В фигурных скобках указаны цифры, попадающие в пределы погрешности измерения. Экспериментальные данные, которыми располагает современная наука, именно таковы, от них и надо отталкиваться при попытке синтезировать картину мироустройства. При этом нельзя не учитывать тот факт, что и электрон, и протон, и нейтрино, и фотоны обладают феноменальной устойчивостью и временем жизни — не зафиксировано общепризнанных экспериментов, в которых их удалось бы расщепить. Они либо меняли свою энергию, но сохраняли свою суть, не трансформируясь во что-то принципиально другое, либо исчезали и появлялись целиком, как фотоны (кванты энергии) при изменении энергетического состояния электронов. Максимум, чего смогли добится экспериментаторы — это обнаружить внутренние степени свободы протона, то есть неоднородность его структуры, говорящую о том, что протон не является истинно элементарной частицей, в частности были зафиксированы так называемые «струйные выбросы» из протона при столкновении его с частицами сверхвысоких энергий. Тем не менее, считаю необходимым сделать несколько комментариев к этим данным. О размерах элементарных частиц
Общепризнанных точных сведений о геометрических размерах частиц нет, поэтому в таблице приведены оценки размеров, на мой взгляд наиболее достоверные (по разным данным, радиус протона оценивается в пределах от
Размеры атомов определены более достоверно и составляют порядка
Такая же неопределённость имеется и при оценке соотношения размеров электрона и протона. Как уже говорилось выше, если принять одинаковыми их удельные плотности и геометрическую форму, то, исходя из соотношения масс, их линейные размеры должны соотносится как
В справочниках иногда упоминается так называемый «классический радиус» электрона, равный Почему же официальной наукой признаны размеры, скажем, того же протона, намного меньшие его комптоновской длины волны? Дело в том, что ограничения комптоновской длины волны применимы лишь к одиночным, «свободным» частицам. В агломерациях же с другими частицами, скажем в атомах и их ядрах, могут явно проявляться и другие характеристические размеры этих частиц, в том числе и намного меньшие, чем их комптоновский размер. К фотонам понятие размера считается неприменимым, поскольку утверждается об отсутствии у них массы покоя. Вместо механического размера к ним обычно применяется понятие «длина волны», среди прочего характеризующее и радиус возможного взаимодействия фотона с веществом вблизи его пути. Нейтрино же настолько малы, что по общему молчаливому согласию современная наука считает их размеры точечными, т.е. пренебрежимо малыми. Если же предположить, что плотность вещества и форма протона, электрона и нейтрино примерно одинакова, то их линейные размеры должны соотноситься как 1650:135:1. Кстати, замечание для любителей нумерологии — соотношение масс протона и электрона с точностью до 5 значащих цифр равно 6·π5! Это случайное совпадение или проявление каких-то более глубоких закономерностей? О стабильности и времени жизниО времени жизни фотонов также следует сказать особо. Как правило, в явном виде этот вопрос вообще не ставится, поскольку фотоны обычно рассматриваются как «не-совсем-частицы», — считается, что они не имеют массу покоя. Однако когда говорят о реликтовом излучении и излучении квазаров, которое идёт до нас миллиарды лет — а считается, что и то, и другое переносится фотонами, хотя и относится к радиодиапазону, — то это подразумевает соответствующее время жизни самих фотонов. Да и видимый свет далёких скоплений галактик тоже, по общепринятому мнению, достигает Земли за много миллионов лет пути. Таким образом де-факто предполагается, что время жизни фотонов составляет как минимум многие миллионы и даже миллиарды лет, то есть они вполне стабильны.
Зато особо следует отметить нестабильность нейтронов, среднее время жизни которых не превышает 15 минут, после чего они распадаются на протон и электрон с выделением О зарядахПрежде всего, надо подчеркнуть, что традиционная наука считает электрический заряд самостоятельным свойством элементарных частиц (а значит, и построенного из них вещества), которое не зависит от их внутренней энергии (возбуждения) и внешней энергии (скорости).
С самого начала XX века, со времён Томсона и Бора, из соображений зарядовой симметрии заряд протона приняли в точности равным заряду электрона. С тех пор проводились неоднократные проверки величины зарядов этих частиц, и на данный момент принято считать, что заряды протона и электрона совпадают с точностью как минимум до Заряд нейтрино предполагается нулевым. Такое предположение неотвратимо следует из соображений зарядовой симметрии Вселенной и постулата о точном равенстве зарядов и количества протонов и электронов в этом мире. Однако все эти соображения на самом деле являются лишь гипотезами. При этом если удельная плотность заряда нейтрино (по массе) примерно равна таковой у протона, с учётом высоких скоростей нейтрино обнаружить наличие такого заряда весьма затруднительно, а если она будет ещё меньше, то при современном уровне техники практически невозможно. На данный момент каких-либо признаков наличия заряда у нейтрино экспериментально не выявлено. Так что если нейтрино и обладает каким-либо зарядом, то его удельная плотность должна быть намного меньше, чем у протона, а абсолютная величина этого заряда мизерна по сравнению со стандартным зарядом (зарядом электрона). Но пока нейтрино следует считать электрически нейтральным. Необходимо сказать о распределении заряда внутри элементарной частицы. Классическое школьное представление о заряженной элементарной частице как о шарике с сосредотченным в центре зарядом вряд ли соответствует действительности — в реальности не встречается бесконечно высокая концентрация чего бы то ни было в бесконечно малом объёме. Как минимум, заряд должен быть распределён по объёму. Но заряд (по крайней мере его основная часть) может быть сосредоточен на поверхности частицы, и даже, возможно, распределён по этой поверхности неравномерно. Такое предположение допускает, во-первых, очень сильное электростатическое взаимодействие при близком контакте поверхностей элементарных частиц, а во-вторых, снимает значительную долю ограничений на максимальный внешний размер элементарной частицы (при центральном и даже при объёмном распределении заряда рост размера резко ослабляет взаимодействие с соседями даже при плотном контакте, при сосредоточении заряда на поверхности это происходит в гораздо меньшей степени). О массе и импульсе
