Юрий Носков

РУССКИЙ КОСМИЗМ

Приложение 1

АКТУАЛЬНАЯ ОНТОЛОГИЯ

3. СУБСТАНЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ АТОМА

Введение

Теоретическая незавершенность атомной физики в целом и отсутствие общепризнанной теории атома в частности даёт возможность отдельным исследователям или их группам предлагать всё новые и новые решения. Попробуем также внести посильный вклад в общее дело постижения основ мироздания в рамках мировоззрения русского космизма.

Здесь в качестве инструмента познания воспользуемся базирующейся на концепции подобия системикой и её прикладной проекцией в онтологию - общей теорией систем. Выверенная система категорий позволяет не заблудиться в в хитросплетениях современных описаний явлений атомного уровня. А принципы и законы системики послужат надёжными инструментами для построения интуитивно понятной и удобной на практике модели атома и тесно связанной с ней системы закономерностей, описывающей всё многообразие атомных взаимодействий.

Непосредственное физическое, то есть онтологическое, моделирование будем осуществлять в рамках общей субстанциальной концепции, в которой всё пространство заполнено материей и пустотой. Отсюда и название модели атома, так как материя и состоит исключительно из атомов. При этом надо понимать, что альтернативная (реляционная) концепция в целом есть лишь частный (предельный) случай субстанциальной концепции.

При этом всё многообразие моделей и зависимостей, с той или иной точностью описывающих в настоящее время всё многообразие экспериментальных данных атомного уровня, ни в коем случае не отрицается. Необходимо всё это обобщить, так чтобы не потерять ничего из накопленного опыта. Дело не простое, но что-то предложить всё же можно.

Согласно предлагаемой модели атом состоит из ядра и электронных уровней. Ядро в свою очередь состоит из протонов и нейтронов. То есть в первом приближении ничего принципиально нового. Новое начнём вводить постепенно в виде последовательности пяти действий.

В короткой статье общего плана невозможно углубиться в тонкости и детали сложной физики, здесь сформулируем лишь ряд идей, выверенность которых будет не сколько физическая, сколько общесистемная. Для детальной же проработки теории потребуется усилия многих физиков.

Действие первое

Выше определена общая субстанциальная система координат для отражения теории атома. Теперь необходимо дать общее схематичное описание предлагаемой теории. Что и станет первым действием.

Сутью этого действия будет то, что ядерная физика уровня ядра, состоящего из протонов и нейтронов, со всей совокупностью явлений с ними связанных, возвращается в атомную физику, а то, что сегодня называют физикой элементарных частиц, будем впредь называть ядерной физикой. И для такого переноса есть два весьма веских основания. Во-первых, те частицы, что фигурируют в физике элементарных частиц, мягко говоря, не совсем и частицы в привычном для прочей физики смысле, в отличие от тех же протонов и нейтронов. А во-вторых, рассмотрение электронных уровней без детализации структуры ядер атомов сложно сделать по настоящему обоснованным.

Таким образом, элементы, из которых будет построена в первом приближении модель атома, это протоны, нейтроны и электроны. При этом радиусы атомов колеблются от 0.3 до 3 ангстрем. В центре атома - ядро, состоящее из протонов и нейтронов, радиус ядра от 0.83 до 10 фм. То есть радиус атома примерно в 30 тысяч раз больше радиуса его ядра. Таково общее привычное представление атома.

В предлагаемой модели атома в частности, и связанной с ней теории в целом, свойства протонов будут описываться как данность, без какого бы то ни было обоснования того, почему они такие, на все эти вопросы призвана ответить физика элементарных частиц (то есть ядерная физика).

Предполагается искать общее описание всех явлений, а значит и опытных данных, в виде четырёх уравнений. Самое сложное здесь в выборе базовых параметров описания. Воспользуемся на начальном этапе двумя векторными атомными субстанциалами. Для определённости один из них назовём электрическим, а другой магнитным. В формальной логике нижнего уровня достаточно всего лишь «0» и «1». Можно предположить, что для описания материи атомного уровня также будет достаточно двух параметров. При этом атом (его ядро) имеет размер, а, значит, может иметь какую-то неоднородную структуру поверхности. Время в виде динамики системы и частотных характеристик, также станет одной из переменных уравнений. При этом время, пространство и материя являются здесь независимыми (по определению используемой субстанциальной концепции).

Действие второе

Второе действие будет посвящено в первую очередь протону, а также нейтрону и теме электрона.

