Вокруг ядра атома вращаются что
Что находится внутри атомного ядра?
Большая часть массы атома сосредоточена в его ядре. Ядро атома окружено чрезвычайно маленькими и легкими электронами, которые вращаются в атоме, но не нарушают значительного пустого пространства между ядром и границами атома. Чтобы получить четкое изображение ядра атома, нужно сначала знать, что происходит с электронами и остальной частью атома.
Электроны вокруг ядра атома
Электроны имеют свои специфические орбиты, а именно: S, P, D, F, а затем G. Каждая орбита представляет собой сферическую оболочку, и имена выводятся из спектра испускаемого света из этих оболочек, описывающих характер спектральных линий. Другой факт об электронах заключается в том, что они находятся везде, что позволяют квантовые законы.
Электроны вращаются вокруг плотного ядра атома в облаках отрицательного заряда.
В атоме углерода, например, шесть электронов. Два из них занимают сферическую оболочку в центре атома, а остальные четыре распределены в смеси сферических оболочек и трехлопастных оболочек. Таким образом, ядро окружено чем-то вроде облаков отрицательного заряда, а электроны находятся везде, где только могут быть, но не заполняют пустые пространства. Электроны помогают создавать молекулы.
Электронные связи между атомами
Если два атома углерода подходят достаточно близко, их ближайшие электроны взаимодействуют и образуют одинарную связь. Эта связь в химии называется сигма-связью. Затем облака изгибаются и соединяются, создавая «Пи-связь», которая выглядит как деревья, соединяющие верхние ветви над улицей.
Связи становятся все более и более сложными в различных ситуациях, и это выходит за рамки данной статьи. Тем не менее одна вещь остается постоянной во всех этих связях: электроны все еще рассеяны в относительно огромном облаке вокруг очень плотного ядра, и там все еще много пустого пространства. Электрические поля и электронные облака удерживают эту огромную пустоту вместе. Что же тогда находится внутри ядра атома?
Протоны и нейтроны
Внутри протонов и нейтронов
В 1950-х годах наука поняла, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц. Несколько лет спустя, в 1964 году, американский физик Мюррей Гелл-Манн представил кварки. Он не знал, сколько типов кварков существует, но сегодня открыто по крайней мере шесть кварков: верхний (символ u α ), нижний (символ d α ), странный (символ s α ), очарованный (символ c α ), красивый (символ b α ) и истинный (символ t α ).
Если рассматривать протон как баскетбольный мяч, каждый кварк будет меньше песчинки. Следовательно, большая часть протона и нейтрона также является пустым пространством, в то время как кварки перемещаются со скоростью, близкой к скорости света.
Маленькие ядра удерживают частицы настолько малы, что наше самое мощное и самое точное оборудование не может их видеть. В то же время они обладают самой сильной силой, когда-либо существовавшей в пустых пространствах и сверхмалых частицах, называемых кварками.
Общие вопросы об атомном ядре
Вопрос: Что находится в ядре атома?
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протоны несут положительный заряд, равный электронам, вращающимся вокруг, а нейтроны не несут заряда, но весят столько же, сколько протоны.
Вопрос: Какова функция ядра атома?
Ядро атома создает силу, необходимую для того, чтобы держать атом вместе и в порядке. Это самая тяжелая часть атома и очень плотная. Размер ядра по отношению ко всему атому подобен мячу на футбольном поле.
Вопрос: Ядро атома нейтрально?
Ядро атома несет положительный электрический заряд. Однако атом нейтрален, поскольку количество электронов с отрицательным зарядом равно количеству протонов в ядре.
Как работают атомы
Что удерживает электрон в атоме на орбите атомного ядра?
На первый взгляд, особенно если смотреть на мультяшную версию атома, описанную мною ранее со всеми её недостатками, электроны, двигающиеся по орбите вокруг ядра, выглядят так же, как планеты, двигающиеся по орбите вокруг Солнца. И вроде бы принцип этих процессов одинаков. Но есть подвох.