В соответствии с классической механикой, объект, не имеющий массы, не имеет и механического импульса, а его кинетическая энергия всегда равна нулю. Однако официальной наукой признано, что фотоны имеют нулевую массу, но могут переносить механический импульс, — это доказывается экспериментами по измерению давления света, первые из которых были проведены ещё в Построение веществаТеперь рассмотрим организацию вещества из рассмотренных выше 4 основных «кирпичиков» — протона, электрона, нейтрино и фотона. Более мелкие объекты, в частности 12 основных и 12 вспомогательных частиц современной стандартной модели уже являются вполне умозрительными построениями и их существование подтверждается лишь косвенными эффектами, да и так сильно углубляться пока нет насущной необходимости, тем более, что и на более крупных уровнях организации материи ещё достаточно принципиально важных вещей, о которых в современной общепризнанной науке говорится вскользь или вообще не говорится, а используются давно устаревшие предположения двухвековой давности. Итак, если идти от мелкого к крупному, то современная наука предлагает следующую иерархию построения вещества:
Подавляющему большинству людей космические масштабы интересны лишь чисто умозрительно — слишком велики размеры и расстояния, слишком долго развивается большинство процессов, и у людей в настоящее время нет шансов не то что повлиять на них, но в большинстве случаев даже увидеть сколько-нибудь заметное развитие событий. Поэтому стоит сосредоточиться на более соразмерных человеку масштабах — различных материальных объектах, окружающих нас, веществе, из которого они состоят, и способах образования этого вещества из упомянутых выше «кирпичиков» — элементарных частиц. Оговорюсь, что нейтрино в современной официальной физике играет весьма странную роль. С одной стороны, оно вроде как есть, но, с другой стороны, оно вроде как почти незачем и не нужно и почти ни в чём не участвует, кроме как в некоторых превращениях элементарных частиц, да ещё фигурирует в некоторых космогонических теориях в качестве «тёмной материи». Что ж, может так оно и есть? Нейтрон, протон и электрон
Думается, все, кто уделил хоть минимум внимания элементарным частицам, задавались впросом: «почему нейтрон так быстро распадается на протон и электрон?». Ведь продукты распада нейтрона имеют противоположный знак и, по всем законам электростатики, должны, наоборот, стремиться друг к другу, образуя устойчивую пару с взаимно компенсированным зарядом. В действительности же всё происходит с точностью до наоборот — средний свободный нейтрон живёт менее 15 минут, да ещё при его распаде выделяется достаточно существенная по меркам элементарных частиц энергия, равная
Вывод из этого следует только один — при слишком тесном сближении протона и электрона проявляется некий потенциальный барьер «высотой»
Оценить расстояния, на которых проявляется этот барьер, можно, отождествив его с «ядерными» силами, характерные расстояния которых неплохо изучены в результате множества экспериментов: отталкивающее действие начинает проявляться на расстоянии Нуклоны и атомное ядроТрадиционное представление об устройстве атома известно со школы — это ядро, состоящее из положительно заряженых протонов и нейтральных нейтронов, связанных таинственными «ядерными силами» или «силами ближнего взаимодействия», вокруг которого в абсолютной пустоте кружатся электроны (по более свежим представлениям, электроны не кружатся по орбитам, так как при этом они обязаны излучать энергию, тормозиться и падать на ядро, а не менее таинственным образом «размазаны» по своим траекториям, называемым «орбиталями», или вообще образуют некое «электронное облако»). Но небольшое время жизни свободных нейтронов, абсолютно несопоставимое с временем жизни атомов, образующих окружающий нас мир, вызывает сомнения в том, что внутри ядра существуют нейтроны в том виде, в каком они предстают вне ядра. В самом деле, судя по результатам экспериментов, нейтрон представляет собой протон, жёстко захвативший и удерживающий электрон и движущийся с ним как единое электрически нейтральное целое. В этом отличие нейтрона от атома водорода, где связь между электроном и протоном гораздо слабее и, по всей видимости, носит чисто электрический характер. В результате чего наблюдались свободные нейтроны? Либо в результате ядерного распада (естественного или искусственного) в качестве осколков развалившегося ядра, либо в результате синтеза при столкновении высокоэнергетических частиц. Факты их «самозарождения» в обычных условиях из смеси протонов и электронов неизвестны — такая смесь образует лишь водород. Строение атомаМодели атомаСледует сразу сказать, что реальное устройство атома имеет мало общего с агломерацией из шариков с зарядами (протоны и электроны) и без зарядов (нейтроны), как это сплошь и рядом представляют в научно-популярной литературе. Тем не менее, в силу своей простоты и наглядности такая модель до сих пор широко распространена. Первая модель строения атома, основанная не на умозрительных предположениях, а на результатах экспериментальных исследований, была предложена ещё на рубеже XIX и XX веков. Это модель первооткрывателя электрона Дж.Дж.Томсона. По этой модели атом представлял собой собой положительно заряженое ядро больших размеров, практически равных внешним размерам атома, в некоторых местах которого были подвижно «прикреплены» электроны, обеспечивающие суммарную электрическую нейтральность атома. Это была чисто электростатическая модель. Однако довольно быстро результаты последующих экспериментов показали слишком большое расхождение этой модели с действительностью, и на вооружение была взята электродинамическая модель Бора-Резерфорда. По новой модели атом состоял из малого плотного положительно заряженного ядра, вокруг которого по круговым или эллиптическим орбитам двигались электроны. Затем эта модель также была отвергнута (вернее, очень сильно скорректирована), поскольку в силу законов электромагнетизма движущийся по такой орбите электрон обязан был излучать энергию, то есть терять свою скорость, в результате чего в конце концов он должен упасть на ядро. Кстати, существует достаточно серьёзная альтернатива общепринятой квантовой физике — построенная на классической механике и электродинамике атомная физика Грызинского, — где предполагается именно такое — радиальное — движение электронов. О тепловом излученииА между тем спонтанное излучение энергии атомами имеет место. Это — тепловое излучение, которое испускает любое вещество с температурой, отличной от абсолютного нуля. При этом хорошо известно, что частотно-энергетический максимум такого излучения прямо зависит от температуры вещества и по мере его охлаждения смещается из рентгеновкого и ультрафиолетового диапазона до видимого света, а затем в инфракрасную и радиочастотную области.
