Вся физика | Самоорганизация в атоме Резерфорда

В 1911 году Резерфорд экспериментально открыл атомное ядро и впервые предложил модель атома, в которой электроны вращались вокруг ядра. Атом Резерфорда оказался электромагнитной системой, потому классическая теория Фарадея-Максвелла и вместе с ней технические науки и наши профессии получали доступ в микромир. Но через несколько лет его и лишились.
Современная физика, пришедшая в результате научной революции, признала классическую теорию 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? Сегодня этот вопрос весьма несложен. Но тогда, во времена первых радиостанций, еще не было специалистов в области излучений, умеющих применять теорию поля, что и использовали противники классической физики. Ее мнимая неспособность объяснить атом Резерфорда стала основным аргументом научной революции. Классическая физика и наши профессиональные знания были ниспровергнуты и отброшены от микромира.
До сих пор в учебниках физики этот вопрос излагается всё в той же постановке, что и в 1920-х годах: “почему электроны не излучают?”. О влиянии ядра на излучение из атома почему-то не говорится ничего. В такой неполной постановке задача действительно не решается. Потому считается установленным, что “электроны в атоме не излучают” вопреки классической теории поля и нашему практическому опыту в макромире. Динамические волновые поля якобы сразу излучаются из микромира, в нем не задерживаются и в формировании систем микромира не участвуют.
Сегодня электромагнитная теория достаточно развита, есть и специалисты, и практический опыт. Вопрос об излучении из модели атома уже очень давно стал рядовой задачей теории поля, и мы можем его рассматривать как профессиональную техническую задачу. Неполнота постановки вопроса 1910-х годов тоже давно очевидна: роль ядра в атоме не учтена, и решение вопроса было неверным: теория отвергнута без оснований.
Рассмотрим коротко постановку задачи еще раз. Вращаясь без ядра, электроны излучают, с ядром – нет. Почему? Причина - явно в ядре. Чтобы погашать излучения электронов, ядро должно бы тоже излучать – иного не дано теорией поля, излучение можно погасить только излучением. Что говорит о том учебник? Ничего. Это просто исключено из рассмотрения, молча. Ядро заведомо не излучает? Это лишь подразумевается. Но установлено ли это наукой? В учебниках не сказано. Тогда попробуйте найти в литературе: кто, когда и как открыл или доказал, что ядро в атоме не излучает или не может излучать? Не было это ни открыто, ни доказано. Фундаментальная проблема физики была решена бездоказательно.
Естественным был бы вопрос о том, как возникает излучение ядра и почему оно таково. Но это уже вопросы к ядерной физике, задавать же их классической теории в начале века было явно рановато. Однако сегодня она ответит и на этот вопрос.
Будем 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 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. 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 (А), заведомо излучающий. Динамические поля излучений погашаются в пространстве за пределами модели атома точно так же, как статические: поле “электронов” – полем “ядра”.
Очевидно, оба поля – объектов А и Б - должны вдали от системы ("в бесконечности") становиться равными друг другу и следовать там в противоположных фазах. Тогда векторы Е и Н полей в каждой точке дальнего пространства равны и направлены встречно, их сумма вдали от атома равна нулю, энергия из атома не уносится, источники излучений не теряют своей энергии, потому излучения не прекращаются и не меняются. 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. Равенство “на бесконечности” полей, излучаемых разными источниками, не противоречит теории поля (задача математической теории поля о таком асимптотическом равенстве во всех реальных случаях имеет решения).
Этому есть и известные примеры: любой излучатель (Б), помещенный внутрь сплошного электропроводного экрана, и токи (А), наведенные им на внутреннюю поверхность экрана, излучают вне экрана тождественно друг другу и погашают излучения друг друга, причем не только бесконечно далеко, но полностью и всюду. Поскольку сам экран не излучает, а лишь имеет проводимость и содержит наведенные токи, его, в принципе, можно бы и удалить, оставив только токи, что, хоть и сложно, но возможно. Результат не изменится.
Электроны в атоме – чем не токи (А), экранирующие излучение ядра (Б)?
Вопрос в общей форме относится также к моделям молекул и тел, как бы разделенным на 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.
Конечно, было бы желательно доказать математически, что разные источники полей могут одинаково излучать в бесконечность, т.к. задача важна чрезвычайно. Но математика – иная профессия. Кроме того, нам не нужна математическая точность, многие читатели не поймут эту математику, и приведен пример, на который можно ссылаться. Ограничимся дополнительным пояснением. Поля излучателей условно разделяют на дальнее – поле излучения, и ближнее поле – реактивное, которые связаны между собой не однозначно. Ближнее поле быстро затухает с расстоянием, часть информации об излучателе теряется, и невозможно, зная только дальнее поле, вычислить, каков излучатель и где он точно расположен. Невозможно по той же причине подробно рассмотреть источник света, размеры которого меньше длины излучаемых им световых волн. Т.е. разные излучатели при разных ближних полях могут создавать одинаковые дальние поля излучения, что ясно и без специальных математических доказательств.
Итак, мы вновь, как до научной революции, можем полагать, что атом - это электромагнитная система и объект наших профессий. Поэтому сможем ответить на любые вопросы.
Сразу же возникает вопрос: каким же чудесным образом излучение ядра всегда, при любых устойчивых орбитах электронов, становится точно равным излучению электронов и погашает его полностью? Естественно, сначала нужно составить представление об атомном ядре и отыскать предметы, которые могли бы служить его “классической” макромоделью. Они должны быть способными излучать электромагнитные волны, длины которых много больше самих предметов, поскольку длины волн, излучаемых электронами в атоме, а значит – и ядром, много больше размеров ядра. Классические теории не знают различий между предметами макромира и микромира, поэтому мы вынуждены считать ядро предметом, имеющим объем, несущим статический заряд, и состоящим из какого-то очень плотного материала, в котором не должно быть внутренних потерь энергии.
