Структура атома и молекул водорода

Теперь приведем модели атомов первых химических элементов, следующие из описанных теорий атома и из новой теории. Атом водорода первый и самый простой из них. Роль ядра выполняет протон и с ним взаимодействует электрон. Уравнение Э. Шредингера предсказывает наибольшую вероятность пребывания электрона на поверхности сферы атома с радиусом (рис. 80). Один электрон атома водорода образует электронное облако – орбиталь в форме сферы. Такой орбитали присвоено название S орбиталь (рис. 79, 80) [27].

Рис. 80. Схема атома водорода, следующая из теорий атома ХХ века

Этой информации явно недостаточно для анализа процесса взаимодействия электрона с протоном. Поскольку электрон может находиться на разных орбитах, то необходимо знать радиусы этих орбит. Далее необходимо знать энергии связи электрона с протоном, соответствующие разным орбитам. Эти энергии обязательно должны содержатся в спектре атома водорода и, как мы уже показали, они действительно имеются там, но орбитальное движение электрона не позволило многочисленным исследователям найти эти энергии и закон их изменения. Поэтому первая и самая главная задача выявления структуры атома водорода должна быть посвящена поиску математической модели закона изменения энергии связи электрона с протоном [1].

Известно, что энергия ионизации атома водорода равна . Поскольку эта энергия, сообщенная атому, разрывает связь между протоном и электроном, то вполне естественно, что она соответствует энергии связи электрона с протоном в момент пребывания его на первой () орбите.

Далее, поглощая фотон с энергией , электрон переходит на вторую орбиту и энергия его связи с протоном, уменьшаясь, оказывается равной . Если электрон, находясь на первой орбите (), поглощает фотон с энергией , то он переходит на третью орбиту () и энергия его связи с протоном, уменьшаясь, становится равной . После поглощения фотона с энергией и перехода с первой на четвертую () орбиту, энергия связи электрона с протоном уменьшается и становится равной . Из этого следует, что энергия связи электрона с протоном изменяется по зависимости (181) [1].

Это и есть математическая модель закона изменения энергии связи электрона с протоном атома водорода. Она явно следует из спектра атома водорода, но её проигнорировали, и мы не знаем почему. Быть может, смущал факт отсутствия спектральной линии, соответствующей энергии ионизации атома водорода . Теперь причина отсутствия этой спектральной линии установлена. Суть её заключается в следующем.

Для последующего описания поведения электронов в атомах мы вводим понятие энергетический уровень электрона в атоме вместо существующих понятий орбита и орбиталь.

Электрон атома водорода вступает в связь с протоном на расстоянии, соответствующем 108-му энергетическому уровню [1]. Далее он не может перескочить все уровни и сразу оказаться на первом () энергетическом уровне, излучив при этом фотон с энергий . Он приближается к протону ступенчато, иногда перескакивая через несколько ступеней. В результате суммарная энергия всех излученных фотонов оказывается равной энергии ионизации атома водорода , а спектральная линия, соответствующая энергии ионизации , отсутствует. Главная причина ступенчатого сближения электрона с протоном ядра - градиент температуры среды. Он не может быть таким, чтобы обеспечить переход электрона со 108 энергетического уровня сразу на 1-й энергетический уровень.

Далее, мы приводим математическую модель закона формирования спектров атома водорода, соответствующую стационарным энергетическим уровням электрона [1].

, (223)

где - частота фотона, поглощаемого или излучаемого электроном при переходе с одного на другой энергетический уровень; - частота фотона, энергия которого соответствует энергии ионизации атома водорода; - частота фотона, энергия которого соответствует энергии связи электрона с ядром в момент пребывания электрона на первом () энергетическом уровне. Для атома водорода , поэтому .

Как видно, в этой модели (223) нет энергии и частоты, соответствующей орбитальному движению электрона в атоме. Это значит, что он не совершает такого движения.

Закон Кулона позволяет определить расстояние между протоном и электроном в момент пребывания его на первом энергетическом уровне. Поскольку энергия связи протона с электроном в этом случае равна то при имеем

(224)

Подставляя в полученные формулы и , найдём не только теоретические значения (теор) спектра атома водорода, полностью совпадающие с экспериментальными значениями (эксп), но и энергии связи электрона с протоном (табл. 32). Результаты расчета для = 2,3,4... приведены в табл. 32 [1].

Таблица 32. Спектр атома водорода, энергии связи между протоном и электроном, и расстояния между ними

Знач.	n
(эксп)	eV	10,20	12,09	12,75	13,05	13,22
(теор)	eV	10,198	12,087	12,748	13,054	13,22
(теор)	eV	3,40	1,51	0,85	0,54	0,38
(теор)		4,23	9,54	16,94	26,67	37,89

Мы уже показали, что из закона спектроскопии (180), открытого нами, следует, что энергии поглощаемых и излучаемых фотонов при переходе электрона между энергетическими уровнями и рассчитываются по формуле (184), представленной в предыдущей лекции [1].

