/гс2, mc - масса ядра, с - скорость света, ?с - частота вращения ядра, k - постоянная величина индивидуальная для каждого элемента численно равная радиусу орбиты при величине главного квантового числа n = 1. Величину rn1 и следовательно k можно рассчитать по уравнению 3-го закона Кеплера, имеющего для атомных систем вид: ? = 2?сr1,5/(GMD)0,5 или ? = (GMD)0,5/2?r1,5, (4) , где ? и ? - длина волны, и частота излучения, М - атомная масса, d - дальтон (1,661.10-24 г).
Например, для натрия, подставив длину волны рентгеновского излучения К , ? = 1,191 нм и М = 22,99, получим величину орбитального радиуса r = r = k = 0,6558.10-10 см. Далее, по уравнению 3.3, подставив значение m = M.1,661.10-24г рассчитываем частоту вращения ядра атома натрия ?с = 5,469.1015с-1. ?1 n1 c
Близкие значения получены при расчете величины k по энергии ионизации и длине химических связей. Необходимо отметить, что все эти три метода являются косвенными и основаны на предположении, что создаваемое ядром поле обладает вязко-упругими свойствами, вследствие чего вращение ядра вызывает сдвиговую деформацию окружающего поля и таким образом влияет на параметры орбитальной системы, в частности на величину орбитальных радиусов. И по степени этого влияния, по тем изменениям, которые оно вызывает в орбитальной системе можно судить о частоте вращения самого ядра.
Все это оказалось возможным после того, как появились методы, позволяющие количественно с высокой точностью характеризовать орбитальные системы атомов. Речь в первую очередь идет о применении 3-го закона Кеплера к атомным системам, см уравнение (4), позволяющего по частотам излучения рассчитывать орбитальные радиусы, а также приведенное выше уточненное уравнение Бора для разрешенных орбит (3).
С использованием рассмотренного метода были рассчитаны скорости вращения ядер химических элементов во всех периодах. Оказалось, что скорость вращения ядер по мере увеличения массы непрерывно увеличивается. Прирост скорости вращения ядер и соответственно кинетической энергии вращения связан с захватом элементарных частиц и легких атомов на орбиту и приданием им скорости за счет энергии микротяготения или электрических сил по существующей терминологии.
5. Радиусы атомов.
Радиус атома ra характеризует его размер и является одним из важнейших параметров атома. Величина радиуса изменяется необычным образом с увеличением атомной массы. Казалось бы увеличение массы атома должно вести к увеличению его размера, то есть к соразмерному росту величины радиуса атома. Фактически каждый период начинается с атома (щелочной металл), имеющего большой радиус, затем по мере роста атомной массы внутри периода наблюдается постепенное уменьшение радиуса и, наконец, у последнего атома в периоде (инертный газ) радиус наименьший. В начале следующего периода снова имеем атом (щелочной металл) со скачкообразно возросшим размером. Далее идет постепенное уменьшение радиуса с минимальной величиной в конце периода (инертный газ). И так повторяется во всех периодах. Описанная закономерность отражена на рис.2, который заимствован из Интернета. Причина столь необычного изменения размеров атомов внутри периодов является ключевой в понимании генезиса атомов и будет подробно рассмотрена в следующем разделе.
Рис.2. Зависимость радиусов атомов химических элементов от порядкового номера элемента в периодической таблице.
Как оказалось, описанное изменение радиусов элементов имеет тесную связь с проблемой их генезиса. Поэтому этот вопрос рассматривается здесь в деталях.
Существует несколько методов определения радиусов атомов химических элементов. Наиболее распространенным является кристаллохимический метод, в котором о размерах атома судят по длине химических связей и межплоскостным расстояниям в кристаллах. При образовании химических связей и кристаллов происходит деформация атомов, и trialры радиусов занижаются. Однако, получаемые этим методом величины широко используются в практических расчетах, так как отражают размеры молекуд реальных веществ.
Другим вариантом в этом вопросе является стремление установить размер недеформированного атома, теоретическое значение его размера. С этой целью предложено несколько методов определения так называемого вандерваальсова радиуса. Наиболее надежным и простым на наш взгляд является спектроскопический метод. Сущность этого метода определения заключается в нахождении минимальной частоты или максимальной длины волны в инфракрасном спектре излучения тестируемого химического элемента и последующем расчете по найденной частоте радиуса атома с использованием формулы Кеплера (4).
Основная трудность заключается в установлении предельно низкой частоты излучения.