Почему же всё вещество до сих пор не остыло до абсолютно нуля, отдав всю энергию в виде теплового излучения? Можно предположить, что подавляющее большинство квантов, излучённых «упавшими» электронами, проходя через соседние атомы, взаимодействуют с ними и поглощаются их электронами, которые вновь обретают энергию и «взлетают» над ядром, чтобы потом опять затормозится и «упасть», снова испустив квант (в данном случае под «падением» я имею в виду не физическое падение электрона на ядро, а лишь уменьшение его энергии, снижение энергетического уровня). Лишь излучение крайних слоёв вещества уходит в пространство, однако оно компенсируется квантами, поступающими из этого пространства — солнечным светом, различными видами космических и других излучений, наконец, галактическим реликтовым излучением, которое не позволит никакому объекту во Вселенной (по крайней мере в нашей её части) остыть ниже температуры К сожалению, по непонятным мне причинам официальная наука обычно рассматривает тепловое излучение как общее излучение того или иного физического тела, не вдаваясь в изложенные выше подробности. И лишь в некоторых областях, где без этого обойтись никак нельзя (например, в оптоэлектронике и квантовой оптике) этот механизм рассматривается весьма подробно, зато там речь идёт лишь об определённых зонах вещества (поверхность кристалла, p-n переход и т.п.), но не о физическом теле как некоем целом объекте. Почему до сих пор никто не попытался состыковать это в ясной и наглядной форме — неизвестно. Электронные оболочки и принцип Паули
Традиционно считается, что атом имеет один или несколько электронных слоёв, внешний из которых определяет его химические свойства (прежде всего валентность). При этом каждый слой имеет фиксированное число «мест» для электронов, причём на каждое место может претендовать лишь пара электронов, обязательно отличающаяся своими спинами (принцип Паули). В слоях может быть размещено 2 электрона (слой K), 8 (слой L), 18 (слой M), 32 (слой N), 50 (слой O) и т.д. (максимальная ёмкость слоя равна Валентность атомовУчитывая особенности заполнения электронных слоёв по мере роста заряда ядра, вполне логичной представляется традиционная теория валентности, объясняющая её состоянием самого внешнего слоя, в котором для всех известных атомов может быть не более 8 электронов (далее начинают заполняться внутренние оболочки либо начинается новая внешняя оболочка). Правила валентности очень просты — если электронов на внешнем слое мало, то проще убрать оттуда все электроны (атом склонен превращаться в положительный ион, обладает щелочными свойствами), а если электронов много, то проще дополнить внешний слой до «комплекта» из 8 электронов (атом склонен превращаться в отрицательный ион и обладает кислотными свойствами). Если внешняя оболочка уже имеет «комплект» из 8 электронов, то атом «самодостаточен» и не склонен вступать в химические связи (это инертные газы за исключением гелия, однако и у гелия 2 электрона полностью заполняют единственно возможный для него электронный слой, который, естественно, является внешним). По мере роста числа электронов внутренние электронные слои заметно экранируют заряд ядра, поэтому терять внешние электроны атомам становится всё легче, а приобретать дополнительные — всё сложнее. Этим объясняется рост щелочных и снижение кислотных свойств по мере увеличения заряда ядра при одинаковом количестве электронов во внешнем (валентном) слое. Характерен пример IV группы периодической таблицы (4 электрона во внешнем слое): углерод — выраженные кислотные свойства (кто не слышал о карбонатах кальция, натрия, магния и пр.?), кремний — слабые кислотные свойства, германий — ни то, ни сё, олово — слабые щелочные свойства, свинец — явное преобладание щелочных свойств (скажем, сульфат свинца является одним из основных веществ в рабочем цикле автомобильного аккумулятора). Строение молекулСо школы известно, что атомы могут образовывать различные устойчивые комбинации, называемые молекулами. Именно особенности строения тех или иных молекул определяют все свойства вешеств, которые нас окружают. Связи между атомами внутри молекулы называются химческими связями. Выделяют четыре основных вида таких связей: металлическая, ионная, ковалентная и водородная. При этом в одной молекуле могут сочетаться сразу несколько типов связей, скажем ковалентная связь в одном из её фрагментов и ионная в другом (например, во многих солях щелочной ион связан с кислотным остатком ионной связью, а сам кислотный остаток образован с помощью ковалентной связи). Чем же химические связи между атомами отличаются от связей более мелкого порядка, формирующих сами атомы, и связей более крупного масштаба, формирующих кристаллические решётки и другие формы вещества, уже доступные для непосредственного наблюдения (хотя бы через микроскоп)? Электрический характер химических связей в данный момент является общепризнанным. Рассмотрим некоторые детали их образования. Величина межатомных электростатических сил
Любопытна оценка величины кулоновской силы взаимодействия на расстояниях, сравнимых с размером атома Металлическая химическая связьЭту связь образуют атомы, обладающие малым числом валентных электронов, которые относительно легко могут отделяться от «материнского» атома и становиться свободными. Прежде всего это атомы металлов. Подобная связь характерна для кристаллов металлов, где все атомы одинаковы и образуют кристаллическую решётку, отдавая внешние валентные электроны в «общее пользование» в пределах кристалла. В силу особенностей распределения электростатических сил в таком кристалле можно ожидать некотрые различия концентрации электронов внутри кристалла и на его внешних границах, однако непосредственно измерить это вряд ли удастся, так как любая попытка прямого подключения измерительной аппаратуры осуществляется снаружи кристалла, поверхность которого в условиях отсутствия внешних воздействий эквипотенциальна, а сам эффект локализуется в сверхтонком поверхностном слое. Именно такая поверхностная концентрация электронов в металле скорее всего лежит в основе хорошо известного скин-эффекта, заключающегося в вытеснении переменного электрического тока во внешние слои проводника по мере увеличения частоты этого тока. Ионная химическая связьЭтот вид химической связи, пожалуй, наиболее прост для понимания. В этом случае один атом с почти полностью