Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания

В мире, на самом деле, властвует детерминизм: все тела и частицы имеют в каждый момент времени строго определённые координаты и физические свойства. Благодаря этому, как верно заметил "смеющийся философ" Демокрит, а также герой комедийно-философского фильма "Трасса 60": "любое случайное событие является в действительности закономерным и предопределённым, иначе бы оно не произошло". Далее покажем, как на основании этого строго детерминистического, научного подхода и чётко заданного в рамках БТР положения частиц в атомах и кристаллах объясняются различные феномены и свойства физических субстанций и твёрдых тел.

§ 4.14 Строение вещества и химическая связь

Что, наконец, представляется нам затверделым и плотным,То состоять из начал крючковатых должно несомненно,Сцепленных между собой наподобие веток сплетённых.В этом разряде вещей, занимая в нём первое место,Будут алмазы стоять, что ударов совсем не боятся…Вещи, в которых их ткань совпадает взаимно с другою,Так что, где выпуклость есть, у другой оказалась бы там жеВпадина, — эта их связь окажется самою тесной.Есть и такие ещё, что крючками и петлями будтоДержатся крепко и так друг с другом сцепляются вместе.

Не только физика атома, ядра, но и физика твёрдого тела, термодинамика и химия опираются теперь на квантовую механику. Неужели даже в этих, исконно классических науках нельзя объяснить явления наглядно, а нужен сложный аппарат квантовой механики? В физике ядра, атома и элементарных частиц, как оказалось, квантовые представления не только не обязательны, но, часто, — просто ошибочны и уступают классическому описанию. Да и в других разделах физики классический подход даёт естественное адекватное описание всех "квантовых" эффектов, стоит лишь правильно их истолковать, найти удачную механическую модель явлений, строения атомов и частиц. Такой моделью оказалась бипирамидальная магнитная модель атома. Её основы заложены Ритцем, Томсоном, Ленардом, Ленгмюром и Льюисом — ещё в начале XX в. [19, 46]. Согласно модели, атом имеет форму двух пирамид, соединённых вершинами и послойно заполняемых электронами, что объясняет спектры атомов, закон Менделеева и законы фотоэффекта (§ 3.3, § 4.3).

Размеры атомов и межэлектронные зазоры в слоях задают и межатомные расстояния в молекулах и кристаллах. Ближе атомы сойтись не могут. Однако, почему они не могут разойтись? Что удерживает атомы вместе в молекулах и кристаллах? Первое научное объяснение этому предложили те же Ленгмюр и Льюис, на основе разработанной ими кубической модели атома, по которой ядро атома послойно окружают электроны, занимающие устойчивые положения в вершинах кубов [19, 46]. Эта модель во многом соответствует бипирамидальной, поскольку бипирамида вписывается в куб (Рис. 170). Модель Ленгмюра без всяких оснований отвергли, приняв квантовую теорию химической связи с абстрактными электронными облаками, орбиталями и их перекрытием. Зато в классической модели всё выглядело предельно просто. Электроны послойно заполняли пространственные уровни, оболочки атомов — в форме куба. Если в атоме уровень был заполнен не до конца, его могли занять электроны других атомов, входящие в вакантное место, как ключ в замок. Это позволяло образовывать химические соединения — только определённым подходящим друг к другу по форме атомам и в строго заданном отношении. Например, атом кислорода имеет два свободных места на электронном уровне (Рис. 170). Поэтому, к нему могут пристыковаться два атома водорода, содержащие по одному электрону. Так образуется молекула воды (Рис. 171). Тогда угол между отрезками, соединяющими центры атомов, составит около 109° (угол меж диагоналями куба). Это соответствует реальному углу в 105–109°, измеренному у молекул воды в экспериментах [138].

Рис. 170. Электронные слои атомов с вакансиями-петлями для образования химических связей или ионов O2-, Cl- при захвате электронов e.