Размер атома задается пtrial которое создается вращающимся ядром. Все функции поля, в том числе напряженность и частота спадают по квадратичному trialy до нулевого значения только в бесконечности. Поэтому за расстояние, на котором поле является практически эффектtrial, приходится брать некоторую условную величину, например, величину напряженности поля равную 1% от максимальной наtrialнности у ядра.
В нашем случае такой условной величиной принимается квантовое число ni = 6 при nj = 7, соответствующее головной частоте в шестой серии в уравнении Бальмера-Ридберга (серия Хамфри для водорода): ? = CR(1/n2 i - 1/n2j ), (5) где ? - частота излучения, с - скорость света, R - постоянная Ридберга, ni и nj - квантовые числа.
Орбита с указанными квантовыми числами удалена от центра атома настолько, что орбитальная скорость электрона на ней близка к его тепловой скорости. Поэтому между свободными электронами в окружающем пространстве, движущимися с тепловой скоростью и орбитальными электронами может происходить обмен. Устанавливается динамическое равновесие, которое и определяет естественную границу атома.
Рассмотрим пример с атомом водорода. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией тепловая (среднеквадратичная) скорость электрона Выражается уравнением: v = (3KT/m) 0,5, (6).
Подствив в уравнение (6) значение константы Больцмана k = 1,381.10-16 эрг/град, температуру Т = 300 К и массу электрона m = 0,2942.10-24 г, рассчитанную по энергии ионизации водорода [11], получим значение тепловой скорости электрона v = 0,650.106 см/с.
Расчет орбитальной скорости vo выполним по уравнению: vo = (gm/r) 0,5, (7)
Здесь g- константа микрогравитации, m- масса ядра атома водорода, r- орбитальный радиус орбиты головной частоты в серии Хамфри. Рассчитав частоту по уравнению Бальмера-Ридберга (5) для ni = 6, nj = 7, получим величину ? = 0,02425.1015 с -1.
С использованием этой частоты по уравнению Кеплера (4) рассчитаем орбитальный радиус, соответствующий этой частоте r = 110.1 пм. Далее по длине окружности орбиты и частоте обращения электрона определим орбитальную скорость: v = 2?r? = 1,676.106 см/с. Можно видеть, что по порядку величины она близка к тепловой скорости электрона (v = 0,650.106 см/с). Таким образом, радиус атома, определяемый o орбитой с квантовыми числами ni = 6 и nj = 7 действительно можно считать теоретическим радиусом недеформированного атома. Правда, по своей величине это значение радиуса воспринимается, как завышенное по сравнению с привычно приводимыми в литературе радиусами, определяемыми кристаллохимическими методами, где,как отмечалось, всегда имеет место деформация размеров атома.
Кристаллохимическому радиусу в большей степени соответствует предельная орбита с квантовыми числами ni = 6 и nj = ?, на которой электрон обращается без излучения, то есть без потребления энергии (разрешенная орбита). Для водорода частота этой неизлучающей орбиты, рассчитанная по уравнению (5) равна 0,09135 c-1, а радиус 45,5 пм.
На рис.3 дается зависимость частоты излучения от радиуса атома водорода. На рисунке стрелками отмечены радиусы, соответствующие головной частоте 110,1 пм (ni = 6, nj = 7) и предельной частоте 45,5 пм (ni = 6, nj = ?). Можно видеть, что для водорода недеформированный (теоретический) радиус почти в два с половиной раза больше значения, получаемого кристаллохимическим методом.
3,5
3
2,5
2 v.10^-15 s^-1
1,5
1
0,5
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 r, pm
Рис..3. Зависимость частот излучения от радиуса атома водорода.
Для расчета частот излучения других элементов по уравнению Бальмера-Ридберга (5) необходимо знать постоянную Ридберга, которая имеет индивидуальное значение для каждого элемента. Ранее было показано, что эта постоянная численно равна первой энергии ионизации элемента, выраженной в обратных см-1 [12, 13]. Например, для лития энергия ионизации равна EI = 5,390 ЭВ или 8,635.10 -12 эрг. Соответственно постоянная Ридберга R для лития равна: R = EI /ch = 0,4346.105 см-1, (8) где c - скорость света, h - постоянная Планка.