Протон в переводе с греческого («протос») – «первый», «исходный». Протон очень точно соответствует своему названию - он является неизменной основой ядер. Необходимо особо отметить, что до сих пор распад протона экспериментально не зафиксирован.

Протон имеет конечные размеры. Какую именно величину считать размером протона, зависит от договорённости, но в любом случае это будет величина порядка 1 фм. Наиболее точно измерен его так называемый электрический радиус — 0,841 фм. Масса протона составляет 1,6726 на 10 в -27 степени килограмма или 938,27 МэВ. Электрический заряд протона положителен и равен по модулю заряду электрона: e = +1,6022 на 10 в -19 степени Кл. Магнитный момент протона 2,792 847 344 ядерного магнетона (1,410 606 797 на 10 в -26 степени Дж/Тл). Спин равен 1/2.

Нейтрон (от английского «neutral» - «нейтральный») частица не имеющая заряда, отсюда и название. Наряду с протоном нейтрон входит в состав атомных ядер. Открыт в 1932 году Джеймсом Чедвиком. Так как нейтрон электрически нейтрален, то он легко проникает в атомные ядра. Нейтрон, в отличие от протона, частица нестабильная, время жизни в свободном состоянии 878,4 секунды (период полураспада 608.9 секунды). Размер его примерно совпадает с протоном - среднеквадратический радиус около 0,8 фм. Масса нейтрона составляет 1,674 927 498 на 10 в –27 степени кг или 939,565 420 МэВ. Нейтрон имеет почти нулевой заряд. Магнитный момент нейтрона 1,913 042 ядерного магнетона (9,662 365 на 10 в –27 степени Дж/Тл). Спин равен 1/2.

Электрон в современной физике считается частицей, но точечной, то есть не имеющей размера. Инвариантная масса электрона составляет примерно 9,109 на 10 в -31 степени кг или 0,511 МэВ. Электроны имеют электрический заряд -1,602176634 на 10 в -19 степени Кл. Спин электрона 1/2. Электрон обладает собственным магнитным моментом, сонаправленным спину, приблизительно равным одному магнетону Бора (9,27400915 на 10 в -24 степени Дж/Т).

Электроны, согласно простейшей планетарной модели атома, движутся по орбитам на удалении от ядра, эти орбиты и задают размеры атома в целом. Современная модель не говорит об орбитах, она лишь декларирует вероятность обнаружения электрона где-то, что и задает как бы его орбиты на языке вероятностей.

Так как и протон и электрон имеют заряд, то физикам открыты хорошие возможности для регистрации эффектов с их участием, особенно здесь стоит отметить спектроскопию. С нейтронами же дело обстоит много сложнее, так как они не имеют заряда, то их регистрация дело весьма непростое, их свойства обнаруживается в основном косвенными методами.

* * *

Обозначив известные из справочников и учебников по физике характеристики и свойства протона, нейтрона и электрона, перейдём к тому как это всё будет представлено в субстанциальной теории атома.

1. Базовыми материальными элементами, из которых построено всё мироздание в новой теории будет протон и только он. В знаменитой таблице элементов Менделеева был элемент до водорода – ньютоний, его место по праву и может занять протон. При этом он представляется в виде шарика определённого размера, каждая точка поверхности которого будет характеризоваться векторными атомными магнитным и электрическим субстанциалами. Это не есть поверхность в привычном понимании, а всего лишь граничные условия на расстоянии электрического радиуса протона. Вынужденно пришлось вводить новое понятие субстанциалов, любые попытки использовать близкие по смыслу известные понятия неминуемо приводили к путанице. Распределение субстанциалов в чём-то будет напоминать изображение рельефа на контурных картах, с возвышенностями и воронками субстанциальных ям. В процессе взаимодействий протона картина распределения субстанциалов по его поверхности меняется по определённому закону, причём какие-то состояния будут устойчивыми (хотя бы временно). Первый атомный закон и будет описывать это распределение и возможные его изменения.

2. Нейтрон в рамках субстанциальной теории не есть что-то уникальное, а всего лишь всё тот же протон, но в возбуждённом состоянии, то есть с изменённой структурой распределения атомных субстанциалов. Это состояние протона неустойчиво, поэтому свободный нейтрон (вне сложного ядра) быстро распадается. За преобразование протона в нейтрон и за его распад также будет отвечать Первый атомный закон. Время жизни свободного нейтрона должно вытекать из этого закона. Обозначенный подход позволяет отказаться от уникальности электрослабого взаимодействия? описав известные факты, за которые оно отвечает, на языке распределения субстанциалов.