Всё это очень напоминает демокритову модель сцепления атомов по принципу "ключ-замок". Демокрит и Лукреций считали, что на атомах есть выпуклости и впадины, крючки и петли (см. эпиграф § 4.14). Когда выпуклость (крючок) одного атома попадает во впадину (петлю) другого, они соединяются, как детали игрушечного конструктора [105]. Выпуклости-крючки — это электроны одного атома, а вогнутости-петли, провалы, — не занятые электронами места в слое другого. Такую впадину будем в дальнейшем называть "вакансией", "пазом" или "гнездом", по аналогии с посадочным гнездом в конструкторе. Такой термин был предложен В. Мантуровым в его кристаллической модели ядра [79]. При этом, силы, удерживающие атомы вместе, имеют электрическую природу. Те же силы удерживают в слое электроны — это силы притяжения к электрон-позитронной решётке, аналогичные ядерным, только с иным масштабом (§ 3.12).

Рис. 171. Образование молекулы воды с углом между атомами водорода 109º.

Так получается предельно наглядная механическая картина связи атомов, сцепленных по принципу шипового соединения деревянных деталей мебели, где выпуклости, зубья, шипы одной доски попадают в пазы и прорези другой, входя с ними в зацепление. Эти периодичные ряды шипов, расположенных в шахматном порядке, вполне аналогичны электронной шахматной структуре атомов (Рис. 170). Только в атомах роль клея и сил трения, удерживающих шипы во впадинах, играют электромагнитные силы, удерживающие электроны в слое, в его не занятых участках. Кстати, именно по принципу "шип-впадина" устроен и широко применяемый в химии молекулярный конструктор из разноцветных шариков-атомов — с разным числом отверстий, в которых силами трения удерживаются связующие их прутики, изображающие электроны. Выходит, структурная химия отчасти вернулась к геометромеханической модели связи атомов (за счёт их форм, "шипов", "крючков" и "переплетений"), открытой ещё в античности, затем надолго забытой, но возрождённой Бойлем и Дальтоном [106]. Интересно, что ещё Демокрит и Лукреций, открывшие эту модель связи атомов, за счёт подобия их форм, предугадали, что связующим элементом (выпуклостями и крючками) должны быть те же мельчайшие частицы, что создают разряд молнии (электроны, см. § 4.17).

Так же легко модель объясняет существование отрицательных ионов. В боровской же модели атом не в силах связать избыточный электрон, а, тем более, — несколько. А, между тем, есть много отрицательных ионов, скажем Cl—, O2–. По Бору, нейтральный атом не удержал бы лишние электроны, зато, если учесть наличие в классической бипирамидальной модели вакансий в слое, то в них электрон-позитронная решётка вполне может связать и несколько лишних электронов. В атоме хлора всего одно свободное место (Рис. 170). Поэтому, атом захватывает один электрон и прочно его удерживает, образуя ион Cl—. В атоме кислорода слой имеет два незанятых места. Соответственно, по присоединении к ним электронов образуется ион O2–. Энергия связи электрона с атомом, в этом случае, называется "сродством к электрону". Она — того же порядка и той же природы, что энергия ионизации. Впрочем, если избыточных электронов чересчур много, отталкивание мешает их удержанию атомом.

Атому, в котором больше свободных мест, чем занятых, проще отдавать электроны. Таким образом, валентность атома, — его способность образовывать химическую связь, — определяется числом электронов, которые он может удержать или отдать. Причём, валентность определяется ещё и способом размещения электронов на уровне: электроны могут перемещаться внутри слоя, словно фишки в "пятнашках". Совершенно так же, как для нуклонов в ядре (§ 3.6), атом может образовывать несколько устойчивых конфигураций электронов, способных захватить или отдать больше или меньше электронов (как предположил ещё А. Майер § 3.1). Вот почему, одни и те же атомы могут проявлять разную валентность, образуя разное число связей. Эта первая и самая наглядная модель химической связи объясняет, как у атомов возникает данное число связей, почему энергия связи того же порядка, что и энергия ионизации (отрыва электрона). Квантовая же физика даёт невразумительные туманные объяснения, напоминающие мистические умствования Аристотеля, — вечного противника Демокрита [105]. Самое странное, что пошла эта квантовая теория химической связи из Гёттингена, словно по смерти Ритца власть там также перешла к его противникам, сторонникам неклассических взглядов: М. Борну, В. Гайтлеру, Ф. Лондону, В. Паули, В. Гейзенбергу [46]. Именно они развили абстрактную теорию связи бесструктурных атомов, посредством перекрытия туманных электронных орбиталей и квантового обменного взаимодействия, не имеющего отношения к обмену частицами, а связанному с перекрытием волновых функций электронов.