Зная R, по уравнению (5) рассчитываем головную частоту ? в шестой серии для n = 6 и nj = 7. Для лития она равна ?6 = 0,00960 с-1. Это частота обращения электрона по поверхностной орбите с радиусом r недеформированного атома. Далее по уравнению (4) рассчитываем радиус атома. Для лития он равен 388,3.10-10 см или 388,3 пм. i a Предельную частоту находим также по уравнению (5), подставив значения квантовых чисел n = 6 и n = ?, ? = 0,03619.1015 с-1. Радиус атома лития, рассчитанный по предельной частоте равен 160,3.10-10 см. i j
Подобная процедура использована для расчета радиусов всех других элементов, см. таблицу1. Этот метод имеет преимущество перед другими методами, так как позволяет получить истинные «недеформированные» значения, как это имеет место, например, при наиболее распространенном кристаллографическом методе. Благодаря использованию квантового числа ni = 6 в уравнении Бальмера-Ридберга получаются значения радиусов атомов сопоставимые для всех элементов. Кроме того, расчет производится по известным надежно измеренным справочным данным атомных масс и энергий ионизации.
Таблица 1. Радиусы, ra, атомов элементов.
№ Сим Атом I, ЭВ I.1012 R.10-5 ?, с-1 ra, пм ?, c-1 ra, пм эл вол масса эрг см-1 ni = 6 ni = 6 ni = 6 ni = 6
элем М 1 2 3
1 H 1,008 2 Не 4,003 3 Li 6,939 4 Be 8,012 5 B 10,81 6 C 12,01 7 N 14,01 8 O 16,00 9 F 19,00 10 Ne 20,18 11 Na 22,99 12 Mg 24,31 13 Al 26,98 14 Si 28,09 15 P 30,97 16 S 32,06 17 Cl 35,45 18 Ar 39,95 19 K 39,10 20 Ca 40,08 21 Sc 44,96 22 Ti 47,90 23 V 50,94 24 Cr 52,00 25 Mn 54,94 26 Fe 55,85 27 Co 58,93 28 Ni 58,83 29 Cu 63,55 30 Zn 65,37 31 Ga 69,72 32 Ge 72,59 33 As 74,92 34 Se 78,96 35 Br 79,90 36 Kr 83,80 47 Rb 85,47 48 Sr 87,82
В таблице1 приведены радиусы атомов химических элементов первых четырех периодов Периодической системы, рассчитанные по головным и предельным частотам излучения. Наблюдается хорошее согласие с литературными данными. В первом периоде при переходе от водорода к гелию несмотря на четырехкратное увеличение атомной массы радиус атома гелия практически не изменился. Но в начале второго перида при переходе к литию при увеличении атомной массы с 4,003 до 6,939 радиус возрос скачкообразно в 3,3 раза.
Дальнейшее увеличение атомной массы сопровождается медленным, но все же значительным уменьшением радиуса, так что в конце периода у неона атомная масса возросла до 20,18, а радиус при этом уменьшился в 1,7 раза. Подобная закономерность наблюдаеся в других периодах. В начале периода у щелочного металла наблюдается резкое увеличение радиуса атома, которое затем сменяется его постепенным уменьшением до минимального значения у инертного газа, чтобы затем снова скачкообразно возрасти в начале следующего периода.
Отмеченная закономерность фиксируется как при определении радиуса по головным, так и предельным частотам излучения, то есть она имеет объемный характер, затрагивает глубину атома и имеет непосредственное отношение к проблеме генезиса химических элементов.
6. Роль орбитального захвата атомов и элементарных частиц в генезисе химических элементов.
В предыдущих разделах 4 и 5 высказано мнение, что наряду с массой, определяющее значение для свойств атома имеет частота вращения его ядра. Было также обращено внимание на необычную закономерность изменения радиуса атомов внутри периодов Периодической системы. В этом разделе рассматривается проблема синтеза элементов путем орбитального захвата ядер легких элементов. В качестве доказательства этого процесса дается расчет повышения кинетической энергии вращения образующегося элемента, что находит свое выражение в увеличении его частоты вращения.
Образование новых элементов происходит путем взаимодействия ядер элементов, которые согласно существующим представлениям заряжены положительно и отталкиваются друг от друга. Это вызывает трудности для объяснения синтеза элементов. Концепция микрогравитационных взаимодействий позволяет «легко и просто» объяснять проблему, так как между ядрами действует сила притяжения, подчиняющаяся обратно квадратичному закону.
