11.  Ядра и атомы.

Автор является сторонником оболочечных моделей ядра и совокупности электронов атома. На рис. 25 показана разработанная автором схема структуры слоя нуклонов ядра. В зависимости от количества нуклонов в ядре слоев может оказаться несколько, и они могут содержать различное число полностью заполненных "орбит" с орбитальными квантовыми числами l = 0; 1; 2; 3… (s; p; d;f…).

Кроме заполненных "орбит" могут быть частично заполнены по протонам или нейтронам (или по тем и другим).

Термин "орбита" заключен в кавычки в связи с тем, что орбиты нуклонов, в отличие от орбит электронов в атоме, действительно имеют "квадратную форму", так как в характеристике состояния нуклона отсутствует магнитное (азимутальное) квантово число. По контурам квадратных орбит протекают в противоположных направлениях магнитный ток смещения диполей протонов и электрический ток смещения диполей нейтронов. При этом по вертикальным сторонам квадратов расположено протонов на 1 больше, чем нейтронов, по горизонтальным – наоборот. Состояние нуклона на "орбите" с орбитальным числом l, и расположенного на стороне квадрата с числом протонов m и числом нейтронов m  определится из выражения:

,

где ½ - спиновое число нуклона. Знак "-"  в выражении  соответствует состоянию протона на горизонтальной стороне квадрата, где протонов на 1 меньше, знак "+" – на вертикальной стороне квадрата, где протонов на 1 больше, чем нейтронов. Аналогично – для нейтронов.

В многонуклонных ядрах наибольшее число "орбит" имеет первый слой, второй - значительно меньше (s; p; и d), третий – всего одну "орбиту" (s). Слои с меньшим числом "орбит" могут располагаться как по одну сторону от первого слоя, так и по обе стороны. В первом случае форма ядра при экспериментах наблюдается, как "грушевидная", во втором- "чечевицеобразная".

Соседние слои повернуты относительно друг друга на , так, что против протонов одного слоя расположены нейтроны другого. Причем спины нуклонов одного слоя направлены противоположно спинам нуклонов другого.

Если положить число , то число нуклонов в слое, содержащем  "орбит", будет равно :  протонов и  нейтронов. Число нуклонов "орбиты" с орбитальным квантовым числом  будет равно 2 N, где N – число протонов или нейтронов.

.

Запись вида  означает, что нуклон расположен во втором слое, на "орбите" с  , полный момент импульса , уровень шестикратно вырожден ().

Для ядер легких элементов (,, и т.д.) имеет место вращение в классическом смысле. Чуть подробнее об этом будет сказано в связи с ядерными силами.

Теперь обратимся к электронной "атмосфере" атома. Схема структуры слоя электронов с главным квантовым числом n=4, показана на рис. 26. Число n определяет количество орбит электронов в слое и максимальную энергию электронов наружной орбиты с орбитальным квантовым числом, равным n-1.

Судя по электронным конфигурациям атомов, приводимым в периодической системе элементов рядом с символом элемента, число n=1; 2; 3; 4. Слои электронов с указанными значениями n в спектроскопии имеют буквенные обозначения K, L, M и N, соответственно. Орбитальное число   в слое с главным квантовым числом n принимает значения 0; 1;…n-1. Эти значения орбитального квантового числа соответствуют буквенным обозначениям орбит s, p, d, f. Отсутствие слоев электронов с n>4 связано с малостью энергии связи электронов 5-ой орбиты слоя с ядром и действием принципа минимума энергии системы. Слоев электронов с данным значением n в атоме может быть 1 или 2. Число электронов в слое равно , а число электронов на орбите  с  слоя равно

Например, в симметричной электронной оболочке атома Ra имеется один слой электронов с n=4 (=32) и по два слоя электронов с n=3 (=18), n=2 (=8) и n=1 (=2). Всего 88 электронов. Парные слои электронов располагаются симметрично по обе стороны от слоя с n=4, сверху и снизу.

