Неизлучающий атом Резерфорда

Неизлучающий атом Резерфорда. В 1911 году Резерфорд открыл атомное ядро и впервые предложил модель атома, в которой электроны вращались вокруг ядра. Атом Резерфорда оказался электромагнитной системой, потому перед классической теорией Фарадея-Максвелла открывался доступ к микромиру. Но через несколько лет эта теория была отброшена от микромира.

Современная физика, пришедшая в результате научной революции, объявила эту теорию несостоятельной, неприменимой к микромиру на том основании, что она якобы в принципе не способна объяснить почему же электроны, вращаясь в атоме по такой модели, не излучают электромагнитные волны и не теряют энергию? На самом же деле ответ на этот вопрос тривиален, и в 1911 году был уже очевиден, но почему-то не был опубликован.

Казалось бы, всё просто и ясно электроны, двигаясь без атомного ядра, излучают в пространство волновое поле, а вместе с ядром, двигаясь так же, не излучают, значит ядро гасит изучение электронов. Значит оно тоже излучает в дальнее пространство точно такое же периодическое поле, но в противофазе.

Например, действует как специфический резонансный отражатель. Эти два поля, становясь вдали от атома равными и противофазными, взаимно погашаются. Атом в целом не излучает, энергия из атома не уносится. Тем не менее, в тысячах учебных и популярных академических изданий заявлено четко и недвусмысленно, что классическая теория не давала никакого ответа вообще, в принципе дать его не могла и не может. Приведенный здесь ответ не только не оспорен, но вообще не упоминается в литературе даже при самом подробном изложении.

Вопрос не излучает ли ядро? никогда не ставился и не обсуждался. Следовательно, физике он не известен, а выводы о несостоятельности классической теории сделаны на основании весьма неполных знаний. Кстати, сделаны они давно, примерно в 1918 году. Задача же сводилась к свойствам атомного ядра, знаний о нем еще не было, и нельзя было отбросить это решение, сказав, что ядро в атоме не излучает. Физики просто не нашли решения.

Не было перед классической теорией никаких тупиков. Итак, классическая теория приводит нас к выводу ядро в атоме излучает, причем всегда так, что гасит излучения электронов при любых устойчивых орбитах. Многим людям такая способность ядра кажется невероятной, невозможной. Заявляют, что это чепуха. Возможно, таково же и Ваше мнение. Следует ли на этом основании отбросить математическую теорию поля, которая проверена более чем вековой практикой, отбросить всю физику века великих открытий, и верить Вашему интуитивному мнению без всяких доказательств? Физика - это наука, а не религия, и данный вопрос - не вопрос веры. Нужны доказательства и разъяснения.

Поскольку этот вопрос по-прежнему имеет фундаментальный характер быть или не быть классической физике, рассмотрим его еще раз сначала. Будем дальше говорить не прямо об атоме, а о его классической макромодели, чтобы не было ссылок на некомпетентность автора в физике. И задачу рассмотрим в сугубо технической и более общей постановке, позволяющей не знать, что такое электрон, что такое ядро и каковы их свойства.

Сформулируем ее так электромагнитная система из двух неизвестных объектов А и Б не излучает в пространство, хотя А электроны в модели, в частном случае заведомо излучает периодическое волновое поле. Внутренних потерь энергии в системе нет. Требуется объяснить в чем причина отсутствия излучений? В такой постановке задача имеет простой и однозначный ответ следовательно, объект Б тоже излучает поле, и такое, что вдали от системы эти два поля, накладываясь друг на друга и суммируясь, всюду обращаются в нуль. И неважно, каковы эти излучения, один ли электрон в модели или их много, вращаются они или колеблются, или излучают, вообще не двигаясь это неизвестный объект, заведомо излучающий.

Динамические поля излучений погашаются в пространстве за пределами модели точно так же, как статические поле электронов - полем ядра. Очевидно, оба периодических поля - объектов А и Б - должны вдали от системы в бесконечности становиться точно равными друг другу и следовать там в противоположных фазах.