Однако, при взаимодействии двух независимых тел с силовым обратно квадратичным притяжением согласно динамике орбитального движения захват одного тела другим может произойти только в том случае, если какая-то третья сила (тело) вызовет снижение скорости захватываемого тела ниже параболической («второй космической») скорости. Например, в космонавтике включают тормозной двигатель. В микромире торможение захватываемого атома осуществляется микрогравитационным взаимодействием с третьими телами (атомами), присутствующими в системе. Во всяком случае, для захвата должно быть выполнено условие, при котором орбитальная скорость захватываемого атома vo должна быть < 2gm/ro, где g- константа микрогравитации, m-масса центрального атома, ro- орбитальный радиус.
Орбитальный механизм захвата легких атомов Н и Не при последовательном синтезе элементов в Периодической системе доказывается непрерывным ростом частоты вращения по мере увеличения массы (номера) элемента. Все многообразие химических и физических свойств элементов в основнм обусловлено взаимным сочетанием атомной массы и частоты вращения ядра атома.
Можно себе представить следующую картину орбитального захвата ядра легкого элемента, например протона, и образования нового элемента. На поверхности атома, где орбитальная скорость близка к тепловой скорости протонов, один из хаотично движущихся протонов вследствие взаимодействия с соседними протонами и ядром атома получает скорость ниже параболической, предписываемой ядром захватывающего атома. Протон с такой скоростью захватывается атомом и начинает обращаться на его внешней орбите.
Далее вступают в действие силы торможения, обусловленные неполной тангенциальной ориентацией силовых линий на разрешенной орбите, силовым взаимодействием с соседними атомами и вязким сопротивлением окружающей физической среды (эфир). Торможение в зависимости от конкретной ситуации может происходить с разной интенсивностью, и время пребывания на орбите может составлять от долей секунды до миллионов лет. Так или иначе, но в конечном итоге орбитальный атом упадет сначала на низ лежащие орбиты и в конце-концов на ядро центрального атома, увеличив массу и частоту вращения последнего. Образуется новый атом с присущей ему массой и частотой вращения, а следовательно с характерными для этого атома физическими и химическими свойствами.
Таблица 2. Рост частоты вращения ядер химических элементов с увеличением атомной массы.
№ Сим Атом эл вол масса элем. М 1 2 3
1 H 1,008 2 Не 4,003 3 Li 6,939 4 Be 8,012 5 B 10,81 6 C 12,01 7 N 14,01 8 O 16,00 9 F 19,00 10 Ne 20,18 11 Na 22,99 12 Mg 24,31 13 Al 26,98 14 Si 28,09 15 P 30,97 16 S 32,06 17 Cl 35,45 18 Ar 39,95 19 K 39,10 20 Ca 40,08
В таблице 2 приведены данные расчета частоты вращения ядер атомов для первых трех периодов Периодической системы, которые подтверждают сказанное. На рис.4 показана зависимость частоты вращения от атомной массы элементов. Она непрерывно растет с 1,106.1015 у водорода до 35,55.1015 с-1 для кальция. Рост частоты продолжается во всх следующих периодах и достигает максимальные значения у радиоактивных элементов. Для радона она равна 3874.1015 , лля урана 4872.1015 с-1.
Рис.Зависимость частоты вращения ядер атомов от их атомной массы.
Частоту вращения рассчитывали по упомянутой ранее уточненной формуле разрешенных орбит Н.Бора (3). Коэффициент k, входящий в формулу, рассчитывали по длине волны характеристического рентгеновского излучения К?1, используя уравнение 3-го закона Кеплера (4).
Приводим пример расчета для неона. Преобразуем уравнение Кеплера (4) для расчета k: k1,5 = r1,5n1 = (GMD)0,5?/2?c, (9)
Здесь g = 1,847.1028, M = 20,18, d = 1,661.10-24, ? = 1,461.10-7, c = 2.998.1010. Подставив приведенные значения, получим k = 0,7194,10-10. Для расчета частоты вращения ядра ?с преобразуем уравнение Бора (3): ?с = GMD/ck2, (10)
Здесь g = 1,847.1028, M = 20,18, d = 1,661.10-24, c = 2.998.1010, k = 0,7194,10-10. Подставив приведенные значения величин, получим ?с = 3,989.1015.
Для водорода и гелия рентгеновские данные отсутствуют. Поэтому расчет коэффициента k проводили по энергии ионизации и длинам химических связей. Данные для первого периода несколько выпадают из общей карины, однако закономерность сохраняется - с увеличением атомной массы частота вращения ядра растет.
У первого атома второго периода Li частота вращения ядра составляет 0,1675.1015 с-1. После захвата легких элементов преимущественно ядер водорода и увеличения атомной массы частота возрастает у неона до величины 3,989.1015 с-1. При этом одновременно наблюдается, как уже отмечалось, непрерывное уменьшение радиуса атома.