На рис. 27 показаны действительная форма орбит и угловое расположение электронов на орбитах слоя электронов N, изображенного на рис. 26. Конечно, величины радиусов орбит условны, но автор уверен, что они могут быть вычислены при детальном моделировании электронных оболочек атомов.

Орбиты электронов в атоме, в отличие от квадратных орбит ядра имеют форму окружностей или близким к окружностям из-за взаимодействия электронов между собой. В слое орбиты расположены концентрически. Это объясняется сферической симметрией потенциального кулоновского поля заряда ядра , где z – число протонов в ядре. Величины радиусов орбит электронов имеют порядок  см, поэтому электрическое поле ядра, имеющего размеры порядка  см, для электронов будет дальним, сферически симметричным.

Ядро в данном случае можно рассматривать, как точечный заряд, величиной . Плоскости слоев электронов в атоме параллельны плоскостям слоев ядра.

На электроны действуют следующие силы: центральные кулоновские силы притяжения заряда ядра, центральные силы взаимодействия каждого электрона со всеми другими, центробежные силы инерции, создаваемые электрическими токами смещения кольцевых орбит электронов, и силы притяжения электрических диполей электронов, расположенных друг за другом на одной орбите, без учета дипольного взаимодействия с другими электронами атома. Орбитальные токи смещения возникают в результате слияния части силовых линий электрических диполей электронов, которые (диполи) ориентируют спины всех электронов данной орбиты в одном окружном направлении. Электроны совершают только спиновое вращение, сохраняя частично свою индивидуальность. Спины электронов направлены по касательным к окружности орбиты.

С кольцевыми электрическими токами смещения орбит связаны магнитные моменты, численно равные произведению тока смещения на площадь круга, ограниченного окружностью орбиты. Векторы этих моментов перпендикулярны плоскостям орбит и, следовательно, плоскости слоя. Автор не случайно направил спины электронов всех орбит слоя на рис. 26 и 27  в одном окружном направлении, полагая, что природа свой опыт образования устойчивых составных частиц, т.е. образования двойных и тройных "матрешек" из электронных или позитронных "восьмерок", когда "восьмерка" с меньшей длиной волны и, следовательно, с меньшим дипольным моментом встраивается в "восьмерку" с большей диной волны и большим дипольным моментом, в результате чего образуется устойчивая составная частица – "матрешка".

Окружные направления токов смещения в смежных слоях могут быть одинаковыми или противоположными, в зависимости от того, какая энергия связи по абсолютной величине больше: энергия связи дипольных магнитных моментов или суммарная энергия связи электрических дипольных моментов электронов этих слоев.  Равновесное положение слоев электронной оболочки атома определяется притяжением электронов слоев к ядру, силами отталкивания электронов друг от друга, взаимодействием рассмотренных выше суммарных дипольных магнитных моментов слоев, силами взаимодействия дипольных электрических моментов электронов и центробежными силами инерции, создаваемыми орбитальными токами смещения слоев.

Силы взаимодействия электронов между собой могут быть определены при компьютерном моделировании, так как электроны в основном состоянии занимают стационарные положения на орбитах. Электроны не движутся по орбитам. Здесь имеет место вращение в квантовомеханическом смысле, связанное с кольцевыми электрическими токами смещения электрических диполей электронов, образующих кольцевой кластер. Подобные кольцевые кластеры образуются в охлажденных до низких температур твердотельных проводниках при их переходе в сверхпроводящее состояние. В закольцованном сверхпроводнике с током, при достаточно низкой температуре, электроны прекращают тепловое движение и взаимодействием своих электрических дипольных моментов выстраиваются в цепочки по кольцу сверхпроводника, образуя кольцевые кластеры с токами смещения. Сами же электроны остаются неподвижными, и сопротивление протекания электрического тока становится равным нулю. Ток смещения, как и ток проводимости, создает магнитное поле, которое и регистрируется наблюдателем.