Что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца? В Ньютоновской гравитации (Эйнштейновская сложнее, но тут она нам не нужна) любая пара объектов притягивается друг к другу посредством гравитационного взаимодействия, пропорционального произведению их масс. В частности, гравитация Солнца притягивает к нему планеты (с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. То есть, если расстояние уменьшается вдвое, сила увеличивается вчетверо). Планеты тоже притягивают Солнце, но оно настолько тяжёлое, что это почти не влияет на его движение.
Инерция, тенденция объектов к перемещению по прямым линиям в случае отсутствия действия на них других сил, работает против гравитационного притяжения, и в результате планеты двигаются вокруг Солнца. Это видно на рис.1, где изображена круговая орбита. Обычно эти орбиты эллиптические – хотя в случае планет они почти круглые, поскольку так формировалась Солнечная система. Для различных мелких камней (астероидов) и глыб льда (комет), двигающихся по орбитам вокруг Солнца, это уже не так.
Сходным образом все пары электрически заряженных объектов притягиваются или отталкиваются друг от друга, с силой, тоже обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Но, в отличие от гравитации, которая всегда притягивает объекты вместе, электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать. Объекты, обладающие одинаковыми, положительными или отрицательными зарядами, отталкиваются. А отрицательно заряженный объект притягивает положительно заряженный объект, и наоборот. Отсюда и романтическая фраза «противоположности притягиваются».
Поэтому положительно заряженное атомное ядро в центре атома притягивает легковесные электроны, двигающиеся на задворках атома, к себе, примерно как Солнце притягивает планеты. Электроны тоже притягивают ядро, но масса ядер настолько больше, что их притяжение почти не влияет на ядро. Электроны также отталкиваются друг от друга, что является одной из причин, по которым они не любят проводить время близко друг к другу. Можно было бы считать, что электроны в атоме перемещаются по орбитам вокруг ядра примерно так же, как планеты перемещаются вокруг Солнца. И на первый взгляд, именно так они и поступают, особенно в мультяшном атоме.
Но вот, в чём подвох: на самом деле, это двойной подвох, и каждый из двух подвохов оказывает эффект, противоположный другому, в результате чего они взаимно уничтожаются!
Двойной подвох: как атомы отличаются от планетных систем
Первый подвох: в отличие от планет, электроны, двигающиеся по орбитам вокруг ядра, должны излучать свет (точнее, электромагнитные волны, одним из примеров которых служит свет). А это излучение должно заставлять электроны замедляться и по спирали падать на ядро. В принципе, в теории Эйнштейна существует схожий эффект – планеты могут испускать гравитационные волны. Но он чрезвычайно мал. В отличие от случая с электронами. Получается, что электроны в атоме должны очень быстро, за малую долю секунды, по спирали упасть на ядро!
И они бы так и сделали, если бы не квантовая механика. Потенциальная катастрофа изображена на рис. 2.
Второй подвох: но наш мир работает согласно принципам квантовой механики! А у неё есть свой удивительный и контринтуитивный принцип неопределённости. Этот принцип, описывающий тот факт, что электроны – это такие же волны, как и частицы, заслуживает своей собственной статьи. Но вот, что нам нужно знать о нём для сегодняшней статьи. Общее следствие этого принципа состоит в том, что невозможно знать все характеристики объекта одновременно. Существуют наборы характеристик, для которых измерение одной из них делает другие неопределёнными. Один из случаев – это местоположение и скорость таких частиц, как электроны. Если вы точно знаете, где находится электрон, вы не знаете, куда он направляется, и наоборот. Можно достичь компромисса и с некоторой точностью знать, где он, и с некоторой точностью знать, куда он направляется. В атоме так всё и получается.
Допустим, электрон по спирали падает на ядро, как на рис. 2. В процессе его падения нам всё точнее и точнее будет известно его местоположение. Тогда принцип неопределённости говорит нам, что его скорость будет становиться всё более и более неопределённой. Но если электрон остановится на ядре, его скорость не будет неопределённой! Поэтому он не может остановиться. Если он вдруг попробует упасть вниз по спирали, ему придётся всё быстрее и быстрее передвигаться случайным образом. И это увеличение скорости уведёт электрон в сторону от ядра!
