ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ

Французский физик Луи де Бройль в 1924 году пришёл к выводу, что с движущейся частицей можно связать распространяющуюся волну, длина которой λ = h/p (h – постоянная Планка), а её импульс p = mv (m – масса частицы, v – скорость распространения волны). Он даже высказал (казавшуюся тогда сумасшедшей) идею о том, что и электрон обладает волновыми свойствами.

Идея о волновых свойствах электрона получила развитие в работах Шредингера, Дирака, Гейзенберга и Макса Борна. Опытное подтверждение эта идея получила в 1927 году, когда было открыто явление дифракции электронов.

Атом стали рассматривать уже как ядро, вокруг которого расположены стоячие волны, а амплитуду волн – как вероятность нахождения электрона в данном месте. Причём, движение электрона считали устойчивым только тогда, когда вдоль орбиты укладывается целое число стоячих волн.

При этом, волны де Бройля позволяют не только наглядно представить квантовую структуру поля, но и обосновать закономерность заполнения электронных оболочек атома. Заметьте, ОБОСНОВАТЬ принцип периодичности таблицы Менделеева.

Решающую роль в понимании закономерности заполнения электронных оболочек атома сыграл принцип Паули (принцип запрета), сформулированный им в 1925 году в процессе исследования аномального эффекта Зеемана. Согласно этому принципу, две одинаковые частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном состоянии, то есть, количество электронов, которые могут располагаться на одной электронной оболочке атома, ограничено.

Теперь же с помощью волн де Бройля мы можем не только обосновать этот принцип, но и понять, как изменяются электронные оболочки при переходе от простейшего атома водорода к более сложным атомам.

Для этого проведём не совсем обычный опыт.

Закрепим (см. рис. 1) один конец резиновой трубки к неподвижной опоре (точка d), а другой её конец (точка а) начнём колебать в вертикальной плоскости. В результате мы увидим, как по нашей трубке побежит волна. Если частоту колебаний подобрать так, чтобы на расстоянии (l) от места колебания до неподвижной опоры укладывалось целое число (N = 1,2,3…) полуволн (λ/2), то отражённые от опоры колебания, зеркально повторяя приходящие и, пересекаясь с ними в узлах a, b, c, d, образуют стоячие волны.

l = Nλ/2 или 2l = Nλ.

Теперь плоскость распространения волны мысленно свернём в кольцо. В этом и заключается необычность нашего опыта, ибо в этом случае волна уже не может отразиться от неподвижной опоры, а бесконечно обегает окружность с радиусом r (например, в оболочке атома).

Для образного восприятия можно нарисовать волну на узкой полоске бумаги и затем свернуть эту полоску в кольцо так, чтобы рисунок остался на внешней стороне кольца, а начало и конец волны совпали в одной точке (назовём её точкой совпадения).

Сначала разберём случай, когда в кольцо свёрнута только одна полуволна (в точке совпадения оказались узлы a и b).

В этом случае волна, сделав первый оборот по окружности, приходит к точке совпадения сверху вниз и, двигаясь дальше, образует зеркальное своё отражение ниже оси колебаний. При втором пересечении точки совпадения волна устремляется уже снизу вверх и далее повторяет свой первоначальный путь выше оси колебаний. Затем снова она движется, ниже этой оси и так до бесконечности.

Следует заметить, что волна ни от чего не отражается. Она движется только вперёд, но эффект стоячей волны есть. В этом случае мы имеем две пучности в противофазе и один узел, которым является точка совпадения.

Теперь свернём в кольцо две полуволны, то есть – полную волну (в этом случае совпадают уже узлы a и c). Теперь волна, проходя после первого круга точку совпадения, устремляется снизу вверх и далее вновь по своему первоначальному пути, нигде его не пересекая. Узлов нет. Пучностей в противофазе – тоже. Эффект стоячей волны не наблюдается.

Далее проводим опыт уже с тремя полуволнами (теперь совпадают узлы a и d). И мы вновь видим, что волна, проходя первый круг, пересекает в точке совпадения свой первоначальный путь и опять образует узлы и пучности в противофазе. В этом случае эффект стоячей волны тоже есть.

Увеличивая и дальше в наших опытах число полуволн, нетрудно убедиться, что стоячие волны образуются в кольце с радиусом r, если длина окружности 2π*r содержит целое, но обязательно нечётное число (N = 1, 3, 5…) полуволн (λ/2).

Вывод 2. Стоячие волны в круговом пространстве с радиусом r имеют место, если

4π*r = Nλ, где N является нечётным числом.