А теперь обратимся к рассмотрению особенностей конфигураций электронных оболочек атомов промежуточной (переходной) группы элементов от аргона до криптона. Полностью заполненные орбиты трех слоев электронов: , , ,   и , электронной оболочки Ar создают общее магнитное поле атома в результате протекания орбитальных электрических токов смещения кластеров из диполей электронов. Этого поля оказывается недостаточно для удержания электронов орбиты 3d, поэтому сначала присоединяются два электрона 4-го слоя - , достраивая электронные оболочки  и  . Интересно заметить, что явление присоединения группы из двух электронов по происходит во всех случая вначале перехода от одного инертного газа к другому: от He к Ne, от Ne к Ar, от Ar к Kr. И хотя энергия связи этих электронов мала, судя по потенциалам ионизации атомов, содержащих электроны  , магнитное поле остова (конфигурация ) усиливается до величины, достаточной для удержания последовательно присоединяющихся 3d-электронов. Многие авторы отмечают характер взаимодействия электронов при заполнении орбиты как "напоминающий магнитное взаимодействие". Удивление этих авторов вызывает и выстраивание до пяти 3d-электронов (например ) с параллельными векторами спинов, состояние которых отличается только магнитным (азимутальным) квантовым числом m. Принцип Паули не запрещает антипараллельную ориентацию векторов спинов этой пятерки электронов, при которой энергия связи была бы больше по абсолютной величине, а полная энергия системы – меньше, что соответствует принципу минимизации полной энергии. К тому же суммирование спиновых моментов импульсов увеличивает кинетическую энергию системы электронов, что не соответствует "принципу минимизации".

Причина такого, на первый взгляд, парадоксального поведения электронов заключается в следующем. С магнитным полем остова, состоящей из электронной оболочки Ar с двумя  - электронами, взаимодействуют дипольные электрические моменты 3d-электронов. При малом числе 3d-электронов, расстояния между ними на орбите оказываются очень большими для достаточно сильного взаимодействия электрических диполей электронов, которое привело бы к антипараллельной ориентации векторов спинов 3d-электронов.

Определяющим является взаимодействие  электрических диполей 3d-электронов с магнитным полем остова.

В подтверждение тому, что это поле существует, говорит тот факт, что все инертные газы являются диамагнетиками. Их магнитная восприимчивость отлична от нуля. Следовательно, атомы инертных газов имеют отличные от нуля магнитные моменты, хотя полные моменты импульсов, полные спины и орбитальные моменты их электронных оболочек равны нулю: терм .

3d- электроны находятся в динамическом равновесии под действием сил притяжения протонов ядра, сил отталкивания электронов остова и самих 3d- электронов, моментов сил дипольного взаимодействия 3d- электронов между собой, сил притяжения и моментов сил взаимодействия диполей 3d-электронов с магнитным полем остова и центробежных сил инерции при вращении 3d-электронов по 3d-  орбите вокруг оси остова.

3d-электроны вращаются в классическом смысле. Их векторы спинов строго перпендикулярны плоскости 3d-орбиты. В этом случае электроны не излучают. Вращение электронов по орбите создает магнитный ток проводимости (вспомним, что электрон – это магнитный монополь). С этим током связано существование электрического дипольного момента, усиливающего магнитное поле остова. Это усиливает связь 3d-электронов с остовом, что видно по потенциалам ионизации при отрыве одного из двух 3d-электронов после отрыва двух 4S-электронов.

При увеличении количества 3d-электронов до 10 система электронов орбиты скачком переходит в состояние кольцевого кластера с электрическим током смещения и вносит свой вклад в общее магнитное поле электронной оболочки атома криптона.

Перечисляя силы, действующие на 3d-электроны, автор упустил назвать силы Лоренца, действующие на каждый 3d-электрон при его движении в магнитном поле остова. Кроме того, на электроны действуют силы отталкивания со стороны северного полюса магнитного поля остова и силы притяжения – со стороны южного. Первые два электрона сверх оболочки Ar под действием этих сил "скатываются" по силовым линиям магнитного поля остова под слой (_{![if !vml]>},) в состояние 4S. Эти два электрона и компенсируют действие полюсов магнитного поля остова на 3d-электроны за счет сил отталкивания одноименных зарядов. Свою "находку" природа повторяет при заполнении последних слоев электронных оболочек атомов с возрастающим числом протонов в ядре.