Так что тенденция падения по спирали будет нейтрализована тенденцией к более быстрому движению согласно принципу неопределённости. Баланс находится, когда электрон располагается на предпочтительном расстоянии от ядра, и это расстояние определяет размер атомов!
Если электрон изначально находится далеко от ядра, он будет двигаться к нему по спирали, как показано на рис. 2, и излучать электромагнитные волны. Но в результате его расстояние от ядра станет достаточно малым для того, чтобы принцип неопределённости запретил дальнейшее сближение. На этом этапе, когда найден баланс между излучением и неопределённостью, электрон организует стабильную «орбиту» вокруг ядра (точнее, орбиталь – этот термин выбран, чтобы подчеркнуть, что в отличие от планет, у электрона из-за квантовой механики нет таких орбит, какие есть у планет). Радиус орбитали определяет радиус атома (рис. 3).
Ещё одна особенность – принадлежность электронов к фермионам – заставляет электроны не спускаться до одного радиуса, и выстраиваться по орбиталям разных радиусов.
Насколько атомы крупные? Приближение на основе принципа неопределённости
На самом деле мы можем примерно оценить размер атома, используя только расчёты для электромагнитных взаимодействий, массу электрона и принцип неопределённости. Для простоты проделаем расчёты для атома водорода, где ядро состоит из одного протона, вокруг которого двигается один электрон.
где ℏ — это постоянная Планка h, делённая на 2 π. Обратите внимание, он говорит, что (Δ v) (Δ x) не может быть слишком малым, что означает, что обе определённости не могут быть слишком малыми, хотя одна из них может быть очень малой, если другая будет очень большой.
Когда атом устанавливается в предпочтительном основном состоянии, мы можем ожидать, что знак ≥ превратится в знак
B означает, что «A и B не совсем равны, но и не сильно отличаются». Это очень полезный символ для оценок!
Для атома водорода в основном состоянии, в котором неопределённость положения Δx будет примерно равна радиусу атома R, а неопределённость скорости Δv будет примерно равна типичной скорости V движения электрона вокруг атома, мы получим:
Как узнать R и V? Между ними и силой, удерживающей атом вместе, существует взаимоотношение. В неквантовой физике объект массы m, находящийся на круговой орбите радиуса r, и двигающийся со скоростью v вокруг центрального объекта, притягивающего его с силой F, будет удовлетворять уравнению
где k – константа Кулона, e – единица заряда, c – скорость света, ℏ — это постоянная Планка h, делённая на 2 π, а α – определённая нами постоянная тонкой структуры, равная 
. Совместим два предыдущих уравнения для F, и оценочное соотношение получается следующим:
Теперь применим это к атому, где v → V, r → R, и m → me. Также умножим верхнее уравнение на 
. Это даёт:
На последнем шаге мы использовали наше соотношение неопределённости для атома, . Теперь можно вычислить радиус атома R:
И это оказывается практически точным! Такие простые оценки не дадут вам точных ответов, но очень хорошее приближение обеспечат!
Почему электрон вращается вокруг ядра?
Вопрос: почему же электрон вращается вокруг ядра? на первый взгляд кажется каким-то нелепым. Ну вращается и вращается. А что он должен стоять, что ли? Некоторые любители, не обремененные научными регалиями и должностными полномочиями, пытаются в меру своих понятий как-то объяснить: почему же все-таки электроны движутся вокруг ядра? Это же не праздный вопрос. Ведь электрон не обладает способностью самостоятельного движения как птица или фотон. Он обладает свойством сохранения движения (движение по инерции), какую скорость ему придадут, с такой скоростью он и будет двигаться. А вот птица или фотон, их как не разгоняй, они, попадая в свою среду, начинают двигаться со скоростью, присущей им. Они своими внутренними силами изменят приданную им скорость к своей норме.