3. Электрон в рамках предлагаемой теории вообще лишается статуса самостоятельной частицы, он будет всего лишь проявлением свойств распределения субстанциалов по поверхности протона. При этом отдельно рассматривается электрон при взаимодействии между атомами (электронное импульсное взаимодействие без соприкосновения), электрон как часть обособленного атома, где он представляет собой некоторую электрическую напряженность, возникающую на определённом расстоянии от ядра, электрон при создании устойчивых структур из нескольких атомов (молекулы, кристаллические решётки металлов).

4. Электрический и магнитный векторные субстанциалы вместе создают взаимно перпендикулярную пару - двуполь. Ортогональность векторов при этом отражает принципиальное отличие электрической и магнитной составляющих двуполя.

5. На языке математической физики распределение субстанциалов будет описываться определённой функцией. Основой для неё может стать сферическая функция, как бы промодулированная по поверхности другой функцией. Будем искать её в виде бесконечного, быстро сходящегося полинома. Ряд известных экспериментальных фактов могут помочь в определении функции распределения субстанциалов.

Во-первых, наиболее сложный вопрос – формирование распределением электрического атомного субстанциала электронного уровня на достаточно удалённом расстоянии от ядра, который определяет размер атома водорода. При этом никакой электрон там не летает и никакого собственно поля как субстанции на этом расстоянии нет.

Во-вторых, другое особенное распределение атомных субстанциалов будет соответствовать нейтрону. Упрощённо его образование можно представить в виде, когда внешнее воздействие как бы вдавливает электронный уровень в протон. При этом векторы электрического субстанциала компенсируют друг друга, поэтому нейтрон и электрически нейтрален. Изменения затронут и распределение векторов магнитного субстанциала, что приведёт к изменению массы.

В-третьих, это спектр атома водорода, который однозначно указывает на не примитивность структуры протона и в целом позволит задать общую схему полинома. При этом необходимо также учесть расщепление спектра. А значит в функцию должна войти безразмерная постоянная тонкой структуры А, обратная величина которой равна 1/А = 137,035 999 177.

В-четвёртых, протон характеризуется двумя реальными параметрами – магнитным моментом и спином. Не будем их отождествлять с вращением, а выразим через асимметрию распределения субстанциалов. При этом спин будет отражать асимметрию электрического субстанциала. Постоянная тонкой структуры характеризует именно эту асимметрию.

В-пятых, в ядерной физике известна формула энергии:

Постоянную С, как правило, называют скоростью света, однако не стоит забывать, что она в системе СИ выражена через магнитную и электрическую проницаемости. Именно в этом смысле будем использовать её в приводимой теории.

6. Наконец Первый атомный закон. Он призван отразить всю известную динамику, связанную с протоном. Всё говорит о том, что это будет нелинейное уравнение в частных производных. Функции распределения субстанциалов при этом будут собственными (устойчивыми или временно устойчивыми) решениям этого уравнения.

7. Интегрирование атомного векторного электрического субстанциала по границе протона даст скалярную величину – заряд. Интегрирование по границе протона атомного магнитного субстанциала также даст скаляр, массу. То есть гравитация будет соответствовать статическому магнетизму. Таким образом гравитационное взаимодействие теряет статус уникальной силы. Понятие массы появляется лишь как характеристика протона в целом, никакого распределения массы вглубь протона или по его поверхности не предусмотрено. Аналогичная ситуация и для заряда, на который кроме того накладывается условие постоянства (единичный заряд протона). Обозначенное определение массы и заряда назовём Принципом определённости.

8. Важной интегральной характеристикой протона будет потенциальная энергия. Причём за нулевое значение примем энергию протона в виде атома водорода. Положительно заряженный свободный протон будет иметь отрицательную энергию, а возбужденные состояния - положительную. Это наложит некоторые условия на определение субстанциалов и позволит использовать что-то из уже существующей теории.

9. Кинетическая энергия здесь учитываться не будет, так как в системе координат, связанной с самим протоном, равна нулю, то есть это понятие относительное.

Действие третье

Это действие посвятим вопросам строения ядра из протонов и нейтронов. Сейчас в физике за их соединение отвечает так называемое сильное взаимодействие, которое в свою очередь представляется на языке физики элементарных частиц.

Сильное взаимодействие между нуклонами описывается зависимостью, отражённой на приводимом ниже экспериментально полученном графике. Оно характеризуется энергией взаимодействия, возникающей на определенном расстоянии между нуклонами.

