Первая вводная лекция о микромире канарёв Ф. М. Анонс

Вид материала

Содержание

1. Размеры обитателей микромира
2. Структуры обитателей микромира

Подобный материал:

ПЕРВАЯ - ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ О МИКРОМИРЕ

Канарёв Ф.М.

Анонс. Правильное формирование представлений об основных обитателях микромира: фотонах, электронах, протонах, нейтронах, ядрах, атомах, молекулах и кластерах молекул начинается с формирования представлений об их структурах и размерах, и новая теория микромира предоставляет нам такую возможность.

ВВЕДЕНИЕ

История науки свидетельствует, что самыми первыми и самыми надёжными критериями достоверности теоретических результатов научных исследований являются аксиомы – очевидные утверждения, не имеющие исключений и не требующие экспериментальной проверки своей достоверности.

Первые аксиомы точных наук сформулировал Евклид в III веке до нашей эры. Они до сих пор играют ведущую роль в точных науках. Однако в списке аксиом Евклида отсутствует главная, обобщающая аксиома, аксиома Единства пространства, материи и времени. Неразделимость пространства, материи и времени, как первичных элементов мироздания, и их независимость друг от друга – очевидный, не имеющий исключений и не требующий экспериментальных доказательств факт. Движение материального объекта в пространстве всегда сопровождается течением времени. Описанное состояние трех первичных элементов мироздания: пространства, материи и времени имеет все черты очевидности, поэтому у нас есть основания назвать это состояние аксиомой Единства и использовать её в качестве критерия при доказательстве достоверности результатов научных исследований. Из этого автоматически следует, что координаты перемещения любого объекта в пространстве – всегда функции времени.

Отметим, человечеству потребовалось более 2-х тысяч лет, чтобы заметить не философскую, а естественно-научную значимость аксиомы Единства и увидеть её судейские функции в оценке достоверности результатов научных исследований.

Следующей важной особенностью при формировании знаний о микромире, является последовательность представления информации о его обитателях. Она формирует логику научного мышления и помогает находить причины противоречий, возникающих на пути познания.

Главный критерий надёжности знаний о микромире - минимум или полное отсутствии противоречий в описании структур и поведения всех его обитателей: фотонов, электронов, протонов, нейтронов, ядер, атомов, молекул и кластеров. Новая научная информация об обитателях микромира уже является, глубоко замкнутой совокупностью знаний о нём с минимум противоречий. Это главный критерий их достоверности, который гарантирует неограниченность срока существования фундамента этих знаний и полностью исключает возможность его разрушения в будущем.

Формирование знаний о микромире начинается с формирования представлений о структурах и размерах его обитателей, которые имеют количественные характеристики, поэтому перед входом в микромир необходимо иметь четкие представления о масштабе единиц, в которых представляются такие характеристики.

1. Размеры обитателей микромира

Все обитатели микромира – локализованные (ограниченные в пространстве) образования, поэтому размер обитателя микромира – первый параметр, формирующий правильное представление о нём. Природа обитателей микромира такова, что все они изменяют свои геометрические размеры в определённых пределах.

Все параметры фотона, например, изменяются в интервале, примерно, 18-ти порядков (). Электрон в свободном состоянии всегда имеет строго постоянные параметры. Это постоянство обеспечивается совокупностью более 20 констант, управляющих формированием его структуры. Параметры электрона меняются только тогда, когда он находится в составе атома, молекулы или кластера. Протон – локализованное образование. В свободном состоянии он также имеет строго постоянные параметры. Они меняются только тогда, когда протон вступает в связь с нейтроном при формировании ядра. Нейтрон – также локализованное образование с постоянными параметрами, которые могут меняться при синтезе нейтронных кластеров.

Атомы, молекулы и кластеры (совокупности электронов, протонов нейтронов и молекул) – локализованные образования с меняющимися параметрами. Процессом изменения этих параметров управляют фотоны, излучаемые и поглощаемые электронами атомов и протонами ядер.

В последние годы для общей характеристики размеров обитателей микромира введено понятие «Нано», которое рождает массу противоречий с реальными размерами обитателей микромира. Нано – греческое слово, означающее карлик. В системе СИ находим небольшое уточнение научной сути этого понятия. Там понятием «НАНО» назван множитель . Его можно пристегнуть к любой физической величине и по смыслу она должна быть карликовой. Но размеры фотонов, например, как мы уже отметили, изменяются в интервале 18-ти порядков. Поэтому их невозможно объединить понятием «НАНО» (табл. 1).