Таким образом, математическая модель (180 и 184) формирования спектра атома водорода не имеет составляющей, соответствующей орбитальному движению электрона. Это значит, что электрон не имеет орбитального движения в атоме. Сразу возникает вопрос: каким же образом электрон атома водорода взаимодействует с протоном? Какие силы сближают эти частицы и какие ограничивают их сближение? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо проанализировать уже имеющуюся научную информацию о моделях электрона и протона [1].

Известно, что масса покоя электрона равна кг. Его заряд отрицателен и равен

Детальный анализ структуры электрона показал, что он имеет форму полого тора (рис. 36). Его структура оказывается устойчивой благодаря наличию двух вращений. Первое - относительно оси, проходящей через геометрический центр тора перпендикулярно плоскости вращения, и второе - вихревое вращение относительно кольцевой оси, проходящей через центр окружности сечения тора [1].

Напряженность магнитного поля вблизи геометрического центра электрона оказывается равной Это очень большая напряженность. Она убывает при удалении от геометрического центра вдоль оси вращения электрона пропорционально кубу расстояния. Но самая главная новая информация об электроне касается его спина. Он равен постоянной Планка .

О протоне информации меньше. Известно, что это очень маленькая частица с положительным зарядом, равным отрицательному заряду электрона , массой покоя и магнитным моментом . Если предположить, что он, как и электрон, имеет форму кольца, то радиус этого кольца оказывается таким .

Таким образом, радиус протона на три порядка меньше радиуса электрона. Спины протона и электрона равны постоянной Планка. Векторы этих спинов направлены вдоль осей их вращения. Направления вектора спина электрона и вектора его магнитного момента совпадают, а у протонов они направлены противоположно [1]. Это следует из формулы, связывающей постоянную Планка и магнитный момент электрона . Представим ее в таком виде [1]

(225)

В современной физике векторы и считаются противоположно направленными. Обосновывается это тем, что заряд электрона в формуле (225) отрицателен. Странное обоснование. Мы уже отметили, что векторные свойства величинам и задает Природа. Отрицательный знак заряду электрона задали сами физики. Но ведь это - условное соглашение, но не закон Природы! В формуле (225) заряд электрона - скалярная величина, и у нас нет оснований записывать ее в виде [1]

(226)

Анализ процессов формирования молекул показывает, что у протона направления векторов спина и магнитного момента противоположны, поэтому формула (225) описывает магнитный момент электрона, а формула (226) – протона.

Напряженность магнитного поля вблизи геометрического центра модели протона оказывается значительно больше аналогичной напряженности магнитного поля электрона. Используя магнитный момент протона и его фотонную энергию , получим напряженность магнитного поля вблизи центра симметрии протона

Это - колоссальная напряженность магнитного поля вблизи центра симметрии протона. За пределами этого центра она убывает пропорционально кубу расстояния от его геометрического центра [1]. Мы уже предположили, что эта напряженность магнитного поля генерирует силы, эквивалентные ядерным силам, соединяющим протоны с нейтронами [1].

Из этого следует, что электрон с протоном сближают их разноименные электрические поля, а ограничивают это сближение одноименные магнитные полюса. Тогда модель атома водорода будет такой, как она показана на рис. 81.

Рис. 81. Схема модели атома водорода: - электрон, - протон

Таким образом, из результатов наших исследований следует, что ядро атома на три порядка меньше размера электрона. Оно располагается на его оси, на расстоянии от геометрического центра электрона, которое можно вычислить, основываясь на законе Кулона. Если размер протона принять равным одному миллиметру, то размер электрона будет около метра, а расстояние между ядром атома водорода (протоном) и электроном окажется равным ста метрам (рис. 81).

Сравнивая модель атома водорода, следующую из совокупности старых теорий атома, представленную на рис. 81, со схемами атома водорода, представленными на рис. 1 и 2, и следующими из новой теории атома, видим их разительное различие по архитектонике и по информативности. Новая модель атома водорода (рис. 81) содержит почти всю информацию, необходимую химикам для анализа процессов формирования молекул водорода.

Сейчас считается, что молекулы образуются в результате перекрытия электронных облаков атомов (рис. 82) [27]. Фактически это означает, что электроны атомов соединяют их в молекулы. Это - следствия огромного опыта химиков, который подсказывал им, что электроны атомов, взаимодействуя, соединяют их в молекулы. Однако идея орбитального движения электрона препятствовала детальному анализу этого процесса. Чтобы спасти эту идею, они ввели понятие «орбиталь». Теперь этого препятствия нет и у нас появилась возможность для детального анализа этого процесса. Чтобы реализовать эту возможность, необходимо найти ответы, прежде всего, на следующие вопросы.