Электрон такими способностями не обладает. Изменять свою скорость он может только под воздействием внешних сил. Вот эти силы и пытаются найти любители, что похвально. А выше указанные “корифеи” не только не могут ответить на этот вопрос, но даже не способны такой вопрос поставить. Для них достаточно того что сказал Бор. Они вращаются потому, что есть орбиты, на которых электрон не излучает. Конечно, почему электрон там не излучает, хотя и есть ускорение, Бор не объяснил. Наверно считал, что это божья воля, а Богу никто не указ. Как же на этот вопрос отвечают любители?
Я поискал ответ на этот вопрос в интернете. И что я нашел. На форуме “Наука” Машков Владимир Васильевич пишет:
“На вопрос, почему электрон вращается вокруг ядра, мною в книгах «Неизвестная Физика» и «Возрождённая Физика» даётся такой ответ:
Вращение электрона ( и не только электрона, но и вращение вещества в составе больших масс, куда входят частицы с зарядами, вплоть до вращения Вселенной) определяется тройственным взаимодействием электрического поля, магнитного поля и вещества в виде заряженной частицы”.
Вот вы сами видите, какие действующие силы он нашел. Электрическое и магнитное поля и вещество. Эти элементы взаимодействуют между собой так, что это самое вещество в виде заряженной частицы как раз и вращается вокруг ядра. Конкретно взаимодействие происходит так. Электрон приближается к ядру под воздействием электрических сил притяжения. Во время этого приближения он излучает определенной величины энергии фотон. Что верно. Магнитное поле ядра отклоняет электрон в сторону, и он пытается, преодолевая силу электрического притяжения, улететь от ядра. Что, то же верно. Затем, наверное, автор предполагает, что на некотором расстоянии силы магнитного становятся меньше электрических сил притяжения, которые снова начинают притягивать электрон к ядру и цикл повторяется бесконечно. В этом есть некая доля правды, но не вся правда.
Но очевидно Машков понимает, что этого мало для устойчивого вращения электрона, и он вводит в этот цикл понятие центробежной силы. При определенном удалении электрона от ядра он начнет вращаться по касательным к магнитным линиям и ядро магнитной силой перестанет отталкивать электрон от себя. И чтобы электрон не падал снова на ядро силу притяжения должна уравновесить центробежная сила, тангенциальная составляющая, которой и движет электрон по орбите.
Машков совершенно точно предполагает, что электрон, излучив фотон, теряет свою массу. В зависимости от того какой массы он остался после излучения, на такой орбите он и будет вращаться. Чем больше теряет массы, тем ближе прижимается к ядру. Тангенциальная составляющая возрастает и скорость вращения электрона возрастает. Вот такая чудная теория движения электрона вокруг ядра. Но в ней есть некоторые неточности.
Как только движущийся электрон чуть подтолкнуть к ядру электрическое притяжение возрастет, а центробежная сила уменьшится и все – электрон падает на ядро. Он же ничего не излучил, и масса его осталась прежней. То же будет если электрон отодвинуть от ядра. Он просто улетит от ядра. Как это наблюдается в опытах по рассеянию электронов на протонах. Такое движение электрона не устойчивое.
Есть еще теории, в которых говорится, что электрон никуда не движется, а просто превращается в стоячую волну, расположенную вокруг ядра. Корпускулярно-волновой дуализм крепко засел в некоторых головах. Некоторые полагают, что электрон просто стоит у ядра. Но чтобы это как-то объяснить им нужен эфир. В общем все версии так или иначе вертятся вокруг этих идей и ничего другого не привносится в понимание этого процесса. А к этому еще кое-что можно добавить.
После того как Машков вывел электрон на соответствующую орбиту и передал управление движением электрона центробежной силе, он еще добавил тангенциальную составляющую, по-видимому этой же силы, которая как раз и двигала электрон по орбите. Но почему-то он выпустил из виду, что эта тангенциальная сила постоянна, а постоянно действующая сила будет все ускорять и ускорять электрон и он покинет ядро. Что-то не так. А как?
На самом деле происходит следующее. Падающий на ядро электрон излучает фотон соответствующей энергии. Фотон движется к ядру, а электрон разворачивается магнитным полем ядра и пытается улететь от ядра. Вот эту силу магнитного воздействия поля и следует разложить на тангенциальную и нормальную составляющие. Нормальная составляющая уводит электрон от ядра, а тангенциальная придает ему скорость по орбите.
