Строение вещества, пожалуй, краеугольный камень любой теории Мироздания. От того, какой элемент для нас станет "отправной точкой", будет зависеть логика дальнейшего повествования.
Согласно концепции, развиваемой в данном размышлении, роль "первоэлемента" мы поручим Заряду. Но трактовка этого термина будет несколько иной, нежели та, что представлена в школьном учебнике физики.
Итак...
Глава 1. Заряд - материальный объект
Прежде чем перейти к конкретике, было бы уместно отметить важные моменты, касающиеся традиционного представления о Заряде.
В науке это понятие существует давно, так как масса физических явлений не может быть объяснена и описана без его непосредственного участия. Заряд - одно из наиболее загадочных физических понятий в современной системе знаний. Материальным объектом наука его признать отказывается, что довольно странно, ведь заряд обладает некоторыми свойствами, которые могут быть лишь у материального объекта. Проанализируем некоторые из них.
Первое свойство заряда:
Возможность любого тела участвовать в электромагнитном взаимодействии определяется вовсе не тем, что собой представляет само тело, а количеством зарядов, которые у него имеются в различных вариантах постановки опыта. Причём, заряды в произвольной форме могут, как появиться у тела, так и покинуть его, и тело никак не может этому воспрепятствовать. Читаем формулировку Закона сохранения электрического заряда в учебнике:
Электрические заряды не создаются и не исчезают, а только передаются от одного тела другому или перераспределяются внутри тела.
Формулировка из учебника самым непосредственным образом сообщает нам, что заряд - это объект, причём, вполне материальный. В противном случае мы имеем дело с довольно странным свойством, которое ни к чему конкретно не относится и само решает, как вести себя в той или иной ситуации.
Второе свойство заряда:
По какой-то неведомой науке причине в любой точке Вселенной зарядов всегда ровно столько, сколько нужно для притяжения и отталкивания тел. В первом случае у каждого из тел должно быть равное количество положительных и отрицательных, во втором - равное количество зарядов одного знака. Получается, что Мироздание только того и ждёт, как бы угодить капризному экспериментатору, всегда предлагая требуемое количество тех и других.
Учитывая этот момент, можно согласиться с тем, что зарядов в любой точке Вселенной действительно достаточное количество, а вот существование двух их разновидностей - момент спорный. Скорее, речь идёт об одном материальном объекте - Заряде (вообще без какого-либо знака), который обладает свойствами притяжения и отталкивания одновременно, проявляя их в зависимости от конкретных условий.
Именно эта версия представляется наиболее правдоподобной.
Учитывая то, что современная наука имеет представления о Заряде весьма противоречивые, предлагается такая формулировка:
Заряд - материальный объект, состоящий из элементов, солидарно движущихся по замкнутым траекториям в составе единой системы.
Из определения следует, что мы имеем дело с комплексным объектом, то есть - системой, состоящей из множества материальных объектов значительно меньшего размера, связанных друг с другом каким-то видом связи, не позволяющим им распадаться на самостоятельные элементы. Второе важное следствие - наличие у любого заряда огромного количества энергии, ведь в нём нет ни одного элемента, который бы покоился - все движутся. По своей сути Заряд - это и есть энергия, так как массовая его составляющая в сравнении с энергетической ничтожна. О массе заряда чуть позже, а сейчас о различных их разновидностях.
Какие бывают заряды
Как уже было отмечено ранее, в любой точке Вселенной зарядов очень много. И это ничуть не удивительно, ведь именно заряд является не только источником энергии, но и строительным материалом для всех остальных материальных объектов - атомов и молекул. К тому же, согласно принципу масштабирования, физические размеры зарядов могут быть какими угодно, отличаясь друг от друга в миллионы и миллиарды раз. Электрические заряды настолько маленькие, что разглядеть их не поможет даже самый мощный микроскоп, а вот Шаровую молнию можно увидеть без каких-то специальных приспособлений. Существуют и совсем грандиозные заряды - звёзды. То есть, наше Солнце - типичный заряд, по строению мало отличающийся от электрического заряда или любого другого. Все известные виды излучений - световое, тепловое, рентгеновское и радиоволны в том числе, тоже состоят из зарядов. Если современная физика частичку света называет фотоном, то в терминологической среде данного размышления его можно назвать световым зарядом, что сути самого явления ничуть не изменит.