заполненным внешним электронным слоем «отбирает» у другого атома, имеющего в валентном слое мало электронов, один или несколько электронов, и получившиеся ионы электростатически притягиваются друг к другу, образуя весьма прочную молекулу (вспомните оценку электростатического притяжения, сделанную чуть выше). Однако при видимой простоте механизма с его реализацией не всё так просто. Во-первых, так могут образовываться лишь молекулы с относительно небольшим числом компонентов — слишком трудно собрать близко большое количество ионов с разными зарядами так, чтобы они не мешали друг другу из-за частичной взаимной нейтрализации воздействия зарядов, которая ослабляет электростатические связи между ними и делает молекулу весьма неустойчивой. Во-вторых, передача электрона от одного атома другому возможна лишь при непосредственном контакте этих атомов, так что когда один из реагентов находится в твёрдой фазе и продукт реакции также твёрдый, то реакция не пойдёт дальше поверхностного слоя. В газообразной форме эта реакция тоже затруднена, но по другим причинам. Наиболее подходящими условиями для образования подобных молекул является жидкое состояние реагентов, в котором они могут находиться либо в силу их природных свойств при данных условиях либо в результате диссоциации в жидком растворителе (чаще всего в воде). Ковалентная химическая связьПри ковалентной связи считается, что образующие эту связь атомы объединяют электроны своих внешних валентных слоёв в единую общую оболочку. Однако на самом деле процесс несколько сложнее — «разделяемые» электроны не переходят к новому «владельцу», как в случае ионной связи, и не «воспаряют» над группой связанных атомов, окутывая её наподобие атмосферы, а всё время «перескакивают» между атомами, пытаясь дополнить их валентную оболочку до 8 электронов, но тут же выталкиваются обратно из-за возникающего на захватившем их атоме избыточного отрицательного заряда, который заряд ядра не способен удержать стабильно. Чем меньше число электронов во внутренних слоях и, следовательно, чем меньше их экранирующее воздействие на заряд ядра, тем «злее» атом выхватывает «чужие» электроны, тем больше его окислительная способность — способность к образованию ковалентных связей. Однако когда в валентной оболочке не хватает всего одного электрона (VII группа периодической таблицы — фтор, хлор и др.), дисбаланс зарядов при захвате «лишнего» электрона не столь велик, в результате такие атомы удерживают его слишком крепко. Поэтому они склонны становиться стабильными ионами и образовывать ионные химические связи, прежде всего с маловалентными металлами, легко отдающими свои немногочисленные внешние электроны. А вот недостача двух электронов уже приводит к слишком большому дисбалансу зарядов при полном заполнении валентного электронного слоя, в результате атом вынужден их терять и, чуть «отдохнув», снова забирать обратно. Среди всех атомов, у которых в валентном слое не хватает двух электронов (VI группа периодической таблицы), минимальным зарядом ядра и, соответственно, минимумом внутренних электронных слоёв обладает кислород. Именно этим и объясняется его феноменальная окислительная способность, которая по сути является способностью выступать в качестве инициатора образования ковалентной связи. Кстати, все соединения с кислородом других атомов (оксиды) считаются ковалентными соединениями. Следующий за кислородом элемент VI группы — сера — тоже может образовывать аналогичные оксидам соединения (сульфиды), однако из-за наличия дополнительного внутреннего электронного слоя она «отнимает» ковалентные электроны не так активно, и потому её окислительная активность ниже и в «очном противоборстве» она проигрывает кислороду — широко известны оксиды серы SO, SO2 и SO3, но не известны факты стабильного существования сульфида кислорода OS2. Ковалентная связь имеет много разновидностей, в частности, она бывает полярной и неполярной. Неполярная связь возникает в молекулах, состоящих из одинаковых атомов, «силы» которых в борьбе за недостающие им электроны равны, то есть имеющих одинаковую электроотрицательность. Таковы, например, молекулы водорода H2, кислорода O2, азота N2 и другие. Следует заметить, что, например, кислород образует не только устойчивую молекулу O2, но и относительно неустойчивую молекулу озона O3, где общие валентные электроны «делят» между собой 3 атома кислорода. Неустойчивость озона можно объяснить как механическими причинами (молекула больше и потому менее прочна), так и тем, что относительно велика вероятность того, что крайний атом окажется «при своих» электронах (будет электрически нейтральным), а его сосед в это время будет «владеть» электронами третьего атома, и потому останется «равнодушным» к комплектному атому, давая ему возможность покинуть молекулу. В случае двухатомной молекулы кислорода можно считать, что атомы постоянно «перекидывают» электроны друг другу и потому всегда существует дисбаланс зарядов, не дающий атомам разойтись и обеспечивающий устойчивость молекулы O2. Если же связанные атомы имеют разную электроотрицальность, то ковалентные электроны, естественно, проводят больше времени у более электроотрицательного атома, смещаясь в его сторону. В результате молекула поляризуется, хотя и не до такой абсолютной степени, как при образовании ионной связи. Иногда к крайне поляризованной ковалентной связи относят водородную связь. Водородная химическая связьВодородная связь характерна для соединения атомов водорода, ядро которых представляет собой протон, с электроотрицательными атомами. Самые распространённые вещества, в которых широко представлен этот тип связи — углеводороды и обычная вода. Для водородной связи характерна сильная поляризация — водород отдаёт свой электрон на заполнение валентной оболочки другого атома, который в силу высокой электроотрицальности и «владеет» этим электроном большую часть времени. Водородную связь выделяют в отдельную специфическую категорию, хотя по сути её можно рассматривать как промежуточную ступень между ковалентной и ионной связями, в которой участвует легко «раздеваемый» до ядра-протона атом водорода. Об относительности понятия молекулыСледует предостеречь от абсолютизации понятия молекулы в той форме, к которой мы привыкли ещё на школьных уроках химии. Подобный подход к описанию строения вещества совершенно оправдан и очень удобен с химической точки зрения, а вот с точки зрения физики считать, что химическая молекула (скажем, NaCl — поваренная соль) всегда является отдельным самостоятельным образованием, категорически нельзя! В общем случае более-менее корректно отождествлять химическое и физическое понятия молекул как самостоятельных объектов можно лишь для газообразного состояния вещества. Не случайно только в этом агрегатном состоянии одно и то же количество молекул занимает один и тот же объём независимо от их химического состава. Тем не менее, иногда и в плотных агрегатных состояниях понятие молекулы имеет некоторый физический смысл, — как описание комбинации атомов, которые между собой связаны гораздо крепче, чем с другими своими соседями по кристаллической решётке, и потому в случае разрушения этой решётки (механического, теплового и т.