Тогда векторы полей в каждой точке дальнего пространства равны и направлены встречно, их сумма вдали от системы равна нулю, энергия из системы не уносится, источники излучений не теряют своей энергии, потому излучения не прекращаются. Равенство полей вблизи и внутри системы не требуется, там они могут различаться, и тогда динамическое поле остается лишь вблизи объектов, энергию содержит, но не уносит ее в пространство.

В предыдущем разделе было показано, что возможны неизлучающие пары излучателей, расположенных не только один внутри другого, как в атоме, но и пространственно друг от друга отдаленных. Ответ на вопрос в общей форме относится также к моделям молекул и тел, как бы разделенным на произвольные части А и Б. Части излучают, целое не всегда. Не излучающий в пространство источник излучения может быть произвольно поделен на два, излучающих в дальнее пространство равно и противофазно.

Итак, вопрос решен, компетенция теории поля исчерпана, закончившись у границ объектов. Дееспособность теории внутри атома и до таких границ доказана. Вопрос о том, почему и как излучает ядро, относится уже к теории ядра, но не к теории поля, точнее, для нее не обязателен. Не было причин объявлять ее несостоятельной или не применимой к микромиру. На этом можно бы и закончить, но многим людям кажется, что здесь классическая физика снова попадает в тупик, не умея ответить на новый, более сложный вопрос каким же чудесным образом излучение ядра всегда становится точно равным излучению электронов при любых устойчивых орбитах и погашает его полностью? Однако ответы есть. Естественно, сначала нужно составить классическое представление об атомном ядре и отыскать предметы, которые могли бы служить его макромоделью, составлять вместе с бегущими вокруг них зарядами самоорганизующиеся системы с подходящими свойствами.

Любой реальный предмет, если вокруг него вращать заряд, будет хоть как-нибудь излучать, но, как правило ничтожно.

Если же в этом предмете возможны колебания, и частота вращения заряда попадает с ними в резонанс, то колебания будут раскачиваться до больших амплитуд, излучения станут существенными, особенно при отсутствии внутренних потерь энергии. Видимо, первичной моделью атомного ядра могла бы служить какая-то колебательная система. Например, такая. Движущийся по окружности заряд излучает почти так же, как два элементарных точечных электрических осциллятора вибратора Герца, которые перпендикулярно ориентированы и колеблются со сдвигом фаз 90 градусов.

Но несколько неточно, т.к. заряд на орбите - лишь в первом приближении точечный излучатель. Однако если такую пару вибраторов установить в центр вращения и присоединить к колебательным контурам, настроенным на частоту вращения заряда, то мощность излучения из модели уменьшится порядка на 3 - 4. И сложится это само собой, автоматически. Поясним. Колебательный контур и вибратор вместе будем понимать как единую излучающую колебательную систему, а колебания в контуре и излучение вибратора - как единый колебательно-волновой процесс в этой системе.

Процессы подвижны по амплитудам и фазам. Под действием излучения зарядов будут развиваться процессы лишь при таких фазах, при которых излучения вибраторов отчасти погашают излучения зарядов, уменьшая общую мощность уходящего из модели потока излучений. Это означает, что такие процессы принимают энергию излучения зарядов, за счет чего и развиваются, однажды возникнув.

Развиваясь, они принимают всё больше энергии, пока отток от них энергии излучений не сравняется с притоком. Иные же процессы, даже возникнув, излучат свою энергию и затухнут. Останутся лишь колебания при таких фазах, при которых приём энергии наиболее эффективен. Поскольку двух изучающих колебательных систем недостаточно для полного погашения излучений, будем добавлять к модели ядра всё новые и новые колебательные системы, с той же частотой резонанса, но излучающие различно, а также системы с частотами, кратными основной.

Пока модель излучает, она способна питать энергией всё новые колебания, которые и развиваются, пока излучения не прекратятся. Значит, здесь нужно множество колебательно-волновых систем или одна сложная система со множеством резонансов. Такими системами бывают объёмные резонаторы. Например, капли и шарики из диэлектриков. Они тоже способны содержать большое разнообразие электромагнитных колебаний и излучать волны разнообразно.

