Строение и свойства основных элементов микромира

Атом и молекула являются наиболее изученными представителями микромира. Атом—химически неделимая частица вещества, состоящая из более мелких частиц. Он является носителем его химических свойств. Молекула — наименьшая химически делимая частица вещества, являющаяся обладателем его химических свойств.

Атом в соответствие с принятой на сегодня гипотетической моделью состоит, как уже было сказано, из положительно заряженного ядра, расположенного в центре, и отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него по определенным орбитам. Электроны представляют собой своего рода электронные облака. В целом атом электрически нейтрален.

Известно, что электроны находятся в пространстве вокруг ядра (см. рис 4.26, поз. 2). Это пространство в несколько тысяч раз превышает его диаметр. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре и соответствует его порядковому номеру в Периодической системе Менделеева. Массу атома определяет ядро, в котором почти вся она и сосредоточена (например, масса ядра атома водорода - протона и нейтрона в 1836,1 раз больше массы электрона).

Протон может выступать в качестве «тела» антенны, имеющей определенную действующую длину (площадь или объем взаимодействия), которая определяется его размером в длинах волн (или количеством «элементарных вибраторов»). Электронные облака, как было сказано в предыдущем разделе, могут служить диаграммой направленности ядра. Если это так, то должна существовать определенная взаимосвязь между количеством электронных облаков и размером (количеством «вибраторов») ядра. Для симметричных вибраторов, например, при длине вибратора, равной четному числу полуволн, количество пространственных лепестков («электронных облаков») равно числу полуволн. Поэтому, если за один вибратор принять один протон, то заряд электрона должен совпадать с количеством его пространственных электронных орбит или, как сейчас принято говорить, электронных оболочек, хотя, возможно, правильнее их называть не электронными оболочками, а фотонными.

Химические свойства атома - возможности его взаимодействия зависят, как известно, исключительно от его электронной структуры -от строения в основном внешнего. Химическим элементом называют вид атомов, имеющий одинаковый заряд ядра. Наиболее простым и изученным является атом водорода, имеющий всего один электрон. Принимая (поглощая) энергию электрон переходит на более удаленную от ядра («высокую») орбиту, а отдавая — более близкую («низкую»).

Это аналогично переходу на разные орбиты искусственных спутников Земли. Их переход на более высокую орбиту требует затрат («поглощения») энергии, а при потере («излучении») энергии спутник переходит на более низкую. Это аналогично и работе антенны с передатчиком переменной мощности. При изменении мощности передатчика дальность действия передающей станции изменяется, но форма обслуживаемой ею зоны остается постоянной. Это аналогично и изменению расстояния от оси биконической антенны до неоднородностей, установленных в ее раскрыве и формирующих определенную форму ДН [66], которое позволяет менять излучаемую антенной мощность от «нуля» до определенного максимума при одной и той же мощности генератора.

Молекула, как известно, может состоять как из одного атома (инертные газы), так и из сотен тысяч атомов (полимеры), как одинаковых, так и различных. Атомы в молекулах соединены в определенной последовательности и определенным образом распределены в пространстве (упорядоченное расположение указывает на наличие определенной программы). Они объединяются в молекулы в большинстве случаев химическими связями, создаваемыми обычно одной, двумя или тремя парами электронов (или электронных облаков), которыми владеют сообща два атома. Связи между атомами имеют разную прочность, которая оценивается величиной энергии, которую необходимо затратить для разрыва межатомных связей.

Молекулы характеризуются определенным размером и формой. Форма молекулы определяется длинами связей и углами между ними и может иметь вид треугольника, пирамиды, тетраэдра и других геометрических фигур, включая прямую линию. Молекула электрически нейтральна, так как содержит одинаковое количество положительно и отрицательно заряженных частиц, но она может взаимодействовать с другими молекулами в процессе химических реакций. При этом масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе образовавшихся веществ.

При физических явлениях сохраняются молекулы, но при химических они, как правило, разрушаются. Однако при химических реакциях сохраняются атомы, которые не исчезают и не возникают, а происходит разрушение химических связей между атомами одних веществ, возникновение новых связей и перегруппировка атомов с образованием других веществ.

Следовательно, на физическом уровне «элементарной» структурной единицей является молекула, а на химическом - атом.

Молекулы (или атомы), образующие вещество, взаимодействуют между собой, как известно, силами притяжения и отталкивания. Эти силы короткодействующие и действуют они одновременно. На расстояниях больше размера молекул (атомов) преобладают силы притяжения. На меньших расстояниях— силы отталкивания. Расстояние, где силы притяжения и отталкивания равны, соответствует наиболее устойчивому взаимному расположению молекул. Поэтому в качестве аналогов атомных и молекулярных связей чаще всего используют пружинки.