Сама энергия связи всего лишь соответствует дефекту масс - масса после объединения нуклонов меньше массы частиц по отдельности.

Физики выявили энергию связи (то есть дефект масс) для всех ядер элементов таблицы Менделеева (в том числе и изотопов). Зависимость удельной (на один нуклон) энергии связи от массового числа атома отражена на приводимом ниже графике. Из него видно, что энергия связи растет с ростом массового числа, то есть суммы нуклонов в ядре, и достигает максимума для железа, затем уменьшается.

* * *

Стараясь максимально использовать элементы имеющейся теории, опираясь на всю совокупность экспериментальных данных, начнём выстраивать новую модель ядра, которая будет иметь ряд существенных отличий от ныне известных.

Ранее говорилось, что в предлагаемой теории не будет использоваться теория физики элементарных частиц, будут лишь описаны в целом нуклоны с определёнными их свойствами, подтверждаемыми экспериментально.

При этом хотелось бы иметь какой-то интуитивно понятный образ для описания взаимодействия нуклонов. Обратим внимание на детскую игрушку Лего, в которой различные конструкции собирают из однотипных фишек, у них для соединения имеются ушки и углубления. Эту наглядную аналогию и будем использовать для отражения сильного взаимодействия между нуклонами.

При этом фишки, соответствующие протону и нейтрону будут иметь примерно один размер, но немного отличаться, протон будет иметь углубления, а нейтрон ушки.

На рисунках выше конструкция плоская, что удобно для демонстрации принципа действия сильного взаимодействия, в нашей же модели протоны и нейтроны будут в виде упругих шариков с выемками и выпуклостями. Количество выемок у протона и выпуклостей у нейтрона взято по формальному принципу минимально достаточного количества, чтобы можно было собрать ядро любого элемента таблицы Менделеева.

Узлы Лего приведены здесь лишь для наглядности, ранее говорилось, что будем считать протон и нейтрон шариками с распределёнными определённым образом магнитным и электрическим атомными субстанциалами. Так что ушки и впадины здесь и будут соответствовать воронкам и буграм этих субстанциалов, а вовсе не геометрии поверхности.

А теперь конкретизируем ряд базовых постулатов новой модели взаимодействий между нуклонами в ядре атома:

1. Внутриядерные соединения допускаются лишь между протонами и нейтронами и никак иначе.

2. Само соединение протонов и нейтронов описывается не особым сильным взаимодействием (оно в данной теории теряет статус самостоятельной силы), а строением нуклонов (распределением субстанциалов по их поверхности). Чтобы их соединить, необходимо приложить некоторое усилие, деформировать распределение субстанциалов, после чего замок защелкивается. И потребуются значительные усилия, чтобы их разъединить. Сами же элементы замка как протона, так и нейтрона представляют собой кольцевое распределение субстанциалов с различным направлением их векторов, что и создаёт силу взаимодействия.

3. Второй атомный закон, отвечающий за взаимосвязь между нуклонами, будет выражаться через магнитный (Uм) и электрический (Uе) векторные атомные субстанциалы. При этом энергетическая зависимость, отражённая на приводимом выше графике, станет лишь следствием этого закона, как и другие свойства, характеризующие сильное взаимодействие.

Заряд после объединения не меняется, что говорит о главной роли здесь магнитного атомного субстанциала, с изменением его распределения связан и дефект массы.

Действие четвёртое

Это действие будет посвящено атомам, входящим в устойчивые объединения. В первую очередь это относится к молекулам, а также связям атомов в металлах. Современная физика описывает эти взаимодействия на языке квантовой физики. Межатомную связи при этом называют ковалентной, так как она образуется перекрытием (обобществлением) пары валентных (находящихся на внешней оболочке атома) электронных облаков, то есть созданием электронных пар.

Межатомная связь описывается рядом параметров. Это в первую очередь полярность связи (неполярная и полярная), а также длина связи (расстояние между ядрами связанных атомов, энергия связи (энергия, необходимая для разрыва), механизм образования (обменный или донорно-акцепторный), пространственная направленность связи, способ перекрытия орбиталей, кратность связи (количество созданных общих электронных пар), насыщаемость (ограничение на количество создаваемых электронных пар).

* * *

Обозначив общее современное представление межатомных устойчивых связей, далее определим все эти закономерности в рамках Субстанциальной теории атома.