Итак, мы выяснили, что заряды могут иметь размеры очень разные, но строение у них общее. В наиболее общем виде это тороид, к примеру, такой:
Рис. 1
Классический тороид (рис. 1) можно сравнить с баранкой, но это вовсе не означает, что он не может выглядеть как подобие сферы:
Рис. 2
Несмотря на отличие картинок (рис. 1 и рис. 2), обе они изображают тороид, так как основное тело фигуры вращения располагается вне её центра. Если по своей форме электрические заряды тяготеют к форме бублика, то наше Солнце уже выглядит как полноценная сфера - во всяком случае, если смотреть на него с Земли. И это неудивительно, ведь мы видим всегда только его бок, тогда как "центральный ствол" любой звезды располагается строго перпендикулярно к плоскости эклиптики, а значит, и по отношению ко всем планетам, которые кружат где-то неподалёку. Почему Солнце имеет именно такое расположение, мы обсудим ближе к концу главы.
Продолжаем...
Масса заряда
В очередной раз отметим необычность материального объекта, называемого зарядом. Он действительно совсем не похож на знакомые нам со школы атомы и молекулы, так как наиболее близкая к нему аналогия - пчелиный рой. То есть, элементы, из которых состоит заряд, пребывают в вечном движении. Правда, в отличие от пчелиного роя, они не могут на время улететь по своим делам, а затем вернуться. Им суждено вечно кружить хоровод по достаточно сложной траектории в составе единого объекта.
Теперь о массе Заряда.
С точки зрения вещественности, проблем никаких нет, ведь согласно наиболее общей формулировке этого термина, масса - это арифметическая сумма всех элементов, его составляющих. Проблема лишь в том, что сосчитать бесчисленное количество постоянно движущихся частиц практически невозможно. К тому же, они настолько малы, что не изобретено такого микроскопа, в который их можно было бы разглядеть. Причём, более крупный размер заряда нам вряд ли поможет, ведь посчитать количество элементов, составляющих Солнце - задача столь же невыполнимая. То есть, дело вовсе не в наличии подходящего инструмента, а в самом объекте - достаточно необычном по своему строению.
Другой способ измерения массы - расчёт через объём и плотность для нас тоже не годится, ведь ни того ни другого у заряда нет. Просто потому, что в зависимости от внешних факторов, траектории перемещения элементов в составе "общего роя" могут изменяться. Для покоящегося заряда - одна конфигурация движения, для движущегося - несколько иная. Внешнее воздействие температуры и давления на него также окажет влияние - заряд может сжаться или наоборот - расшириться, причём, значительно. С атомом ситуация выглядит несколько проще, ведь у него имеется довольно прочная оболочка, которая в широком диапазоне температур и давлений лишь незначительно меняется в объёме. У заряда такой оболочки нет.
Расчёт массы заряда с использованием инерции тоже не поможет, ведь рассматриваемый нами объект хотя и представляет собой единую систему, но каждый его отдельный элемент обладает определённой свободой в процессе своего движения. Конечно, все элементы заряда имеют вполне определённые массовые характеристики, а значит, и инерцию. Проблема лишь в том, что они движутся по достаточно сложным замкнутым траекториям, и поэтому получить однозначную картину взаимодействия не получится - одни элементы будут действовать фронтально, другие по касательной, третьи вообще перемещаться в обратном направлении, уклоняясь от столкновения. Даже если мы и получим какой-то результат, то его выражение в привычных величинах массы вряд ли будет иметь практическую пользу. Ситуация аналогична попытке ударить палкой по пчелиному рою - он либо не заметит столь бесцеремонного вмешательства, либо изменит своё местоположение, а может и наброситься на агрессора. Ценность любого опыта в повторяемости результата при неизменных начальных условиях. Заряд - не самый удачный претендент на роль подопытного кролика.
То есть, обычными способами определить массу заряда мы не сможем - ни через простой подсчёт элементов, ни через формулу массы m=pv (произведение плотности на объём), ни путём измерения его инертности. Тут бы расписаться в собственном бессилии, но к счастью, в физике уже достаточно давно существует "бесполезная формула" тождественности массы и энергии - М=Е. То есть, определив энергию некоторого количества зарядов, мы сможем хотя бы косвенным образом судить об их массе. К тому же, человечество имеет определённый инструментарий для измерения энергии зарядов. Статические электрические заряды - малоподвижные либо покоящиеся - хорошо регистрирует электроскоп и вольтметр, движущиеся по проводнику - амперметр. Для радио и рентгеновского излучения существуют различные детекторы - полупроводниковые либо индукционные. Тепловое и световое излучение можно почувствовать вообще без применения приборов - зрительно и тактильно.
Ранее уже отмечалось, что фотон вполне можно именовать "световым зарядом". Отличие его от "теплового заряда" лишь в размерах, поэтому странно, что физика, весьма склонная к изобретению различных научных терминов, и для него не придумала чего-то подобного. К примеру, теплон или термион (от слова termo), по аналогии с фотоном и электроном.
Теперь пару слов о массе фотона.