Рис. 82. Схема формирования связи между электронными облаками атомов водорода [27]

Первый - какие силы сближают электроны, имеющие одинаковые заряды? Второй - как меняется энергия связи между электронными облаками при изменении расстояния между ними? Странно, но химики почти 100 лет боятся ставить эти вопросы, смирившись с абсурдной информацией о формировании молекул.

Вот ответ на первый вопрос, следующий из новой теории атома. При формировании молекулы водорода электроны двух его атомов сближают их разноименные магнитные полюса, а ограничивают сближение одноименные электрические поля. В результате образуется молекула водорода (рис. 83, а) и у нас формируется обязанность назвать связь между электронами электронной связью.

Рис. 83. Схема молекулы водорода : а), b) - ортоводород; c) - параводород

Молекула водорода может формироваться и путем сближения протонов его атомов (рис. 83, b). В этом случае протоны сближают их разноименные магнитные полюса, а ограничивают сближение одноименные электростатические поля протонов. Такую связь мы обязаны назвать протонной связью. Кроме этого существует ещё электронно-протонная связь (рис. 83, с).

Рассмотрим энергетику процесса формирования электронной связи в молекуле водорода (рис. 83, а). Известно, что энергия синтеза одного моля молекул водорода равна 436 кДж, а одной молекулы – 4,53eV. Энергию эту выделяют электроны атомов в виде фотонов. Каждый электрон излучает фотон с энергией 4,53/2=2,26eV [1].

Так как фотоны излучают электроны, то при формировании молекулы водорода каждый электрон должен излучить один фотон с энергией 2,26eV. Возникает вопрос: на каких энергетических уровнях должны находиться электроны в атомах водорода перед тем, как они начнут объединяться в молекулы?

На рис. 84 представлена осциллограмма двух спектральных линий атома водорода. Первая светлая линия (слева) соответствует переходу электрона на второй энергетический уровень с энергией связи 3,4eV, а вторая (справа) – на третий с энергией связи 1,51eV [1].

Молекулярный спектр водорода представлен в виде сплошной светлой зоны (слева) (рис. 84). Фотоны, сформировавшие эту зону, излучены электронами атомов водорода при формировании его молекулы.

Рис. 84. Спектр атома водорода: 2-й () и 3-й () стационарные энергетические уровни электрона

Светлая зона (АВ) свидетельствует о том, что электроны в составе молекул не занимают дискретные энергетические уровни, как они это делают, когда находятся в составе атомов. В молекулах их энергии связи с протонами и друг с другом изменяются так, что их величины оказываются равными межуровневым величинам энергий связи, соответствующих атомарному состоянию.

Когда электрон находится на третьем энергетическом уровне в атоме водорода, то его энергия связи с протоном равна 1,51eV, а когда на втором, то – 3,4eV. Чтобы излучить фотоны с энергиями 2,26eV при формировании молекулы и оказаться между вторым (с энергией связи 3,4eV) и третьим (с энергией связи 1,51eV) энергетическими уровнями, электрон должен перейти с 4-го на 2-й (примерно) энергетический уровень. В этом случае он излучит фотон с энергией [1].

. (227)

Фактически он излучает фотон с меньшей энергией 2,26eV и оказывается не на втором энергетическом уровне, а между вторым и третьим энергетическими уровнями, соответствующими атомарному состоянию (рис. 81). В соответствии с табл. 32. энергия связи между валентными электронами в молекуле водорода изменяется в интервале 1,51…3,40 eV.

Конечно, если бы все электроны атомов водорода при формировании молекул излучали фотоны с одной и той же энергией (2,26eV), то в молекулярном спектре (рис. 84) появилась бы одна спектральная линия между атомарными линиями, соответствующими второму и третьему энергетическим уровням. Отсутствие этой линии и наличие светлой зоны (слева) указывает на то, что электроны атомов водорода при формировании его молекул излучают фотоны с разными энергиями так, что их средняя величина оказывается равной 2,26eV. Это, видимо, естественно, так как процесс этот идет не при одной какой-то температуре, а в интервале температур. В результате энергии связи между протонами и электронами в молекуле водорода оказываются такими как показаны на рис. 85 [1].

Рис. 85. Схема молекулы водорода с энергиями связи

Мы не будем углубляться в анализ энергетического баланса процессов синтеза молекул водорода, кислорода, озона, воды и др. Желающие могут познакомиться с деталями этого анализа в книгах [1].

Чтобы начать анализ процесса формирования ядра и атома гелия, необходимо иметь информацию о нейтроне. Известно, что масса покоя нейтрона , а его магнитный момент оценивается величиной .