п.) они остаются вместе, а в первую очередь всегда рвутся другие, более слабые связи. Однако даже внутри достаточно простых молекул, содержащих хотя бы 3 разнородных атиома, всегда можно выделить связи разной «крепости». Например, кислотные остатки обычно являются весьма устойчивыми образованиями, а вот их связи с водородом (в кислотах) или ионами металлов (в солях) гораздо слабее и рвутся относительно легко. Поэтому и здесь физическая суть понятия молекулы довольно размыта, в отличии от химического подхода. Кристаллические решёткиМолекулы, как их традиционно представляют, слишком мелки для непосредственного восприятия нами. А вот следующий уровень организации вещества — кристаллы — мы уже можем увидеть в микроскоп, лупу, и даже невооружённым глазом, покрутить их в руках. В чём же отличие кристаллов от молекул, ведь и те, и другие в конечном счёте образуются из атомов? Должен сказать, что не всё из изложенного ниже можно встретить в «официальной» литературе, но логика «нестандартных» выводов настолько проста и очевидна, что я рискнул упомянуть об этом как об общеизвестном факте. Кристаллы как молекулы
С достаточной степенью уверенности можно утверждать, что с физической точки зрения различий между кристаллами и молекулами нет. Твёрдые кристаллы — это огромные молекулы. Например, известно, что кристалл обыкновенной поваренной соли состоит из чередующихся ионов Na и Cl, размещённых в пространстве со строгой регулярностью. Поэтому нельзя сказать, относится ли данный конкретный атом натрия именно к атому хлора, находящемуся слева от него, или к такому же атому справа, или сверху, или снизу, или спереди, или сзади... Все эти связи равноправны, межатомные расстояния одинаковы, и потому в данном случае весь кристалл поваренной соли следует рассматривать как макромолекулу, своего рода суперполимер, а формулу NaCl считать условностью, удобно описывающей химические свойства данного вещества. Выделить по каким-то неоспоримым признакам отдельные молекулы NaCl в таком кристалле невозможно — весь кристалл представляет собой единую молекулу А вот границы кристаллов являются особыми местами, где кристаллическая решётка нарушена, ближайшие к ней слои имеют множественные дефекты, а поверхность загрязнена соединениями с другими атомами. В результате отдельные кристаллы, насыпанные, скажем, в банку, друг с другом не слипнутся — слишком мала площадь контакта и слишком слабы образующиеся связи. Когда кристаллы образуются одновременно при кристаллизации расплава или раствора, границы отдельных зёрен, растущих из разных центров кристаллизации, получаются комплементáрно дополняющими друг друга, как соседние кусочки паззла, и образуют достаточно прочное механическое соединение даже без использования какого-либо «клея». К тому же почти идеальное соответствие формы обеспечивает и хорошие межатомные связи на границе зерён, дополнительно «цементируя» соединение, хотя из-за несовпадения кристаллических решёток межкристалльные связи всё же получаются слабее, чем внутрикристалльные, так как не всем атомам удаётся сцепиться в полную силу. В результате многие минералы, состоящие из отдельных кристаллических «зёрнышек», такие как гранит, обладают очень высокой прочностью, практически равной прочности самих кристаллов. Если форма поверхности кристаллов хоть чуть-чуть не совпадает, площадь контакта катастрофически падает, и межмолекулярных сил уже недостаточно, чтобы соединять объекты — осколки уже не смогут вновь образовать целое, ведь граница разлома обязательно искажена дефектами кристаллической решётки и загрязнена посторонними атомами, попавшими туда из атмосферы. Ориентация связей вновь возникших соединений на открытой поверхности также не способствует установлению прочных связей с подобными соединениями на поверхности другого кристалла, даже когда окислы сами по себе и являются достаточно прочными. Однако слесарям хорошо известно то, что сильно затянутое резьбовое соединение, даже не имеющее следов коррозии, но простоявшее в таком состоянии много лет, разобрать гораздо труднее, чем точно такое же и даже затянутое с бóльшим усилием, но недавно — детали «прикипают» друг к другу. Дело в том, что под воздействием давления поверхности кристаллов металла на границе деталей постепенно взаимно адаптируются, возрастает площадь контакта, где расстояния между атомами разных деталей сокращаются до значений, характерных для межатомных расстояний внутри кристаллов, а значит, возрастает и сила межатомного соединения этих деталей. Повышенная температура и знакопеременные нагрузки, даже небольшие, ускоряют этот процесс (технология сварки ковкой известна уже много веков). Хорошо известны и опыты, в которых тщательно пришлифованные кусочки немагнитного и неэлектризующегося вещества прилипают друг к другу с большой силой, позволяющей подобному соединению без всякого клея выдерживать существенную нагрузку. Здесь детали соединяют именно межатомные силы, действующие внутри молекул и кристаллов. Однако даже идеально пришлифованные грани не слипнутся сами по себе, как поднесённые друг к другу магниты, — для слипания их надо либо прижать с большой силой, либо притереть, тоже с немалыми усилиями. Обычно это объясняют необходимостью очистить поверхность от окислов, образующихся при её контакте с атмосферой, но, возможно, дело заключается не только в этом. Молекулы как кристаллыПосле прочтения предыдущего пункта может возникнуть закономерный вопрос: почему же при изменении агрегатного состояния кристаллов, и прежде всего при превращении их в газообразное состояние, мы всё же