Считается, что он не имеет массы покоя, а лишь массу движения, называемую инерционной. Отсюда следует закономерный вывод, что при остановке фотон исчезает. То есть, согласно учебнику физики - покоящихся фотонов в природе не существует вообще. Довольно странное утверждение, ведь согласно Закону сохранения Массы такого быть не может. Математическое объяснение этого феномена конечно же существует, но выглядит довольно сложно, и понимают его далеко не все. Тем не менее, на бумаге доказательство исчезновения фотона выглядит вполне научно.
С позиций традиционной физики объяснение может выглядеть совсем просто:
Пока фотон движется в составе светового потока, мы его можем регистрировать различными способами - визуально и инструментально. Покоящийся фотон (световой заряд) увидеть невозможно, так как он не вступает во взаимодействие с рецепторами глаза и другими сенсорами, поэтому проще сказать, что его нет, нежели допустить его существование в те моменты, когда он не движется. При этом, превращение фотона в электричество почему-то не кажется удивительным. В организме человека поток фотонов, детектированный глазными рецепторами, превращается в электрический импульс, который отправляется на обработку в мозг. Попав на пластину солнечной батареи, фотон превращается в электрический ток. То есть, "остановленный фотон" просто меняет своё название, превратившись в электричество, тепло или что-то подобное. Даже дети знают, что подставив увеличительное стекло под солнечный свет и сфокусировав, можно получить довольно приличную температуру - 200-300 градусов Цельсия, позволяющую выжигать на дереве или бумаге. Тем не менее, не только в учебнике физики, но и в достаточно солидных научных изданиях утверждение о том, что фотон бесследно исчезает, повторяется с завидной регулярностью.
Форма Заряда
Пришло время обсудить, почему форма заряда именно такая, а не какая-то другая.
Ранее уже неоднократно отмечалось, что заряд для природы объект уникальный, и именно поэтому ему мы определили центральную роль в формировании вещества. Несмотря на то, что заряд ничуть не менее материален, чем атом или молекула, его массовые характеристики в сравнении с энергетическими можно назвать ничтожными. Это значит, что инерция у него практически отсутствует, что позволяет заряду легко изменять траекторию своего движения, тормозить и разгоняться практически мгновенно. По своей сути заряд представляет собой сгусток энергии, так как в нём нет ни одного элемента, который бы покоился - все пребывают в постоянном движении, даже в том случае, когда мы обсуждаем статический электрический заряд, который не меняет своего положения в пространстве. Покоящийся заряд можно сравнить со стоящим на месте торнадо, который неторопливо вырывает комья земли и песка, разбрасывая их по всей округе. Для того чтобы понять, насколько торнадо и заряд внешне схожи, предлагается такая картинка:
Рис. 3
Обычно торнадо выглядит как медленно ползущая по земле серая труба с воронкой наверху, из которой вылетает всякий мусор. Это и не удивительно, ведь именно в центральной части торнадо воздух вперемешку с мельчайшими каплями воды уплотняется настолько, что становится видимым. Всё что происходит на его периферии уже не столь наглядно, но очевидно, что структура строения торнадо - это тороид. На следующей картинке мы видим ту же фигуру, где изображена траектория движения лишь одного элемента заряда из великого множества:
Рис. 4
Если тороид выглядит подобно сфере (рис. 4), то движение каждого его элемента проходит по такой необычной траектории. В классическом тороиде (рис. 1) в виде "бублика", траектория движения отдельного элемента выглядит несколько проще:
Рис. 5
Здесь мы видим (рис. 5) замкнутую пружину, которая хорошо иллюстрирует сразу два типа вращения - продольное и поперечное. В совокупности они формируют сложное трёхмерное движение каждого отдельного элемента заряда. Собственно, именно благодаря тому, что движение элементов происходит по трём пространственным осям одновременно, мы и наблюдаем у заряда столько удивительных свойств - электрических, магнитных и гравитационных. Чтобы не усложнять сверх меры дальнейшие рассуждения, нам потребуется более простой "схематический образ". Для этого траектории движения всех элементов системы мы условно разделим на два типа вращения - продольное и поперечное:
а)
б)
в)
Рис. 6
Первое - осевое (рис. 6а) или "телесное", при котором все элементы движутся вдоль условной линии, совпадающей с самой фигурой вращения. Второе - поперечное (рис. 6б), когда вращение происходит в плоскости, перпендикулярной осевой линии тела, как бы выворачивая его наизнанку. Теперь совместим эти два направления вращения на одной картинке (рис. 6в), и в дальнейших рассуждениях будем использовать именно такой "образ заряда".
Следующий вопрос:
Почему заряд обязательно должен выглядеть как бублик, а не в виде сферы или плоскости?