Таблица 1. Диапазоны изменения множителей для образования десятичных кратных и

дольных единиц, их наименования и обозначения

Диапазон изменения	Наименование	Обозначения русское/междунар.
	йота
	зета	З/Z
	экса	Э/Е
	пета	П/Р
	тера	Т/Т
	гига	Г/G
	мега	М/М
	кило	к/k
	гекто	г/h
0,0-	дека	Да/da
0,0	начало	Начало/Start (H/S)
	деци	д/d
	санти	с/с
	милли	м/m
	микро	мк/
	нано	н/n
	пико	п/p
	фемто	ф/f
	атто	а/a

	йокто

Чтобы облегчит формирование представлений о размерах обитателей микромира, желательно иметь названия диапазонов их изменений. Для этого возьмём ноль (0) в качестве начала изменения диапазонов множителей системы СИ. В результате и получим диапазоны и их названия, соответствующие понятиям системы СИ (табл. 1). В этом случае множитель получает диапазон изменения, который придаёт понятию НАНО более чёткий физический смысл.

Итак, мы ввели диапазоны изменения множителей для образования десятичных кратных и дольных единиц, их наименования и обозначения. Используем эти диапазоны для представления размеров основных обитателей микромира: фотонов, электронов, протонов, нейтронов, ядер, атомов, молекул и кластеров, и таким образом свяжем эти размеры с системой СИ (табл. 1, рис. 1).

Рис. 1. Шкала диапазонов изменения размеров элементарных обитателей

микромира

Введённый нами диапазон НАНО, соответствует параметрам обитателей микромира, изменяющимся в интервале м. (табл. 1 и рис. 1). Это - диапазон изменения размеров атомов, молекул и кластеров. Однако, атомы соединяют в молекулы электроны, а их размеры находятся в ФЕМТО диапазоне (табл. 1 и рис. 1). Теоретическая величина радиуса свободного электрона строго постоянна и равна . Она отличается от его экспериментальной величины в 6-м знаке после запятой . Размеры протонов, нейтронов и ядер находятся в АТТО диапазоне . Носителями тепла и информации являются, в основном, фотоны, которые излучаются и поглощаются электронами и протонами. Их размеры изменяются от АТТО диапазона до САНТИ диапазона (табл. 1, рис. 1). Интересно отметить, что максимум излучения во Вселенной формируют фотоны с размерами . Это МИЛИ диапазон (табл. 1, рис. 1).

Таким образом, мы придали более чёткий физический смысл популярному греческому слову НАНО. Это значительно облегчает одинаковое понимание нанопроцессов и нанотехнологий, в которых участвуют не только атомы, молекулы и кластеры, но и фотоны, электроны, протоны, нейтроны и ядра атомов. При этом упрощается и процесс интерпретации результатов нано экспериментов.

Отметим, что основными величинами в системе СИ являются: длина (L), измеряемая в метрах (м); масса (М), измеряемая в кг; время (Т), измеряемое в секундах (с); сила электрического тока (I), измеряемая в амперах (А); термодинамическая температура (), измеряемая в кельвинах (К); сила света (J), измеряемая в канделах (кд); количество вещества (N), измеряемое в молях (моль).

Остальные единицы измерений считаются дополнительными. Главное, что нам необходимо запомнить: энергия в системе СИ измеряется в джоулях (Дж), а в микромире используется внесистемная единица энергии электрон-вольт (эВ, eV). Один электрон-вольт равен .

Носителями тепла и информации являются, в основном, фотоны, которые излучаются и поглощаются электронами и протонами, поэтому они также - участники всех нанотехнологий, а их размеры изменяются (рис. 1) от атто диапазона до милли диапазона

Поскольку в системе СИ в качестве единицы геометрической длины принят метр, то нано множитель - одна миллиардная часть метра. Одну десятую миллиардной части метра () называют ангстремом. Если обитатель микромира имеет размер, равный 1000 ангстрем, то мы можем записать его так , а можем и так . Если же размер объекта микромира равен 0,001 ангстрема, то его можно записать так или так . Что же взять за основу, чтобы облегчить формирование представлений о размерах обитателей микромира? Опыт показывает, что удобнее всего все размеры записывать так, чтобы до запятой стояли числа от 1 до 9. В этом случае формируется чёткое представление о порядках размеров обитателей микромира. Например, число означает, что размер объекта микромира равен трем миллионным метра.

Представленная информация об интервалах изменения размеров участников так называемых «нанотехнологий» свидетельствует о невозможности придать этому понятию обобщающий смысл. Логичнее использовать для этого давно существующие понятия макромир и микромир, из которых следуют обобщающие названия «макротехнологии» и «микротехнологии».

Вполне естественно, что корректная интерпретация любого микротехнологического процесса невозможна без детальной информации об основных обитателях микромира: фотонах, электронах, протонах, нейтронах, ядрах, атомах, молекулах и кластерах. Анализу структур этих образований и их поведению и посвящён этот курс лекций. В нём показана глубина проникновения человеческой мысли в тайны микромира на данном этапе развития Земной цивилизации.