получаем именно молекулы, а не отдельные атомы? Ответ, в общем-то, очевиден: комплексы, соответствующие химическим формулам молекул, более устойчивы, чем крупные конструкции из этих блоков — кристаллы для твёрдого агрегатного состояния и кристаллоподобные агломерации для жидкого. Но это не всегда так – отнюдь не все вещества можно перевести в газообразное состояние при нормальных условиях, довольно много веществ превращается во что-то другое или распадается на более простые составляющие прежде, чем будет достигнута температура испарения (особенно часто это встречается среди органических веществ). Так что и химические молекулы, соответствующие газообразному агрегатному состоянию вещества, можно рассматривать как микрокристаллы, наиболее устойчивые агломерации атомов, ещё сохраняющие химические и некоторые физические свойства, характерные для того или иного вещества. Любопытно, что для видимого проявления некоторых физических свойств размеры молекулы (точнее, кристалла) должны быть достаточно велики. Это касается прежде всего анизотропных эффектов — пьезоэлектрических свойств, поляризации света, магнитных доменов и многого другого. Очевидно, что эти эффекты будут характерны и для более мелких кристаллов, вплоть до размеров молекулы, однако заметить их и использовать в столь малых масштабах весьма затруднительно, а на доступном нам макроуровне из-за случайной ориентации отдельных кристалликов в пространстве их влияние статистически усредняется и становится слишком малым. Наконец, при дальнейшем нагревании вещества оно неибежно распадается на атомы — происходит пиролиз (не путать с горением!). Часто к этому времени начинается и тепловая ионизация вещества, когда атомы начинают терять в первую очередь валентные электроны. Во многих случаях пиролиз простых веществ и обусловлен именно такой ионизацией. В конце концов ионизованные атомы образуют плазму. Так что в любом случае — что для кристаллов, что для молекул газа — в результате достаточно сильного нагрева мы обязательно получим отдельные атомы, возможно, потерявшие часть своих электронов! Способы взаимодействияВсе объекты окружающего нас мира существуют не сами по себе. Они всё время взаимодействуют друг с другом — короткими резкими импульсами (механические столкновения) или относительно непрерывно и продолжительно (гравитационное и электродинамическое взаимодействие, а также некоторые формы механического взаимодействия). Однако независимо от формы взаимодействия в конечном счёте оно сводится к изменению энергии объектов и обмену энергией между объектами или между объектом и средой. Как же может происходить передача энергии? Современной официальной науке известны всего три пути этого процесса. Во-первых, это передача энергии вместе с линейным перемещением массы — за счёт перемещения материальных тел. Во-вторых, это передача энергии через среду без линейного перемещения массы (скажем, при циклическом перемещении масс по замкнутой траектории) — волновая передача энергии. И последний способ — это бесконтактное взаимодействие с помощью полей. Передача энергии при перемещении массыЭто наиболее простой и очевидный способ передачи энергии. Катящийся шар ударился о неподвижный и заставил его двигаться. Пучок электронов попал на экран и заставил его светиться. Наконец, тесто тонким слоем вылили на раскалённую сковородку, и за счёт тепла сковороды тут же получился румяный горячий блин. Во всех этих случаях один объект с повышенной энергией (механической, электрической, тепловой) вступает в непосредственный контакт с другим объектом в результате перемещения в пространстве как минимум одного из них. При этом передаваемая энергия либо полностью определяется самой массой (механическая кинетическая энергия), либо тесно связана с массой (электрический заряд или тепловая энергия). Волновая передача энергииПри волновой передаче энергии объект, передающий энергию, не взаимодействует с конечным получателем энергии непосредственно, а взаимодействует со средой, которая переносит энергию в виде волн. При этом, если есть объект, способный взять из среды энергию, энергия самой среды не увеличивается слишком сильно, а остаётся на определённом уровне в течение всего времени взаимодействия объектов и может быть намного порядков меньше, чем объём энергии, переданной объектами друг другу через эту среду. Если же такого отвода энергии из среды нет, то после возрастания до определённого уровня, определяемого возможностями возбуждения среды отдающим ей энергию объектом, уровень энергии среды становится стабильным, и среда перестаёт принимать дополнительную энергию от возбуждающего объекта (это следует понимать не как буквальный отказ принимать энергию, а как то, что обратная отдача энергии средой возбуждающему объекту достигает уровня передачи энергии от этого объекта среде, в результате чего уровень энергии среды перестаёт расти). Неотъемлемым свойством волнового способа передачи энергии является волновое циклическое движение элементов среды — продольное, поперечное или смешанное. Подчеркну, что в данном случае все объекты и элементы среды вполне могут оставаться на своих местах (их перемещение не превышает их размеров) или совершать лишь относительно небольшие циклические движения, а направленно перемещается только энергия. Особняком в современной науке стоят электромагнитные волны. С одной стороны, общепризнан волновой характер электромагнитного излучения, с другой стороны постулируется, что оно может распространяться в абсолютной пустоте, да и о пределах насыщения среды ничего не известно. В таком случае уже более века стоит вопрос: «а в чём всё же вобуждаются эти волны, что же колеблется?» Слова о том, что «колеблется напряжённость поля» мало что объясняют, так как неясно, что такое это «поле» и какова физическая суть его напряжённости (по сути приходим к «напряжённости пустоты», что выглядит явным абсурдом). Корпускулярное представление о фотонах интуитивно более понятно — здесь в пустоте летит частица-фотон. Но постулируемое отсутствие массы у этой частицы вновь выводит картину электромагнитного взаимодействия за рамки бытового здравого смысла. Полевое взаимодействиеВзаимодействие тел с помощью создаваемых ими полей (гравитационного, электростатического и пр.) ещё более туманно, чем электромагнитные волны. По сути, современная наука просто констатирует факт возможности бесконтактного взаимодействия объектов «через пустоту», причём сила такого взаимодействия обычно пропорциональна произведению взаимодействующих величин (скажем, масс или зарядов) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между взаимодействующими объектами. О физической сути полей высказываются лишь догадки, пока не нашедшие практического применения. Общепризнано, что скорость распространения электромагнитных полей равна скорости света. А вот со скоростью гравитационного взаимодействия не всё так просто. Существуют данные, указывающие на то, что гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно, или по крайней мере на много порядков быстрее скорости света. Об электричестве и гравитации