Пружинки, как уже было сказано, можно заменить пружинящей энергетической оболочкой, например, полевой, плотность которой растет по мере приближения к центру, что вполне правомерно. В то же время тела находятся под общей «крышей», объединяющей их в рамках единого более сложного целого энергетической оболочкой следующего уровня. Эта оболочка «давит» на них, не, позволяя, им удалиться друг от друга, что также правомерно. Если это так, то при соприкосновении оболочек и дальнейшем сближении возникают и растут силы отталкивания, а при удалении растет давление общей оболочки, и поэтому увеличиваются силы притяжения. Когда обе эти силы равны, то положение тела, естественно, наиболее устойчивое. Равенство аналогичных сил - внутреннего излучения и внешнего давления, как известно, определяет и устойчивость звезды.

Атомно-молекулярное учение говорит о том, что существуют вещества с молекулярным и немолекулярным строением. Между молекулами имеются промежутки, размеры которых зависят от агрегатного состояния вещества (в газах — самые большие, в жидкостях — меньше, в твердых веществах — еще меньше) и температуры. Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении, индикатором их скорости является температура. Между молекулами существуют силы взаимного притяжения и отталкивания, наибольшие - в твердых веществах, наименьшие - в газах. Молекулы состоят из атомов, которые, как и молекулы, находятся в непрерывном движении. Атомы одного вида отличаются от атомов другого вида массой и свойствами. При физических явлениях молекулы сохраняются, а при химических, как правило, разрушаются. При химических реакциях сохраняются атомы, но они разрушаются при ядерных, но при ядерных реакциях сохраняется заряд. У веществ с молекулярным строением в твердом состоянии в узлах кристаллических решеток находятся молекулы, связи между молекулами слабые и легко разрываются, поэтому эти вещества имеют низкую температуру плавления. У веществ с немолекулярным строением в узлах кристаллических решеток находятся атомы или другие частицы, связи между ними сильные, поэтому эти вещества имеют высокую температуру плавления.

Квантовая теория микромира считает, что в микромире (в отличие от солнечной системы) нельзя пользоваться законами Ньютона, а следует пользоваться законами квантовой механики, объектами изучения которой являются кристаллы, молекулы, атомы, атомные ядра и элементарные (на сегодня) частицы.

В основу квантовой теории заложены: предположение Планка о том, что атомы испускают и поглощают энергию отдельными порциями — квантами; предположение Эйнштейна, что электромагнитное излучение испускается, распределяется и поглощается веществом в виде отдельных частиц электромагнитного поля — квантов излучения — фотонов; предположение де Бройля о том, что все частицы вещества обладают волновыми свойствами.

Все перечисленные выше предположения, рассматриваемые вначале как гипотезы, получили со временем экспериментальное подтверждение. Квантовая теория совокупность электронов в их движении вокруг ядра атома рассматривает, как уже было сказано, в виде своеобразных электронных облаков более плотных там, где вероятность обнаружения электрона более велика. Электроны (или их облака) движутся в электростатическом поле ядра по круговым, а в общем случае, по эллиптическим или более сложным орбитам (внутри ядра электронов нет).

Описанная картина очень сильно напоминает атмосферу Земли, в которой вероятность обнаружения, например, молекул воды, более велика там, где больше плотность водяных паров, т.е. в облаках. Она напоминает и «следы» планет (или спутников Земли), оставленные ими при движении по своим орбитам. Если это движение рассматривать в достаточно протяженном промежутке пространства-времени, то в результате прецессии «следы», образуют «клубок», плотность которого будет больше в тех областях пространства, где чаще проходил путь планеты. Она напоминает и своего рода своеобразный обруч, который крутится вокруг тела, создавая своеобразную статическо-динамическую (пространственно-временную) оболочку, плотность которой будет больше там, где чаще всего проходит траектория движения обруча. Несколько «обручей» образуют пространственно-временной «клубок». Этот «клубок» может быть подобен «клубку» (см. рис. 5.1, поз.1), образованному, например, орбитами комет [9].

Согласно квантовой теории движущийся по орбите электрон представляет, с одной стороны, некую частицу (корпускулу) с определенной массой, энергией и зарядом, а с другой, — некую волну де Бройля, длина которой укладывается на длине орбиты целое число раз. Кроме того, все виды взаимодействий атомов в целом и частиц (электронов), составляющих его внешнюю среду, определяются его электрическими и магнитными, в конечном итоге, электромагнитными (волновыми) свойствами. Если атом присоединяет «лишний» электрон или отдает «свой», то он превращается соответственно в отрицательно или положительно заряженный ион и благодаря этому может вступать во взаимодействия с внешним миром. Магнитные свойства атома обычно объясняют, представляя электронную орбиту с движущимся по ней электроном в виде контура с током.

Таким образом, квантовая механика отличается от механики Ньютона в основном тем, что учитывает пространственно-временные параметры, которые при строгом подходе должны учитываться всегда и в любом «мире», а не только в микромире.

Движение электронов вокруг ядра можно, видимо, подобно движению комет вокруг Солнца представить как движение по определенным орбитам, но происходящее столь быстро, что мы не видим самого движения электрона, а видим его орбиту или клубок из нескольких орбит подобный клубку, показанному на рис. 5.1 (поз.1). Этот «клубок» должен быть, к тому же, заполнен электронной «пылью» - частицами (в частности, фотонами), отделившимися или оторвавшимися от электронов в процессе их движения по орбитам и образующими «облака».