2. Структуры обитателей микромира

Конечно, нам интересны достижения в познании микромира, прежде всего экспериментаторов. Они уже значительны и мы можем познакомиться с некоторыми из них. Поскольку размеры атомов, молекул и кластеров находятся в нанодиапазоне, то желательно иметь фото этих структур. Уже имеются фотографии графена, состоящего из молекул углерода и фотографии кластеров бензола , состоящего из атомов углерода и водорода. Наиболее таинственными являются атомы углерода. Они формируются в Природе в виде двух образований с радикально различными свойствами: графит пишет по бумаге, а алмаз режет стекло. Почему? Старая теория микромира не даёт ни малейшего представления о причинах различных свойств графита и алмаза, состоящих из одного и того же химического элемента – углерода. Новая теория микромира свободно описывает эти различия.

Углерод – шестой элемент в таблице Д.И. Менделеева. Его ядро имеет 6 протонов, а количество нейтронов может быть разное. 98,90% ядер атомов углерода имеют 6 нейтронов (рис. 2, а), а 1,10% -7 (рис. 2, с). Атомы графита (рис. 2, b) имеют плоские ядра (рис. 2, а), а ядра атомов алмаза (рис. 2, d) - пространственные (рис. 2, c).

а) ядро атома графита	b) атом графита
c) ядро атома алмаза	d) атом алмаза

Рис. 2. а) - плоское ядро атома углерода; b) – плоский атом графита;

с) - пространственное ядро атома углерода; d) – пространственный атом углерода, атом алмаза

Структура атома алмаза (рис. 2, d), которая формируется из пространственного ядра (рис. 2, c) этого атома, имеет три оси симметрии. Это - оси декартовой системы координат. Структура пространственного ядра и пространственного атома углерода убедительно демонстрируют главное свойство алмаза – его прочность.

Из новой теории микромира следует, что протоны располагаются на поверхности ядер (рис. 2, а и c), а электроны атомов взаимодействуют с ними не орбитально, а линейно (рис. 2, b и d). В результате атом графита (рис. 2, b) – плоское образование, а атом алмаза (рис. 2, d) – предельно симметричное, пространственное образование.

Теоретическая структура плоского атома углерода (графита) представлена на рис. 3. Она следует из нового закона формирования спектров атомов и ионов. В математических моделях этого закона нет энергии орбитального движения электронов в атомах, но есть энергии линейного взаимодействия электронов с протонами , которые располагаются на поверхности ядер, взаимодействуя с нейтронами также линейно (рис. 2, а, c и рис. 3) [1].

Структура молекулы углерода представлена на рис. 4. Из неё следует, что шестилучевые атомы углерода соединяют в шестиугольную структуру молекулы углерода валентные электроны атомов не орбитально, а линейно.

Рис. 3. Схема ядра и атома углерода

Рис. 4. Схема молекулы углерода

Рис. 5. а) воображаемая структура графена;

b) фото графена; с) теоретическая структура графена

На рис. 5, b фотография графена, на которой атомы углерода представлены в виде туманных белых точек с туманными связями между ними, которые формируют шестиугольники. Что связывает эти белые точки атомов углерода между собой? Орбиты электронов? Если так, то как они формируют шестиугольную структуру ячейки графена? Школьники ответы на эти вопросы, связывают с химическими понятиями ковалентная полярная и неполярная связь. Приводим лучший интернетовский ответ на вопрос: чем отличаются эти две связи?

Полярная связь – связь, при которой общая электронная пара (общая электронная плотность) смещается в сторону одного из атомов. При неполярной связи плотность равномерно распределена между обоими атомами. Поляризация возникает вследствие различия электроотрицательностей элементов в паре (если это двух атомная молекула) либо в молекуле (например, в молекуле уксусной кислоты связь между атомами углерода поляризована и плотность смещена в сторону атома углерода, соединённого с кислородом).

Бедные школьники и студенты их головы забивают, образно говоря, белибердой, скрывая от них новую теорию микромира, из которой однозначно следует, что электроны взаимодействуют с протонами ядер не орбитально, а линейно. Линейно они взаимодействуют друг с другом и при соединении атомов в молекулы.

На рис. 5, с - теоретическая структура графена, следующая из новой теории микромира [1]. Проведём детальный анализ связи этой структуры со сфотографированной структурой графена (рис. 5, b), поищем признаки орбитального движения электронов атомов углерода и проверим достоверность разрешающей способности электронного микроскопа, который, по мнению авторов фотографии (рис. 5, b), «увидел» туманные шестиугольники с белыми пятнами в вершинах с разрешающей способностью .