Казалось бы, центробежная сила и нормальная составляющая, направленные противоположно силе электрического притяжения, смогли бы превозмочь это притяжение и электрон обязан был бы покинуть ядро. Равновесное состояние в этом случае невозможно, ибо магнитное воздействие исчезает, так как электрон не пересекает магнитные линии. Мы возвратились к модели, построенной Машковым.
На другой орбите будет другая масса электрона, будет другой обменный фотон и будет другая скорость электрона.
Ответ на вопрос: почему электрон движется вокруг ядра? прост. Его толкает магнитная сила ядра.
Многим покажется, что введение в устройство атома обменного фотона, не правильным, выдуманным. Может и так, но, тогда как вы объясните процессы в лазере или простом разгорании костра? Без обменного фотона никак. В лазере что происходит. Самый первый лазер работал так. Фотон зеленого цвета в рубине попадает на электрон и пока электрон ретранслирует его, то он либо замедляет свою скорость (поглощение), либо увеличивает (излучение). При ретрансляции происходит и то и другое. Но этих изменений скорости достаточно, чтобы обменный фотон не попал на этот электрон и не поглотился им. Теперь у вас получилось 2 фотона, которые снова могут удвоиться и образовать лавину фотонов. В лазере эти фотоны, точнее большая их часть, выполняет операции удвоения из-за многократного отражения в резонаторе, а в костре фотон вырывается наружу из костра. Но сколько раз смог удвоится, столько и получилось пар фотонов. Одно полено трудно поджечь в печке, а вот охапка поленьев разгорится быстрее. Получается, что один фотон от спички в охапке дров породит несколько циклов удвоения, правда не столь много как в лазере из-за отсутствия резонанса.
Вокруг ядра атома вращаются что
Забудьте на время чему вас учили в школьной Физике о строении атома. Объясню почему.
Классическая физика объясняет, что вещество состоит из атомов. Атом в свою очередь состоит из ядра и електронов на его орбите. Ядро состоит из положительных протонов и нейтронов.
Например атом гелия состоит из двух протонов, двух нейтронов и двух електронов, вращающихся по орбите вокруг ядра атома.
Несостоятельность этой теории заключается в следующем:
1. Если учесть что протоны находящиеся в ядре заряжены положительно, то по законам Куллона они должны отталкиваться друг от друга, а не притягиваться образуя ядро атома. Какова природа сил удерживающих ядро от распадания?
Не в состоянии объяснить данное явление привело к тому, что физиками образован раздел атомной физики, которая якобы не подчиняется законам классической физики. Думаю что этот факт не нуждается в коментариях!
2. Отрицательно заряженные електроны должны притягиваться положительно заряженнными протонами ядра атома. Рано или поздно, отрицательный електрон, потеряв енергию вращения вокруг ядра, притянется к положительному протону и упадет на поверхность ядра атома.
4. Естественно, что вокруг положительно заряженных протонов будет существовать електрическое поле. Суммарное ел. поле для нашего примера (атома гелия) будет иметь форму далекую от формы шара. Значит електрон, при своем вращении вокруг ядра, обязан двигаться по какой то ломаной кривой, что вообще говоря невозможно.
5.Закон Кулона, лежащий в основании планитарной модели строения атома в вакууме не работает. Поэтому электроны не будут притягиваться к ядру атома. Подробнее об этом можно прочитать в разделе Строение атома Резерфорда
Подводя итог выше сказанному можно сделать вывод, что теория строения атома в классической физике абсолютно несостоятельна.
По моему мнению должна существовать единая физика способная объяснить физический смысл всех наблюдаемых явлений природы.
Пытаясь найти вразумительные ответы на поставленные выше вопросы, мной разработана ниже излагаемая гипотеза.
Для того, чтобы было понятнее, о чём ниже пойдет речь, я изложу здесь основополагающие утверждения выдвигаемой гипотезы.
Основные положения гипотезы