Ещё шаг вперёд. Выясним, сколько пучностей можно насчитать при различных значениях N? Для этого обратимся к рисунку 2, где изображены два вида волн – первой и третьей гармоник (чётных гармоник, как мы уже знаем, быть не может).

Волна первой гармоники имеет только две пучности (1.1 и 1.2), волна третьей – шесть (3.1 – 3.6). Легко убедиться, что волна пятой гармоники имеет 10 пучностей, а седьмой – 14.

Ведущая идея. Главное квантовое число n показывает, сколько гармоник имеется на данной круговой орбите, или иными словами – в данной оболочке.

Тогда, при:

- n = 1 имеем одну гармонику (первую) и только 2 пучности;

- n = 2 имеем две гармоники (первую и третью) и 2 + 6 = 8 пучностей;

- n = 3 имеем три гармоники (первую, третью и пятую) и 2 + 6 + 10 = 18 пучностей;

- n = 4 имеем четыре гармоники (первую – седьмую) и 2 + 6 + 10 + 14 = 32 пучности.

Вывод 3. В оболочке с квантовым числом n может быть n видов стоячих волн с суммарным числом пучностей или состояний

∑2*(2ni-1) = 2n².

Этот принцип лежит в основе периодичности свойств чистых элементов (см. таблицу):

Первое. В системе атома могут существовать три перпендикулярные друг к другу электронные плоскости. Причём, в горизонтальной плоскости расположена электронная оболочка К с главным квантовым числом n = 1. В остальных двух вертикальных плоскостях Х и Y расположены по три электронные оболочки L, M и N с главными квантовыми числами, соответственно, n = 2, n = 3 и n = 4.

Дополнение: Распределение электронных оболочек по трём плоскостям легко объясняет появление дуплетов в спектральных сериях атомов, начиная с третьего периода таблицы Менделеева. Например, у атомов этого периода уровень первой гармоники (s-гармоника) всегда одиночный, а уровни третьей гармоники (p- гармоника) двойные. Далее появляются дуплеты у пятой гармоники (d-гармоника) и у седьмой гармоники (f-гармоника).

Второе. В оболочках Lx и Ly образуется сначала первая, затем третья гармоники. Далее между первой и третьей гармониками внедряются: – в оболочках Mx и My - пятая гармоника; – в остальных оболочках Nx и Ny - седьмая и пятая гармоники.

Эти правила вытекают из фундаментального закона Природы – периодической системы элементов Дмитрия Ивановича Менделеева, которую он впервые опубликовал в 1869 году. «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел стоят в периодической зависимости от их атомного веса» – такую классическую формулировку дал Менделеев периодическому закону в 1871 году. Она соответствует химическому этапу в развитии менделеевского учения о периодичности.

На смену ему пришёл этап физический. Теперь мы убеждены, что свойства элементов, простых веществ и их соединений находятся в периодической зависимости от появления новых волновых оболочек, количества в них гармоник и, соответственно, от числа пучностей или состояний (см. таблицу).

Более того, нам удалось определить последний элемент в периодической таблице Менделеева (с мая 2002 года он имел название Va – «Valenta») – атомный номер 118 и атомная масса 298. Это тяжёлый инертный газ с металлическими свойствами и температурами плавления примерно 240 К и кипения – 250 К.

Затем в 2003 году в известном американском университете Беркли заявили, что наконец-то синтезировали данный элемент, однако вскоре выяснилось, что это лишь фальсификация.

17 октября 2006 года российские и американские физики-ядерщики официально сообщили о получении 118-го элемента. Повторные эксперименты по синтезу проводились на дубнинском ускорителе в феврале – июне 2007 года. В результате бомбардировки мишени из калифорния-250 ионами изотопа кальция-48 образовались два ядра атома 118-го элемента с атомной массой 294.

28 ноября 2016 года данный элемент получил название «Оганесон» – Og (в честь академика Юрия Оганесяна).

 

Библиографический список

1. PSSC. Физика. Перевод с английского под редакцией Ахматова, Москва, Наука, 1965.
2. Милликен Р. Электроны «+» и «-». Москва, 1939.
3. Нерсесов Э. А. Основные законы атомной и ядерной физики. Москва, Высшая школа, 1988.
4. Прохоров А. М. Физический энциклопедический словарь. Москва, Советская энциклопедия, 1983.
5. Фейнман Р., Лэйтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Выпуск 3-9, Москва, Мир, 1978.
6. Шпольский Э. В. Атомная физика. 7 издание, том I и II, Москва, Наука, 1984.

Количество просмотров публикации: -