Все составляющие заряд элементы в процессе своего движения по замкнутым траекториям стремятся оказаться как можно ближе к центру фигуры, но их скорость слишком велика, чтобы там задержаться, и поэтому они пролетают мимо, каждый раз возвращаясь. Это и является причиной возникновения у заряда собственного электромагнитного поля, вследствие чего он способен проявлять электрические, магнитные и гравитационные свойства, реализуя один из своих потенциалов при взаимодействии с другими физическими или материальными объектами. Здесь в полной мере работает эмпирическое Правило трёх перпендикуляров, которое можно сформулировать следующим образом:
Для преобразования потоков частиц - магнитного, гравитационного и электрического, являющихся по отношению друг к другу родственными, но взаимно перпендикулярными, необходимо их "развернуть" в ту или иную сторону, используя подходящую для этого "геометрическую схему".
Теперь то же самое, но чуть более простым языком:
Поскольку мы живём в трёхмерном Пространстве, то цифра "три" для него является в некотором смысле символической. По трём точкам можно задать расположение плоскости, табуретка на трёх ногах стоит устойчивее, чем на двух или четырёх. Цифра "3" символизирует движение от одной точки к другой, три слона, стоящие на огромной черепахе, три богатыря, три девицы под окном и многое другое...
Итак, из одной точки мы можем провести лишь три взаимно перпендикулярные прямые. То есть, все последующие перпендикуляры будут совпадать с уже существующими. Движение условной материальной точки в трёх пространственных осях одновременно позволяет получить фигуру вращения, называемую тороидом, в геометрическом центре которого формируется гравитационный потенциал, который и удерживает все элементы заряда в составе единого объекта. Движение материальной точки по какой-то иной траектории, к примеру, по окружности или сфере, к такому эффекту не приведёт. Все вопросы, связанные с гравитацией, обсудим в отдельной главе, целиком посвященной этой теме.
Вследствие движения элементов по замкнутой траектории в составе единого объекта, заряд способен сохранять всю свою энергию - кинетическую, потенциальную и внутреннюю до тех пор, пока не вступит во взаимодействие с другим объектом - зарядом, атомом, молекулой или более сложной системой элементов. При этом, даже не вступая во взаимодействие, он уже обладает уникальными способностями, ведь наличие у него собственного электромагнитного поля наделяет его сразу тремя Потенциалами - магнитным, электрическим и гравитационным. Эмпирическая закономерность, называемая Правилом трёх перпендикуляров, позволяет определить, какой из трёх Потенциалов заряда в момент взаимодействия реализуется в конкретное действие - магнетизм, электричество или условно бесконтактное воздействие, называемое гравитационным.
О практическом применении указанного выше Правила чуть позже, а сейчас несколько слов о физических полях.
Электромагнитное поле заряда
Поскольку речь зашла о Поле, необходимо внести некоторую ясность и в этот, непростой для физики, вопрос.
Понятие Поле в современной науке, пожалуй, самое загадочное. Порой складывается ощущение, что любые сложности, возникающие при объяснении того или иного физического явления, решаются лишь простым упоминанием этого термина, и сразу всё становится просто, понятно и обыденно. Предметы падают на землю - гравитационное поле, в катушке появился ток - электрическое, магнит притягивает или отталкивает - опять поле, но уже магнитное. Это только в физике, а если мы привлечём математику, то различных полей с их удивительными свойствами станет ещё больше. Дабы не размениваться на частности, далее обсудим только Электромагнитное поле, а все другие - реальные и вымышленные, оставим за рамками данного размышления.
Сначала заглянем в учебник:
Электромагнитное поле - фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами.
Физическое поле - особый вид материи.
Собственно, на этом обзор классического представления современной науки о Поле можно закончить. Здесь мы имеем лишь определения, указывающие на существование вполне реального физического феномена, но его суть они ничуть не проясняют. Конечно, особым видом Материи поле названо по какому-то нелепому недоразумению, ведь само по себе оно существовать не может, его возникновение целиком зависит от других объектов и их свойств. Поскольку такое физическое явление как Электромагнитное Поле действительно существует, то этот термин требует какого-то разумного определения. Выше по тексту дано сразу две формулировки, их мы чуть изменим, к примеру, таким образом:
Электромагнитное поле - особая форма движения материальных частиц, формирующая магнитные и электрические свойства у различных материальных объектов.
Поле - физический объект, состоящий из материальных частиц, солидарно движущихся по замкнутым траекториям в составе единой системы.
Возникает интересный парадокс - представленная формулировка Поля практически полностью повторяет определение Заряда:
Заряд - материальный объект, состоящий из элементов, солидарно движущихся по замкнутым траекториям в составе единой системы.