У лития он равен 388,3/160,3 пм, тогда как у последнего атома второго периода Ne существенно меньше 229,8/94,83 пм.
Эта синхронность (обратная) в изменении частоты вращения ядра и радиуса атома указывает на тесную связь между этими величинами. Эта связь подтверждается данными по третьему периоду. Частота в начале периода у натрия составляет 5,469.1015 с-1, а к концу периода у аргона возрастает в 5 раз до 26,43.1015 с-1. Одновременно наблюдается уменьшение радиуса атомов в периоде. Сразу при перехоле к третьему периоду Ne > Na радиус скачкообразно возрастает с 229,8/94,83 до 597,4/246,6 пм, а концу периода у аргона уменьшается до 340,2/140,5 пм. Установленная связь между величинами радиуса и частотой вращения ядра атома рассматривается в следующем разделе 7.
7. О причине периодичности в изменении свойств химических элементов.
Основными параметрами атома являются масса и частота вращения ядра. Тот и другой параметр, как следует из таблиц 1 и 2, изменяются монотонно последовательно без каких-либо признаков периодичности. Каким образом периодичность возникает? Чем она обусловлена?
Поле, образуемое ядром, моделируется как упруго-вязкое тело. При деформации поля в нем появляется анизотропия свойств, оно может быть охарактеризовано модулем упругости и коэффициентом вязкости. Очень емкую характеристику поля в свое время ввел М.Фарадей - силовые линии поля.
На рис.5 схематично представлено взаимодействие вращающегося ядра (1) атома с образованным им полем. Силовая линия (2), исходящая из ядра радиально, когда оно неподвижно, при вращении изогнута и напряжена. Построим параллелограмм сил в точке А силовой линии. Равнодействующая сила натяжения f2 раскладывается на две составляющих - тангенциальную силу f1 и радиальную силу f3.
Рис.5. Схема сжатия силовых линий поля при увеличении частоты вращения ядра атома: 1- ядро атома, 2- силовые линии поля, f1, f2 и f3- тангенциальная, равнодействующая сила натяжения и радиальная сила сжатия.
Радиальная составляющая выполняет двойную функцию. Во-первых, фиксирует поле на поверхности ядра так, что оно вращается в виде пограничнго слоя (вязкость!) вместе с ядром. Во-вторых, радиальная составляющая вызывает сжатие поля, вращающегося вместе с ядром в виде пограничного слоя. Чем больше частота вращения, тем выше напряжение силовых линий и тем сильнее сжимается поле и уменьшается радиус атома. Процесс сжатия идет до определенного предела, пока не произойдет срыв пограничного слоя или разрыв силовых линий. Скачкообразно поле вокруг атома «разбухает», радиус резко возрастает.
Независимо частота вращения ядра продолжает увеличиваться. Снова вокруг ядра образуется пограничный слой в виде силовых линий поля. Снова поле сжимается вследствие повышения частоты вращения до определенного предела, когда происходит срыв пограничного слоя и резкое увеличение размеров атома. Так реализуется периодичность изменения физических и химических свойств с ростом массы атома.
Изложенные здесь представления об образовании новых химических элементов объясняют также вопрос об увеличении размера (длины) периода с увеличением атомной массы. По мере роста последней уменьшается отношение масс «падающего» орбитального тела и «нового» атома, которое определяет прирост частоты вращения. Увеличивается продолжительность достижения критического состояния, при котором происходит срыв пограничного слоя и начало образования нового периода. И следовательно увеличивается длина самого периода. В первом периоде относительный прирост массы большой, частота у атома гелия сразу резко возрастает и при дальнейшем увеличении массы и образовании атома лития происходит срыв пограничного слоя и увеличение радиуса атома.
В следующем периоде масса исходного атома больше и относительный прирост меньше, поэтому критическое состояние, при котором присхоит срыв пограничного слоя достигается только через 7 атомов у натрия.
Таким образом, химические свойства атома определяются атомной массой и частотой вращения ядра атома, которые в свою очередь задают объем атома. В этой связи становится понятной. обнаруженная нами ранее [9] линейная зависимость электроотрицательности химических элементов от атомной массы и частоты враще
Вывод
1. Периодическая система отражает процесс синтеза (генезиса) химических элементов проходящего путем орбитального захвата элементов и их торможения вследствие неполной тангенциальной ориентации силовых линий поля, силового взаимодействия с окружающими другими атомами, а также вязкого сопротивления окружающей физической среды (эфира).