На выбранном нами уровне рассмотрения устройства мира современная официальная наука трактует электромагнетизм и гравитацию как данность с постулированным набором свойств (с некоторыми квантовыми поправками для масштабов, сравнимых с размерами протона и электрона, точнее с размерами так называемой «комптоновской длины волны», для электрона примерно равной Пока и я не готов углубиться в столь тонкие материи, тем более что даже во вдоль и поперёк исхоженной современной наукой области явлений и эффектов находится ещё очень много интересных вещей, по тем или иным причинам не замеченных «официальными» учёными. Белые пятнаНеобходимо сказать несколько слов и о «белых пятнах» на карте современной физики. Причём речь пойдёт не о малоизученных экзотических окраинах науки, не оказывающих влияния на повседневную жизнь, таких как сверхдалёкие пульсары и квазары или сверхмалые кварки и полумифический «бозон Хиггса». Нет, эти пробелы касаются того, с чем каждый из нас сталкивается постоянно — каждый день и по многу раз. О кажущемся пониманииСовременная официальная наука объясняет многое. Например, со школы известно, что тепло — это движение, а сила света — это энергия. Но существует момент истины, способный показать, насколько эти объяснения верны. Этот момент истины называется «основные физические единицы измерения». В системе СИ к ним относятся единицы измерения времени, пространства, массы, термодинамической температуры, силы тока и силы света. По каким критериям одни единицы измерения относятся к основным, а другие — к производным? Производные единицы можно выразить через основные с помощью известных науке закономерностей, а вот одни основные единицы через другие так выразить нельзя — как в трёхмерном пространстве для описания положения точки необходимо именно 3 координатные оси, а не 2 и не одна, так и в современных измерениях для полного (на сегодняшний день) описания состояния физического объекта признаны необходимыми именно 6 основных единиц, а не 2, не 4 и не 8. При этом в разных системах единиц измерения в качестве основных могут быть выбраны единицы разного рода, но из «родственных» категорий. Например, в системе СИ основной единицей измерения для электромагнитных величин выбрана единица силы тока — ампер. В других системах в качестве основной «электрической» единицы может быть выбрана единица заряда (так сделано в СГСЭ, и на мой взгляд это более логично с физической точки зрения). Однако ток и заряд связаны простым и однозначным соотношением через единицы измерения другой категории — времени, — и потому, по большому счёту, всё равно, считать основной электрической мерой заряд или силу тока — в обоих случаях одной основной электрической единицы (вкупе с основными единицами пространства, времени и массы) достаточно для описания размерностей всех понятий электромагнетизма. К чему я это говорю? К тому, что основные единицы одной категории принципиально невозможно выразить через основные единицы других категорий, они несводимы друг к другу. Редкие попытки выразить массу через время, а расстояние через заряд закончились ничем и лишь показали невозможность этого — в современной науке эти вещи «перпендикулярны» друг другу, как оси координат в трёхмерном пространстве. В то же время любая производная единица измерения может быть выражена с помощью основных единиц по известным закономерностям. Например, энергия может быть выражена через единицы пространства, времени и массы. Поэтому, если будет установлена какая-либо однозначная взаимосвязь между категориями основных единиц измерения, одна из этих единиц должна перестать быть основной и перейти в разряд производных. Между тем, среди упомянутых основных единиц измерения есть две категории, которые официальные наука вроде бы может «объяснить» — это сила света и температура. Тогда почему их единицы измерения считаются основными, а не производными? Сила света связана с энергией, излучаемой источником света, точнее с мощностью его излучения. Эта связь однозначно установлена, да и интуитивно понятна. Почему же её нельзя выразить через ватты? Можно, но сложно. Потому что сила света — это мера восприятия потока лучистой энергии именно человеческим глазом. Оставлена она для удобства измерений и оценок, и по большому счёту может быть выражена через мощность и спектральный состав излучения с соответствующими поправочными коэффициентами, что иногда и реализуется на практике. В связи с таким «субъективным» характером этой единицы измерения она применяется только к видимому диапазону света. Во всех остальных диапазонах электромагнитного излучения, в том числе инфракрасном и ультрафиолетовом, единственным энергетическим критерием является его мощность (полная или удельная). Поскольку наш глаз эти диапазоны излучений не воспринимает, понятие силы света к ним неприменимо (точнее, там сила света равна нулю независимо от количества энергии, излучаемой в этих диапазонах). По большому счёту, силу света следует отнести не к основным, а к вспомогательным единицам измерения, не относящимся к физике как таковой, а используемым лишь для оценки восприятия явлений человеком, как, например, бэр (биологический эквивалент рентгена, мера воздействия радиации на живые организмы, который также зависит не только от количества физической дозы — суммарной энергии полученного облучения, — но и от спектрального состава этого излучения, т.е. энергии квантов). То, что сила света остаётся среди основных физических единиц измерения, я считаю научным атавизмом, сохранившимся с тех времён, когда ещё не имели понятия об электромагнитной природе света и для характеристики светового потока объективно нужна была отдельная категория единиц измерения.