Может возникнуть вопрос:
Значит ли это, что Поле и Заряд - одно и то же?
И да и нет. Электромагнитное поле и Заряд - физические синонимы, поскольку друг без друга существовать не могут. Если есть заряд, то у него обязательно имеется собственное электромагнитное поле, но поля без Источника не возникнет. Эту почётную роль может исполнить только заряд. При этом, сколько бы ни было зарядов в пространстве, они всегда останутся самостоятельными материальными объектами, в то время как поля этих зарядов могут складываться, вычитаться, умножаться и делиться. То есть, при определённой конфигурации зарядов в какой-то точке пространства они могут сформировать общее поле, а при другой - поля зарядов будут противодействовать друг другу.
Возможна ситуация, при которой зарядов более чем достаточно, а электромагнитного поля и вовсе нет. Это как раз тот случай, когда заряды находятся внутри источника питания, батарейки, конденсатора, на пластиковой расчёске, шерстяном свитере, но никакого электромагнитного поля вокруг этих предметов мы не обнаружим. То есть, для возникновения электромагнитного поля с той напряжённостью, которую мы смогли бы измерить приборами, зарядов не только должно быть много, но требуется также и их определённая конфигурация в Пространстве. Для обнаружения электромагнитного поля у проводника, по которому движутся электрические заряды, потребуется достаточно чувствительный прибор, либо очень большой ток. Но если провод смотать в катушку, то даже при небольшом токе мы обнаружим довольно высокую напряжённость её электромагнитного поля при взаимодействии с железом или магнитами. Другими словами - у заряда электромагнитное поле есть всегда, но обнаружить его довольно трудно в силу очень малого размера самого объекта. У катушки из провода электромагнитное поле может быть огромным, но только тогда, когда по ней движется большое количество электрических зарядов - электрический ток.
А теперь, пожалуй, пришло время ответить на главный вопрос:
Что собой представляет электромагнитное поле?
Как уже было отмечено выше, именно заряд выступает в качестве Источника для возникновения электромагнитного поля, но его элементы не являются частью этого поля. Поле формируется из сторонних элементов "младшего" уровня размерности, которые слетаются как ночные мотыльки на свет костра, ведь заряд - главный источник энергии во Вселенной. Это значит, что все элементы, испытывающие недостаток энергии, будут стремиться туда, где её много. Заряд - главная цель для всех элементов, которые значительно меньше его по размеру. А поскольку движение - это и есть энергия, то вновь прибывшие элементы попытаются принять участи в общем хороводе. Вокруг заряда обязательно возникнет вторичный поток, который и создаст его электромагнитное поле. Чем выше энергия самого заряда, тем больше сторонних элементов вольются в общий поток, а значит, напряжённость такого поля также будет выше.
Ещё раз акцентируем этот важный момент - элементы, формирующие электромагнитное поле заряда, не являются "обязательной частью" самого заряда, а значит, могут легко покинуть систему, как только у них возникнет более привлекательная цель. Именно так поле может складываться, умножаться и делиться. Поскольку сам заряд - это материальный объект, элементы которого прочно удерживаются в составе системы вследствие существования у него гравитационного потенциала, то взаимодействие между зарядами будет происходить на уровне элементов, составляющих его поле. То есть, сторонних элементов, которые могут быть присоединены либо утрачены в зависимости от конкретных обстоятельств. Сам заряд при этом сохранится в неизменном виде, приобретя, либо потеряв какую-то часть кинетической энергии.
Для иллюстрации такого явления вполне подойдёт аналогия с пропеллером, вращение которого приводит в движения поток воздуха, состоящий из молекул различных газов - азота, кислорода, водорода, углекислоты и других. Вентилятор прочно закреплён на валу электромотора и является инициатором появления воздушного потока, независимо от плотности, температуры и влажности газовой среды. Он будет вращаться даже в безвоздушном пространстве, там, где плотность газов крайне низка. Соответственно, в плотной газовой среде вблизи пропеллера возникнет мощный поток воздуха, а в безвоздушном пространстве вся система будет работать вхолостую. В данной аналогии заряд - это пропеллер с моторчиком, а нагнетаемый им воздушный поток - электромагнитное поле заряда.
Условно бесконтактное взаимодействие заряда с другими зарядами, атомами и молекулами всегда происходит посредством электромагнитного поля.
Теперь представим, что тот же самый вентилятор мы немного видоизменили, добавили ему лопастей и вставили в турбореактивный двигатель, где таких пропеллеров уже несколько штук. Это уже другая, более мощная система, способная не только создать воздушный поток, но и поднять в небо пассажирский самолёт.