2. Начальной стадией генезиса является образование водорода (протонов), который является исходным материалом для синтеза всех других элементов. Водород образуется путем конденсации субэлементарных частиц по законам фазовой кинетики аналогично образованию тумана (пересыщенные состояния, зародышеобразование, рост новой фазы) и во время ядерных реакций в продуктах распада.
3. Первой стадией синтеза элементов является «водородный цикл», при котором из четырех атомов водорода образуется атом гелия. Процесс протекает в две стадии. Энергетически более выгодно сначала взаимодействие двух протонов с образованием дейтерия, а затем взаимодействие двух образовавшихся атомов дейтерия с получением атома гелия. Суммарный энергетический эффект реакций, рассчитанный по изменению потенциальной энергии при постоянной тяготения между атомами 1,847.1028см3/гс2 равен 0,9077.107 КДЖ на моль гелия.
4. Образование элементов происходит путем орбитального захвата исходным атомом атома легкого элемента (водород, гелий) благодаря снижению скорости ниже параболической за счет взаимодействия с третьим атомом. Захваченный на разрешенную орбиту атом тормозится, повышая свою орбитальную скорость, вследствие не полной тангенциальной ориентации силовых линий поля, а также силового взаимодействия с соседними атомами и вязкого сопротивления физической среды (эфира). В результате торможения захваченный атом переходит на более низкопотенциальную орбиту, излучая энергию в окружающее пространство и в равной мере повышая свою кинетическую энергию. Такой переход на низ лежащие орбиты происходит до тех пор пока атом не упадет на ядро исходного атома. Кинетическая энергия упавшего атома, которая составляет 50% от общего снижения потенциальной энергии атома, идет на повышение кинетической энергии и частоты вращения исходного атома. Таким образом, повышение атомной массы во время синтеза элементов сопровождается увеличением частоты вращения ядер синтезируемых элементов.
5. Микрогравитационное поле вокруг ядра моделируется, как упруго-вязкое тело, которое захватывается вращающимся ядром в виде пограничного слоя. Повышение частоты вращения ядра приводит к натяжению силовых линий поля и уменьшению радиуса атома. При достижении критического натяжения происходит срыв пограничного слоя, поле релаксирует и радиус атома скачкообразно возрастает. Такая ситуация повторяется неоднократно. Этим объясняется образование периодов в Периодической системе химических элементов.
Список литературы
1. АТ Серков, АА Серков, Естественная радиоактивность, атом урана, в книге: Гипотезы-2, Москва, 2015, ВИНИТИ, с.48.
2. АТ Серков, АА Серков, Микрогравитация, электричество, силы притяжения и отталкивания в атоме, там же, с.8.
3. ВА Архипов, ВФ Трофимов, Образование вторичных капель при ударном воздействии капли с поверхностью жидкости, Прикладная механика и техническая физика,2005, т.16, №1, с.35-62.
4. RD Deegan,Ph Brunet, J Eggers, ARXIV: Rayleigh-Plaeau instability causes the crown splash, 0806.3050v2[physics. Flu-dyn] 3 Dec 2008.
5. АТ Серков, О химических и межмолекулярных связях, Гипотезы, Москва, 1998, ВИНИТИ, с.116-136.
6. АТ Серков, АА Серков, Верификация гипотезы М Фарадея о силовых гравитационных линиях в космосе, Lambert Academic Pablishing, 2015.
7. АТ Серков, АА Серков, О частоте вращения ядра в атоме водорода, Гипотезы-2, с.253. 8. АТ Серков, АА Серков, Применение квантовой теории Н Бора для описания много электронных атомов, Гипотезы-2, с. 180.
9. АТ Серков, Гипtrial, с. 134.
10. А.Т.Серков, Количественное выражение Периодического закона Д.И.Менделеева Химические волокна, 2005, №3, с. 57-60; ПАТ Serkov, Quantitative Expression of the Mendeleev Periodic Law, Fibre Chemistry, 2005, Volume 37, Number 3, Pages 222-226.
11. АТ Серков, АА Серков, Масса электрона, Гипотезы-2, с.225-232.
12. АТ Серков, АА Серков, Радиусы атома водорода и щелочных металлов, там же с.163-172. 13. АТ Серков, АА Серков, Частоты излучения, потенциалы ионизации и орбитальные радиусы инертных газов, там же с.171-179.