ссылка скрыта а)	ссылка скрыта с)
ссылка скрыта b)	ссылка скрыта d)

Рис. 6. Достижения европейских экспериментаторов в фотографировании молекул

На рис. 6, а - фотография кластера из молекул бензола, а на рис. 6, b - результат компьютерной обработки этой фотографии. Нетрудно видеть, что структуры молекул бензола в его кластере (рис. 6, b) полностью совпадают с нашей теоретической моделью молекулы бензола (рис. 7).

Рис. 7. Теоретическая структура молекулы бензола

Наиболее чёткую визуальную информацию с помощью сканирующего микроскопа удалось получить о структуре графена (рис. 5, а и b). Проанализируем суть этого научного достижения. Начнём анализ структуры графенов, полученные путём компьютерной обработки результатов их сканирования (рис. 5, а). Новая теория микромира видит структуру графена с разрешающей способностью на несколько порядков больше (рис. 5, с), чем это делают самые современные микроскопы (рис. 5, b).

Из планковского закона излучения абсолютно чёрного тела следует, что закон излучения этого тела не зависит от материала чёрного тела, то есть от его химического состава (рис. 8). Из этого следует, что энергии связи валентных электронов у разных молекул, твердых веществ из разных химических элементов имеют близкие значения при одной и той же температуре. Следовательно, для проверки достоверности разрешающей способности электронного микроскопа (рис. 5, b) можно воспользоваться расчётными расстояниями между электроном атома водорода и его протоном.

В соответствии с законом Кулона, если электрон атома водорода находится на первом (невозбуждённом) энергетическом уровне, то расстояние между протоном и электроном равно

₍₁₎

Таблица 2. Спектр атома водорода, энергии связи между протоном и электроном, и расстояния между ними

Знач.	n	2	3	4	5
(эксп)	eV	10,20	12,09	12,75	13,05
(теор)	eV	10,198	12,087	12,748	13,054
(теор)	eV	3,40	1,51	0,85	0,54
(теор)		4,23	9,54	16,94	26,67

В табл. 2 представлены расчёты энергий связи электрона атома водорода с протоном ядра, соответствующие пребыванию его на различных энергетических уровнях, и расстояния между электроном и протоном, соответствующие этим уровням.

Если представить атом водорода в невозбуждённом состоянии и принять размер протона равным 1мм, то размер электрона будет 1м, а расстояние между протоном и электроном в невозбуждённом атоме водорода – 100м (рис. 6). Однако, электрон атома водорода, устанавливая связь с другим атомом, удаляется от протона на большее расстояние (табл. 2).

Рис. 9. Теоретическая модель атома водорода и его размеры в невозбуждённом состоянии

Расстояние между протоном и электроном в атоме водорода зависит от температуры. Анализ показывает, что при обычной температуре, устанавливая связь с другим атомом и формируя молекулу водорода, электрон оказывается между вторым и третьим энергетическими уровнями атомарного состояния (табл. 2). Это значит, что в составе молекул расстояние между протоном и электроном в атоме водорода увеличивается, примерно, на порядок и множитель принимает значение .

Анализ фото графена (рис. 5, b) показывает, что расстояние между белыми пятнами в вершинах шестиугольников (между атомами углерода) равно, примерно, размеру самого белого пятна. Это значит, что величина стороны шестиугольника равна, примерно, четырём радиусам белых пятен, то есть 4-м радиусам атомов углерода (рис. 3 и 4).

Как видно (рис. 5, а и b), атом углерода в графите имеет три связи. Энергия этих связей известна и равна 812 кДж./моль [3]. Переведём эту энергию в электрон - вольты.

(2)

На одну связь приходится энергия 0,842/3=0,28eV. Электрон атома водорода имеет аналогичную энергию связи с протоном, находясь на 7-м энергетическом уровне. Его расстояние от протона, следующее из закона Кулона (1), равно .Расстояние между электроном и протоном ядра атома углерода имеет близкое значение. Тогда эту величину можно принять за радиус атома углерода и расстояние между белыми пятнами шестиугольной молекулы углерода (рис. 5, b) будет равно, примерно, четырём таким радиусам, то есть . Это на два порядка больше величины , показанной на фото графена (рис. 5, b).

На рис. 10 представлена а) – теоретическая модель шестилучевого кластера воды и фотографии кластеров воды, полученные японскими исследователями после облучения воды: b) мелодией Чайковского; с) молитвенным голосом верующего и d) мобильным телефоном.

Рис. 10. Кластеры молекул воды: а) теоретический; b), с) и d) фото кластеров

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Новые теоретические знания микромира ставят теоретические физические и химические знания ХХ века в положение алфизических и алхимических знаний, которые продолжают закладываться в головы нашей молодёжи.

Литература

1. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира». Монография. 15-е издание.

ссылка скрыта

2. Полинг Л. Общая химия. Изд. «Мир». М.1974. 846с

Blog

Первая вводная лекция о микромире канарёв Ф. М. Анонс

Содержание