Для того чтобы отличие между полем и зарядом ещё более акцентировать, будет полезным дать такие определения:
Материальный объект - тот, что сохраняет свои основные физические характеристики на длительном промежутке времени.
Физический объект - некоторая пространственная конфигурация материальных объектов, имеющая определённую структуру строения вследствие существования определённых обстоятельств.
Подытожим:
Физический объект, называемый нами электромагнитным полем, своим существованием обязан Источнику, который его сформирует. Его поле целиком состоит из сторонних элементов "младшего" уровня размерности по отношению к элементам, составляющих сам заряд. В качестве первичного источника электромагнитного поля может выступить лишь заряд, зато вторичных мы знаем достаточно много - это и обычный магнит, и катушка из провода, по которой течёт электрический ток, и даже целая планета, вокруг которой существует сложное движение частиц, называемое Магнитным полем Земли.
Посмотрим ниже, как это может выглядеть:
а)
б)
Рис 7.
На первой картинке (рис. 7а) изображён пространственно ориентированный заряд, вокруг которого располагается его электромагнитное поле (концентрические линии зелёного цвета, образующие сферу). Следующая картинка (рис. 7б) - это уже изображение Магнитного поля Земли из школьного учебника физики. Вертикальная стрелка на первой картинке (рис. 7а) - направление магнитного потенциала заряда, на нижней картинке (рис. 7б) тоже изображены линии со трелками, указывая на расположение магнитных полюсов Земли. Сравнение этих двух изображений указывает не только на внешнее сходство, но и на общую функциональность, несмотря на серьёзные различия в размерах целой планеты и очень маленького электрического заряда.
Потенциалы электромагнитного поля
Чтобы закончить обсуждение электромагнитного поля, несколько слов о его потенциалах - электрическом и магнитном. Сначала о том, что мы понимаем под понятием Потенциал. В самом широком смысле это - возможность произвести какое-либо действие при возникновении определённых обстоятельств. Когда говорят, что у творческого человека высокий потенциал, подразумевается, что он способен на многое, но это вовсе не означает, что человек обязательно реализует свои таланты в реальности. К примеру, подающий надежды пианист может неудачно упасть и сломать руку. После того как кости срастутся, вряд ли мышцы и сухожилия будут столь же эластичными как и раньше, а значит, блестящая карьера в музыке для него под большим вопросом, но известным писателем или физиком-ядерщиком он вполне может стать.
То есть, под Потенциалом электромагнитного поля мы подразумеваем его возможность произвести какое-либо действие при соответствующих обстоятельствах. Наличие самого потенциала под сомнение не ставится, так как у заряда имеется некоторое количество собственной энергии, которая инициирует вокруг него электромагнитное поле, способное эту энергию использовать. Поскольку поле мы именуем электромагнитным, то оно обладает сразу двумя потенциалами - электрическим и магнитным. Конечно, имеется и третий потенциал - гравитационный, но его мы подробно обсудим в теме, целиком посвящённой гравитации.
Итак, каждый из потенциалов электромагнитного поля - магнитный и электрический, является прямым следствием характера движения частиц, составляющих заряд. Ранее мы условно разделили сложное трёхмерное движение элементов заряда на два типа движения - телесное и поперечное. Поскольку частицы поля получают энергию движения заряда, встраиваясь в общий "вторичный поток", то получится, что траектория их движения будет копировать рисунок перемещения элементов, составляющих сам заряд. То есть, электромагнитное поле также можно рассматривать как систему, обладающую двумя типами движения - телесным и поперечным. Соответственно, первый потенциал - магнитный, следствие поперечного вращения элементов, составляющих поле, а второй - электрический, результат их движения, совпадающей с самой фигурой вращения.
Смотрим ниже:
Рис. 8
Согласно Правилу трёх перпендикуляров, магнитный потенциал Ф строго перпендикулярен электрическому В, и если первый представляет собой вектор, то второй - это уже окружность. Соответственно, воздействуя на электромагнитное поле заряда фронтально вдоль прямой, совпадающей со стрелкой Ф, мы реализуем магнитный потенциал заряда, который будет выражаться притяжением либо отталкиванием взаимодействующих полей. Это назовём магнетизмом. Если же поле заряда будет взаимодействовать с окружностью - катушкой из провода либо кольцом, то реализуется его электрический потенциал В. Данное взаимодействие выразится в возникновении электрического тока в катушке либо в кольце из металла.
Важно также отметить, что при взаимодействии с электромагнитным полем одновременно может реализоваться лишь один потенциал - магнитный либо электрический, но не оба вместе, ведь разделение на два типа движения - телесное и поперечное - это условность, необходимая для упрощения логических построений. Поскольку направление перемещения элементов электромагнитного поля - это физически неразделимая совокупность двух типов движения, то одномоментно может реализоваться любой из двух потенциалов.