В предыдущих параграфах было отражено, что атом полностью определяется его ядром, которое в свою очередь описано распределением векторных атомных субстанциалов по граничной поверхности, соответствующей электрическому радиусу ядра. Именно это распределение и будет отвечать в том числе и за межатомные связи, причём в основном они определяются распределением электрического субстанциала, что позволяет несколько упростить описание. Попробуем отразить поверхность ядра на языке потенциальной энергии, которая имеет неравномерное распределение, что и будет причиной для возможных межатомных связей. Если в целом невозбуждённый атом имеет нулевую потенциальную энергию, то какие-то области его поверхности как положительную, так и отрицательную энергии. Появляется возможность для описания межатомных связей на языке, в чём-то близком электрической связи между ионами, но не на языке электронных орбиталей, а на языке потенциальной энергии.

Третий атомный закон и призван будет отразить все обозначенные выше закономерности, в том числе и динамику процессов, связанных с межатомными связями.

Действие пятое

Это действие будет посвящено взаимодействию между ядрами атомов, а значит и между атомами.

В современной физике, известной из учебников, эти взаимодействия отражаются электромагнетизмом, гравитацией и перемещением ядер (или атомов) в пространстве и их столкновениями.

* * *

Ранее гравитация была лишена роли самостоятельного взаимодействия, сведена к электромагнетизму, представляет собой магнитостатику, характеризующуюся законом тяготения Ньютона. Электростатика описывается законом Кулона.

С электродинамикой дело обстоит несколько сложнее. Здесь обозначим три важнейших особенности новой теории.

Во-первых, возникающее при распаде нейтрона нейтрино переводится из разряда частиц в вид излучения по частоте значительно превышающего гамма излучение.

Во-вторых, электромагнитное взаимодействие будет представляться не в виде волн, и не в виде потока частиц, а как дальнодействие, зависящее от квадрата расстояния. А частотные диапазоны определяются разными механизмами формирования электромагнитных взаимодействий. При этом временные задержки при взаимодействии будут определяться не скоростью распространения, а инерцией материи как передатчика, так и приемника. Четвертый атомный закон и должен будет описать все эти взаимодействия.

В-третьих, квантовые эффекты, то есть взаимодействия определенными порциями, будут представлены импульсами с определённой длительностью и амплитудой, что и определит их энергию. А зависимость энергии от частоты носит локальный характер на определённом частотном участке.

Заключение

В завершении стоит напомнить - цель настоящей статьи показать возможный путь построения простой и интуитивно понятной теории атома. В целом на уровне Общей теории систем, то есть на концептуальном уровне, она была достигнута. В предлагаемой теории не было выявлено каких-то принципиальных противоречий, при этом конечно же далеко не просто будет свести к столь простой схеме всё то множество явлений и экспериментальных данных, что накопила современная ядерная и атомная физика.

В дальнейшем настоящая статья будет дорабатываться и совершенствоваться в режиме аннала, то есть изменяющегося во времени трактата, но она и дальше останется на уровне концептуального изложения, чтобы всю теорию можно было охватить одним взглядом. При этом конечно же какие-то наиважнейшие проекции будут проявлены и в направлении описания теории на языке теоретической физики, главное достоинство которой математическая строгость.

Основная работа будет сосредоточена на выявлении четырёх атомных законов, им будут посвящены отдельные статьи, являющиеся продолжением настоящей. Разделение здесь весьма условно и нужно оно, чтобы распараллелить работу, в целом же система уравнений должна представлять единое целое. Именно её решение будет давать результаты, которые можно будет проверять экспериментально, а затем и использовать в инженерной практике.

При этом весьма непростой задачей является выбор математического аппарата для изложения теории. Всё говорит о том, что уравнения будут нелинейными, причём ещё и разными. Не исключено, что придётся создавать нечто принципиально новое и в математике. Отдельной проблемой является и переход от микроуровня атома к макроуровню, на котором получают экспериментальные данные.

Ранее говорилось, что предлагаемая теория совсем не затрагивает физику элементарных частиц. Всё это конечно же не отрицает её важности, в том числе и для понимания свойств объектов и явлений рассматриваемых здесь. Теория лишь указывает место физики элементарных частиц внутри протона, именно она изнутри должна описать его свойства. А экспериментальные данные для физики элементарных частиц получают каким-то кратковременным возбуждением протонов.

Теорию такого уровня обобщения невозможно создать на пустом месте. Что-то из обозначенного в настоящей статье, можно проверить и в рамках доминирующей сейчас теории.

Контактная информация