К модели ядра в виде открытого объёмного резонатора ведут и общие классические представления о предметах природы. Классическая физика не знает принципиальных различий между предметами макромира и микромира. В согласии с ней мы должны считать атомные ядра и электроны предметами, имеющими объем, несущими статический заряд, и состоящими из какого-то очень плотного материала, в котором нет внутренних потерь энергии. Они должны быть способными излучать волны, длины которых много больше самих этих предметов, поскольку длины волн, излучаемых электронами в атоме, много больше размеров ядра. В соответствии с этим, модель ядра - это просто очень плотная электромагнитная масса.

Например, капли и шарики из диэлектрика, абсолютно прозрачного для всех электромагнитных волн. Но нужно, чтобы скорость волн в этом материале была на много порядков меньше, чем в пустоте. Будто материал сжат вместе с волнами до плотности реального ядра, т.е. на много порядков.

Такие капли и шарики представляют собой открытые объёмные электромагнитные резонаторы, они способны содержать в себе колебания, излучать волны, длины которых много больше размеров резонаторов, и принимать энергию излучений, накапливая ее в себе в виде энергии колебаний. Была когда-то незаслуженно забытая классическая теория дальнодействия, в соответствии с которой электромагнитные волны в очень плотной материи должны быть очень медленными, и с ней мы здесь тоже в согласии.

Поскольку в нашем распоряжении нет материалов с таким большим замедлением волн, более реальной моделью ядра будем считать электромеханические резонаторы. Это кусочки материала, подобного кварцу или сегнетоэлектрикам. Полагаем также, что материал без потерь в нем энергии. В таких материалах электромагнитные поля вызывают деформации, а деформации - вновь поля, и электромагнитные процессы в нем сливаются воедино с механическими. Звуковые волны в таком материале сопровождаются электромагнитными полями и становятся волнами электромеханическими, но движутся со скоростью звука - в 100.000 раз медленнее света в пустоте.

Многократно отражаясь от границ материала, волны становятся колебаниями и делают резонатор источником длинноволнового в сравнении с размерами резонатора электромагнитного излучения. К примеру, кристалл кварца, длиной несколько сантиметров, на нижней частоте резонанса излучает волны длиной около 5 км, т.е. размеры резонатора здесь ничтожны в сравнении с длиной волн, что нам и нужно.

Еще, наверное, более подходящими будут капли электромагнитной жидкости, внутренние и поверхностные колебания которой в сильных полях также станут колебаниями электромеханическими, и также приведут к излучению достаточно длинных волн. Будем считать такие резонаторы нашим лучшим приближением к ядру в его внешнем электромагнитном проявлении и его первичными макромоделями. Те и другие модели ядра можно рассматривать как точечные колебательные системы. Внутренние колебательные процессы в них, как и в прочих объемных резонаторах, представляют собой электромагнитные или электромеханические волны, многократно отражаемые вовнутрь от границ материала и потому периодические.

Частотный спектр колебаний дискретен. В зависимости от формы, поляризации и направлений возбужденных в нем внутренних волновых процессов, резонатор может излучать в пространство на каждой резонансной частоте и столь же разнообразно, как разнообразны формы внутренних колебаний. Резонатор может и вращаться.

Колебания в нем и излучаемые поля - наведённые сторонними полями и потому разные в разных случаях. Раскачивая резонатор сторонними полями, можно заставить его излучать весьма разнообразно. Будем полагать, что этого многообразия достаточно для всех наших задач. Естественно, то же явление самоорганизации излучающих колебаний будет действовать и на объёмный резонатор как модель ядра. И в нем, при достаточном разнообразии резонансов, сложится процесс, излучающий в дальнее пространство поле, точно равное полю излучения зарядов и ему противофазное.

Заряды тогда будут вращаться, не сходя с орбит, т.к. энергии не теряют, принимая энергию излучения резонатора и излучая ее ответно. До тех пор, пока модель излучает, в ее ядре будут развиваться всё новые и новые процессы, способные отобрать в себя энергию этих излучений. Так будет продолжаться либо до полного погашения излучений, либо до исчерпания разнообразия резонансов, т.е. степеней свободы колебаний. Излучающие процессы в ядре вместе с процессами движения зарядов составят суммарный процесс в модели, в пространство не излучающий.