Теперь буквально несколько слов о третьем потенциале электромагнитного поля заряда - гравитационном. Нетрудно догадаться, что третий перпендикуляр по отношению к прямой и окружности - это точка, находящаяся в геометрическом центре фигуры вращения. Этот потенциал характеризует гравитационную массу заряда или его поля, и в самом общем смысле говорит об инерции системы. Практический смысл его в том, что именно он является характеристикой вещественности заряда или поля как системного объекта. Без воздействия гравитации никакой из потенциалов электромагнитного поля реализоваться не может.
Пример из электротехники:
До тех пор, пока магнит движется вдоль прямой, перпендикулярной катушке из провода, в цепи будет некоторый ток. Как только магнит остановится, ток пропадёт. То есть, для возникновения электрического тока в катушке магнит обязательно должен двигаться относительно её. Направление роли не играет, важен сам факт движения.
В этом и заключается действие гравитационного потенциала электромагнитного поля - он выражает общую массу системы как сумму масс всех участвующих в ней элементов. Соответственно, реализация гравитационного потенциала заряда возможна лишь в том случае, если на его электромагнитное поле воздействуют сразу два фактора - электричество и магнетизм.
Далее попробуем ответить на вопрос:
Почему современная наука считает, что типов заряда два?
Положительный или отрицательный?
По всей видимости, это просто устоявшееся мнение, которое никто всерьёз не подвергал сомнению в силу очевидности. А поскольку множество экспериментов указывает на то, что одни заряды притягиваются, а другие отталкиваются, то вывод напрашивается сам собой - типов заряда два. В данном случае работает логическое правило - самый простой ответ и является правильным. И не важно, что гипотеза о двух типах зарядов существует уже более трёх столетий, будто бы с тех пор человечество не узнало ничего нового.
Всё бы хорошо, но возникает совсем "неудобный" вопрос:
Почему отрицательных и положительных зарядов в любом месте, где бы они ни понадобились, всегда оказывается нужное количество?
Известно, что природа рациональна и никогда не усложняет сверх необходимости. Зачем создавать два идентичных элемента с противоположными свойствами, когда и один с этой задачей легко справится? Магнит - типичный пример, указывающий на существование такого природного сценария, при котором один объект обладает сразу двумя противоположными свойствами - притяжением и отталкиванием. Всё как в обычной жизни - с одним молодым человеком девушка с радостью пойдёт на вечеринку, а другого и на километр к себе не подпустит. Затем в Небесной Канцелярии что-то поменяется, и ненависть перерастёт в любовь...
Так ли нужен физике отрицательный заряд?
Окружающая природа пока не предоставила ни одного примера, указывающего на существование в ней такого физического понятия как - отрицательность. Любой материальный объект положителен по своей сути, как и все физические явления и процессы. К примеру, когда два автомобиля едут навстречу друг другу, вряд ли кто-то будет утверждать, что скорость одного из них отрицательна. Направление их движения по отношению друг к другу будет противоположным, встречным, но вовсе не "отрицательным". К тому же, магниты появились задолго до изобретения электричества, но почему-то до сих пор никто их полюса не называет "плюсом" и "минусом". Они либо "север" и "юг", либо по цвету маркировки - "красный" и "синий".
Теперь предыдущий вопрос сформулируем чуть иначе:
На основании какого физического принципа могут существовать "положительный" и "отрицательный" заряды?
Когда в учебнике физики мы видим кружок красного цвета с плюсом и синего с минусом внутри, то это очевидно и есть тот самый "визуальный образ заряда" - отрицательного или положительного. Подразумевается, что каждое тело обладает равным количеством зарядов противоположных знаков, но если потереть их друг о друга, то часть зарядов одного из знаков переместится. Почему так происходит, учебник не поясняет.
К такому утверждению имеется минимум два возражения:
Во-первых, разноимённые заряды притягиваются, что уже само по себе подразумевает их перемещение с одного тела на другое как минимум парами. Если же другое тело "более положительно" либо "более отрицательно", то оно притянет к себе заряды только противоположного знака и в том количестве, сколько нужно для создания "равновесия зарядов". То есть, у разноимённых зарядов нет никакой причины перемещаться куда-либо для увеличения положительного или отрицательного потенциала. Вероятность их слияния со своим "антиподом" на порядок выше, чем стремление что-то "зарядить". К тому же, разноимённые частицы при встрече друг с другом должны образовывать электрически нейтральный элемент - тот же нейтрон, который свойств притяжения и отталкивания не может иметь по определению. Об этом учебник нам тоже не сообщает ничего.