Сложнее с температурой. Вроде бы все ещё со школы знают, что температура — это мера тепловой кинетической энергии частиц тела. В любом учебнике говорится, что «средняя кинетическая энергия одной молекулы идеального газа зависит только от температуры», и это подтверждается приводимой там же формулой О вихревом движенииВ природе известно два вида движения — прямолинейное, характерное для движения тел в абсолютной пустоте без каких-либо внешних воздействий, — и вихревое, характерное для движения среды, состоящий из однородных элементов. Чем отличается «среда» от «тела»? В данном случае тем, что «тело» выступает как единое целое и взаимодействует с конечным и очень небольшим количеством объектов либо не взаимодействует вообще ни с чем, а элементы «среды» взаимодействуют с огромным множеством других элементов, учесть точное индивидуальное воздействие которых невозможно. То есть для прогнозирования поведения «тела» возможен детерминированный подход с достаточном точным учётом взаимодействий, а для прогнозирования поведения «среды» — только усреднённый, статистический (как исключение можно назвать некоторые современные компьютерные модели сред, где используются требующие огромного объёма вычислений детерминированные законы взаимодействия частиц, однако и там при более-менее длительном моделировании начинают заметно проявляться различные псевдослучайные факторы, прежде всего связанные с неизбежными погрешностями представления чисел в памяти компьютера, хотя количество элементов среды в таких моделях на десятки порядков меньше количества частиц в технически актуальных объёмах вещества). Между тем, в природе любое «тело» всегда находится в «среде». И это относится не только к явному наличию среды, скажем, к пуле, летящей в воздухе (на малых участках траектории её можно рассматривать как «прямолинейно движущееся тело», но на длинной траектории необходимо учитывать не только гравитацию, но и воздействие воздуха, носящее при взаимодействии с пулей резко выраженный вихревой характер, — именно поэтому прицельная стрельба из гладкоствольного оружия возможна не более, чем на 100-200 метров; увеличить прицельную дальность удалось лишь противопоставив воздушным вихрям собственное вращение пули). Даже в безвоздушном пространстве, в космосе, все объекты движутся по закругляющимся траекториям (хотя и не всегда замкнутым) — там «среда» создаётся гравитационным воздействием звёзд, планет и галактик... К тому же не известно ни одного космического тела, которое не испытывало бы собственного вращения (не вращаются лишь специально стабилизируемые спутники, но и они при отключении системы стабилизации рано или поздно начинают кувыркаться, то есть испытывать вращение; Луна всегда обращена к Земле одной стороной, но при этом она сама движется вокруг Земли, так что её собственное вращение просто синхронизировано с орбитальным движением). Более того, проанализировав взаимодействие тел, можно однозначно утверждать, что вращение есть неотъемлемое свойство любой среды, частицы которой каким-либо образом воздействуют на движение друг друга. Современная наука, по сути, безоговорочно отдаёт пальму первенства прямолинейному движению, считая вихревое движение его «испорченным» вариантом, обусловленным воздействием различных внешних факторов. Отсюда пренебрежительное отношение к вихревому движению как к побочному и второсортному. Наиболее очевидно это в гидро- и аэродинамике, повсеместно рекомендующих избегать ситуаций турбулентных, вихревых потоков и, по возможности, добиваться ламинарных, линейных режимов течения. Но в природе практически нет прямолинейного движения, как нет и прямолинейных траекторий. Да, по отношению к каждому отдельному элементу среды (скажем, к молекуле газа или жидкости) поворачивающие его факторы являются внешними, но для среды в целом (т.е. газа или жидкости как единого физического объекта) они являются внутренними, а потому внутреннее вращение — это неотъемлемое свойство среды! В той же гидродинамике тщательные исследования показали, что даже в ламинарном потоке в пограничном со стенками слое существуют вихри, хотя и очень маленькие. Да и остальной ламинарный поток тоже движется лишь относительно прямолинейно — струйки всё равно слабо закручиваются и потихоньку переплетаются. Пожалуй, единственное, что в природе вроде бы распространяется прямолинейно — это кванты электромагнитного излучения, в частности свет. Но и тут волновые свойства фотонов можно интерпретировать как проявление их внутреннего вращения. В связи с мнимой второсортностью вихревого движения современная наука подходит к нему по остаточному принципу, стараясь избегать его сколько можно. И лишь там, где игнорировать его никак нельзя — в электродинамике с вихревыми магнитными полями и в аэро-гидродинамике с турбулентными состояниями потока, — снисходит до учёта такого движения. Следует заметить, что это в немалой степени объясняется и гораздо более высокой сложностью математического описания вихрей по сравнению с линейным движением и, тем более, по сравнению со статическими системами. Однако и здесь описание вихревого движения сводится к использованию оператора ротора, описывающего «абстрактный вихрь», а точнее, движение по замкнутой плоской траектории. Однако в природе не существует абстрактного вихря, да и движение вещества в реальных вихрях нельзя свести к плоским траекториям. Существует как минимум две разновидности вихрей — вихри Тейлора и вихри Бенара — принципиально различающиеся своей структурой и потому обладающие различными, а иногда и диаметрально противоположными свойствами. Игнорирование этого обстоятельства и общее пренебрежение вихревым движением является одной из главных ошибок современной официальной науки. ♦
публикация 31.03.2011, последняя правка 30.12.2014 18:58:39
| |