Резонатор, даже один, не составной, может поддерживать устойчивое движение сразу множества зарядов на различных орбитах. Частотный спектр резонатора дискретен - дискретны и орбиты. Итак, первичная модель атома построена, дано начальное объяснение причин сохранения в ней энергии и дискретного множества орбит. На этом остановимся. Из факта, что реальный атом не излучает, можно на основании классической теории сделать вывод, что атомное ядро является достаточно сложной для этого излучающей колебательной системой, и в нем возможно многообразие процессов, достаточное для того, чтобы в атоме всякий раз складывались неизлучающие процессы.

Электроны устойчивы только на таких орбитах, при которых атом не излучает, т.е. при которых излучение ядра способно погашать излучение электронов. Реальное ядро может оказаться и более сложной колебательной системой, чем обычный объемный резонатор или жидкая капля, с еще большим разнообразием возможных в нем колебаний, поэтому возможности известных нам резонаторов не будем исследовать и уточнять. Таким образом, мы можем представлять себе атом как электромагнитный аппарат природной автоматики, действующий строго по законам теории Фарадея-Максвелла, без каких-либо от нее отступлений.

В модели пока не видно серьезных изъянов. Возможно, они обнаружатся далее или при расчетах, но мы моделями атомов больше заниматься не будем, т.к. первая цель достигнута классическая теория перешагнула порог микромира, ее действенность в нем несомненна, и вернуться к постулату электроны не излучают уже невозможно. Заметим еще раз, что не выдумывали представление об атомном ядре, а взяли его из классической физики.

Мы почти ничего не можем о нем сказать. Для нас ядро - пока что просто плотная материя со столь же плотными электромагнитными свойствами с очень большими постоянными ? и возможно и со способностью к электромеханическим колебаниям.

И не вполне определенной формы. Возможно, заряды в ядре тоже подвижны, и это как-то изменяет характер процессов в нем. Возможно, оно действительно в чем-то подобно жидкой капле, как полагают некоторые современные теории. Все эти представления приводят к пониманию ядра как резонатора. И во всех случаях самоорганизация ведет к тому же результату. Поговорим о самоорганизации процессов еще. Всякий приемник излучения, чтобы отобрать часть мощности из потока излучений в пространстве, должен тоже излучать в пространство в тех же направлениях, причем так, чтобы общая мощность потока уменьшилась.

Иначе поток в пространстве оставался бы прежним, и прием энергии нарушал бы закон ее сохранения. Если приемником излучения служит колебательная система без внутренних потерь энергии, точнее колебательный процесс в ней, то принятая энергия пополняет энергию этого же процесса не другого же и потому усиливает его, пока приток энергии не сравняется с оттоком.

В то же время, излучения приемника могут приниматься ее источником и, в случае полного поглощения приемником всей мощности, источник тоже не теряет энергию, лишь равно участвуя в обмене энергией, питаясь энергией излучений приемника и излучая ответно. Конечно, есть множество и других вариантов движения излучений, но здесь нас интересует только этот. Если электромагнитная система достаточно сложна, если в ней нет потерь энергии и возможно множество разнообразных излучающих колебаний, то в ней будут развиваться все процессы, которые могут получать энергию таким же путем, отбирая ее от потоков излучений из самой этой системы или извне ее. Это приводит систему к минимуму излучений или к полному их отсутствию.

Потоки энергии сами собой замыкаются в системе. Имеет место тенденция к концентрации энергии в системе, поскольку самоорганизация постоянно как бы настраивает ее на прием внешней энергии. Концентрация энергии в реальных предметах несравнимо больше, чем в окружающем пространстве, и причины этого теперь понятны.

Однако, когда существуют устойчивые энергетические уровни, как для зарядов в модели атома, и они достигнуты, излишняя энергия не принимается, она отражается или переизлучается. Все системы микромира тоже являются колебательными. Вот этим явлением самоорганизации процессов мы можем объяснять отсутствие излучений из всех систем микромира в их устойчивых состояниях. Основное условие этой самоорганизации - достаточная сложность колебательно-волновой системы, достаточное разнообразие возможных излучений из нее. Отсутствие излучений из атомов говорит нам о том, что даже атом водорода - колебательная система, достаточно сложная для этого.