В соответствии с этим представлением и требованием к излучению, моделями ядра могут служить 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. 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 таких излучений, накапливая ее в себе в виде энергии колебаний. И мы не выдумываем такое ядро, а точно следуем классическим представлениям. Была когда-то и еще одна 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 также электромеханические резонаторы. Это кусочки или капли материала, подобного кварцу или сегнетоэлектрикам. Полагаем также, что материал без потерь в нем энергии. В таком материале электромагнитные поля вызывают упругие 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 5 км, т.е. размеры резонатора здесь ничтожны в сравнении с длиной волн, что нам и нужно.
Будем считать такой резонатор нашим лучшим приближением к ядру в его внешнем электромагнитном проявлении и его макромоделью.
Те и другие модели ядра можно рассматривать как точечные колебательные системы. Внутренние колебательные процессы в них, как и в прочих объемных резонаторах (см. учебники технической электродинамики), представляют собой электромагнитные или электромеханические волны, многократно отражаемые вовнутрь от границ материала и потому периодические (от стенки до стенки и обратно). Частотный спектр колебаний дискретен.
В зависимости от частоты, формы и направлений возбужденных в нем внутренних волновых процессов, резонатор может излучать в пространство на каждой резонансной частоте так же разнообразно, как разнообразны формы внутренних колебаний. Можно сказать, что он способен излучать любое поле, теоретически возможное для точечных излучателей из одного материала. Колебания в нем и поля – наведённые сторонними полями, и потому разные в разных случаях. “Раскачивая” резонатор сторонними полями, можно заставить его излучать как угодно. В том числе – излучать точно так, как излучают вращающиеся вокруг него заряды, и погашать их излучения в пространстве до нуля, по меньшей мере – с практической точностью. Резонатор может и вращаться.
В модели атома, состоящей из открытого объёмного резонатора и вращающихся вокруг него зарядов, вступают в действие явления самоорганизации колебательных процессов. Эти явления легко заметить, изучая свойства полей и колебательных систем, но замечены они еще не были. Технические науки никогда не обращали на них внимания – просто за ненадобностью. Теперь же знания о них нам очень понадобятся.
Если в модели атома вращать заряды вокруг резонатора по их будущим устойчивым орбитам и с частотами, равными собственным частотам резонатора, то заряды будут излучать периодические поля, возбуждая резонатор. В резонаторе из всего множества возможных в нем колебательных процессов будут развиваться только такие, излучения которых, суммируясь с излучениями зарядов, уменьшают общую мощность уходящего из модели потока излучений. Излучая поля, такие процессы принимают энергию, отбирая мощность из потока излучений, уходящего в пространство. Это и становится причиной самоорганизации процессов. Питаясь энергией излучений, они усиливаются, излучают всё более, приток к ним энергии растет, пока не сравняется с оттоком. Пока модель излучает, в ней (в резонаторе) будут возбуждаться всё новые и новые процессы, способные питаться энергией этих излучений, пока они не прекратятся.
Так в резонаторе 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. Излучающие процессы в ядре вместе с процессами движения зарядов составят суммарный процесс в модели, в пространство не излучающий. Остальные излучат энергию и затухнут. 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, объяснены причины сохранения в ней энергии и дискретного множества орбит. На этом остановимся. Из факта “реальный атом не излучает” можно сделать вывод, что атомное ядро является достаточно сложной излучающей колебательной системой, в которой возможно многообразие процессов, достаточное для того, чтобы в атоме всякий раз складывались неизлучающие процессы при любых орбитах электронов. Электроны устойчивы только на таких орбитах, при которых атом не излучает, т.е. при которых излучение ядра способно погашать излучение электронов.
Источники энергии, пополняющие энергию модели до устойчивого уровня в случае ее недостатка, рассмотрим в следующих разделах.
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 постулатам 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 e и m ) или со способностью к электромеханическим колебаниям. И не вполне определенной формы. Все предметы, имеющие объём и свойства – резонаторы, если потери энергии в них не слишком велики. Возможно, заряды в ядре тоже подвижны, и это как-то изменяет характер процессов в нем. Возможно, оно в чем-то подобно жидкой капле, как полагают некоторые современные теории. Но и эти представления приводят к пониманию ядра как резонатора, поскольку капля жидкости в сильных полях тоже становится электромеханической колебательной системой. И во всех случаях самоорганизация ведет к одному 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 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 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 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, т.е. отражается или переизлучается.
Все системы реального 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 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, связанных с полями излучения, потому мы не знаем, как связаны частоты их вращения с диаметрами орбит. Возможно, заряды-“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.
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 предметы с какими-то внутренними электромагнитными свойствами), аналогичные колебательные свойства присущи и электронам, и прочим элементам микромира. Такого единообразия следует ожидать и 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.
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 (вибраторов Герца), различным образом фазированных и ориентированных, совмещенных в одной точке 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. Этим и займемся в следующих разделах.
Итак, решив задачу физики средствами технических профессий, мы достаточно полно объяснили, почему не излучает атом, и как сохраняются в микромире динамические поля и энергия движений. Это то теоретическое открытие, которого уже 90 лет недостает классической физике для объяснения микромира, а нам – для понимания и работы в нем. Его отсутствие, наряду с конкурентными действиями революционной школы физики в начале века, было причиной гибели школы классической. Теперь положение меняется. Наши профессиональные средства становятся наилучшими средствами доступа к микромиру. Классическая физика возвращается, и технические науки, объединившись, могут стать новой академической школой классической физики.

Вся Физика – естественнонаучные знания об окружающем нас мире