Заряды в нашей модели атома движутся под действием не только электростатических сил, но и сил динамических, создаваемых переменными полями излучения, потому мы не знаем, как связаны частоты их вращения с диаметрами орбит. Возможно, электроны также следует понимать как открытые объёмные резонаторы, и тогда они могут вращаться по каждой орбите с любой частотой или вовсе не вращаться, удерживаясь на расстоянии от ядра электродинамическими силами отталкивания отчасти или полностью.

По-видимому, спектры излучения атомов всё же объясняются частотами вращения электронов. А утверждения, что классическая теория не способна их объяснить, основаны на заведомо ошибочном предположении, что электроны движутся под действием только электростатических сил. Мы пришли к выводу, что атомное ядро имеет способность быть сложной колебательной системой, неким резонатором, т.е. нести в себе во множестве разнообразные колебательные процессы, способные излучать и принимать энергию электромагнитных волн. Будем считать это истиной до тех пор, пока не найдется лучшего объяснения атома и причин, по которым в нем сохраняется энергия.

В соответствии с представлениями классической физики элементы микромира - это объемные физические тела с какими-то внутренними электромагнитными свойствами, аналогичные колебательные свойства присущи и электронам, и прочим элементам микромира.

Такого единообразия и следует ожидать от природы. Это же подтверждается всем множеством экспериментов, в которых элементы микромира проявляют волновые свойства. Микроскопическая колебательная система, содержащая электромагнитные колебания и несущая волновое поле, всегда проявится в экспериментах как частица-волна. И вряд ли возможно построить в рамках логики и здравого смысла какое-то иное ее образное представление. Это какая-то колебательная система, способная нести и не нести колебания и волны.

И этого достаточно для понимания с позиций классической физики всех проявлений частицами микромира волновых свойств. На первый взгляд кажется, что такое понимание противоречит результатам некоторых опытов по дифракции электронов, например, на двух щелях, из которых делают вывод, что каждый электрон проходит сразу сквозь обе щели, как волна. Но есть и другое истолкование всякая дифракционная решетка образована из таких же частиц-волн, связанных воедино когерентным волновым полем, общим для всей этой решетки.

Поле внутри каждой щели зависит и от наличия других щелей. Пролетающие электроны отклоняются этим полем, притом не только как резонаторы, но и как заряды, потому давали бы на экране дифракционные картины, разные для одной и двух щелей, даже если вовсе не имели бы волновых свойств. Здесь современная теория снова делает ломающий логику революционный вывод, игнорируя для этого важнейший фактор - волновые свойства материала, в котором сделаны щели. Представляя элементы микромира в виде колебательных систем, мы не будем претендовать на знания об их внутреннем устройстве.

Такие знания нам пока не нужны. Нас будут интересовать лишь внешние проявления их свойств - электромагнитные поля за пределами самих частиц и между ними, там, где справедливы уравнения Максвелла. В этой области поле любого элемента микромира можно рассматривать как поле точечного осциллятора, который, в свою очередь, может рассматриваться как множество элементарных магнитных и электрических осцилляторов, различным образом фазированных и ориентированных, совмещенных в малом объёме и действующих с разными частотами.

Во внешней окрестности точечного излучателя не может быть полей, не подчиненных законам классической электродинамики, каким бы чудесным ни был излучатель внутри. По этой причине любой элемент микромира в своем внешнем проявлении никак не отличается от точечного электромагнитного объекта макромира, т.е. имеет в макромире и классической теории свой полный и точный аналог.

Окружающие поля возбуждают в резонаторе колебания, различные в каждом случае, превращая его в разнообразные источники полей множества различных частот и с различными числами пар полюсов. Самоорганизация эти поля сохраняет. Из таких колебательных систем сами, как мозаика из магнитов, складываются классические самоорганизующиеся модели микромира. Не будем утверждать, что здесь изложены единственно правильные варианты решений принципиально неразрешимых задач классической физики.

Важно было показать, что такие решения есть - вопреки самым авторитетным уверениям всей мировой физики. Возможно, есть и лучшие решения.