Во-вторых, утверждение о том, что может существовать "однополюсный элемент" или "однозаряженная" элементарная частица, не выдерживает никакой критики. Даже не важно, речь идёт об отрицательной частице или сугубо положительной. Во всяком случае, до нынешнего момента все попытки создания искусственного "однополюсника" так и не дали результата. Например, не существует магнита, который имел бы лишь один полюс или шарообразного конденсатора, внешняя поверхность которого была бы заряжена одним знаком, а находящаяся внутри, другим. Конечно, существуют математические модели, которые утверждают, что однополюсный магнит - практически у нас в руках, только нужно ещё немного поднапрячься. Увы, два типа заряда красиво выглядят лишь на страницах учебника.
Из всего вышеизложенного сделаем вывод, что существование двух типов зарядов-антиподов вряд ли возможно в реальности. Далее попробуем обосновать наличие у одного материального объекта сразу двух противоположных свойств - притяжения и отталкивания. То есть, по аналогии с обычным магнитом - с одной стороны заряд обладает свойством притяжения, с другой - отталкивает.
Чем "притягивающий" заряд отличается от "отталкивающего"?
Смотрим на следующий блок картинок:
а)
б)
Рис. 9
Очевидно, что здесь изображены вовсе не разные объекты, а один и тот же в двух вариантах - первый (рис. 9а) по отношению ко второму (рис. 9б) развёрнут на 180 градусов, о чём свидетельствует направление их вращения - телесного и поперечного. Используя классическую терминологию, один из зарядов мы можем смело называть "положительным", другой - "отрицательным". Отсюда следующая формулировка:
Положительность и отрицательность электрических зарядов возникает вследствие их взаимной ориентации в Пространстве по отношению друг к другу и к другим материальным объектам.
Собственно, это и есть ответ на вопрос их появления в нужном месте в необходимом количестве, ведь "сортировкой зарядов по знаку" займутся сами взаимодействующие тела - на пластиковой расчёске скопятся заряды одного "знака", а на листочках бумаги другого. Согласно существующей в данном размышлении терминологии, любой диэлектрик обладает той или иной поляризацией, которая как раз и отвечает за их способность присоединять к себе заряды тем или иным "полюсом". Все электростатические эффекты основаны именно на этом свойстве диэлектриков. Проводники электрического тока поляризацией не обладают. Соответственно, о существовании поляризации у полупроводников можно говорить лишь предметно, в зависимости от выбора материала, значений температуры, давления, степени его электризации и так далее....
Почему бы всем зарядам не примагнититься друг к другу?
Если бы во Вселенной существовали только заряды, то вероятно, так действительно могло бы произойти - все они соединились бы друг с другом, образовав грандиозный зарядный кластер, заполнив собой всё Пространство. К счастью, кроме зарядов в природе существует масса других элементов - атомы, молекулы, кластеры и системы. К тому же, разновидностей самих зарядов довольно много, а значит, и размеры их тоже сильно отличаются. Способность к соединению в большие кластеры или потоки возникает лишь тогда, когда в определенном месте скапливается значительное количество зарядов близких по форме и размерам. Как мы выяснили ранее, электрический заряд больше похож на бублик, а световой на сферу, поэтому, даже имея близкие размеры, они не смогли бы образовать кластер. Тем более, у фотона (светового заряда) магнитные свойства настолько слабы, что такие заряды вообще не склонны к образованию каких-либо связанных структур, в то время как для электрического заряда магнетизм - это норма.
Далее несколько картинок, иллюстрирующих притяжение и отталкивание электрических зарядов:
а)
б)
Рис. 10
Сначала рассмотрим случай с притяжением электрических зарядов. На верхней картинке (рис. 10а) два заряда, близких по размером, направления вращения которых совпадают - осевое и поперечное, вследствие чего их электромагнитные поля сливаются в одно общее, которое удваивается по напряжённости. А поскольку поле одно, то и гравитационный центр у него тоже один. Несмотря на возникшее единодушие, сами заряды слиться друг с другом никак не смогут, так как при уменьшении расстояния вдруг окажется, что их поперечное вращение всё-таки встречное. То есть, пока они находятся на расстоянии, их вращение попутное, и все сторонние элементы, вовлечённые в общий процесс, движутся так, будто бы заряд один. Но когда расстояние между зарядами значительно уменьшается, траектории движения их собственных элементов становятся встречными, вследствие чего возникает непреодолимый барьер, препятствующий слиянию зарядов в один. Красные стрелки на нижней картинке (рис. 10б) показывают наличие некоторой минимальной дистанции для взаимного расположения зарядов.
В механике такая схема выглядит как ремённая передача. В данном случае общее электромагнитное поле двух зарядов исполняет роль ремня, который удерживает два шкива в жёсткой связке, но не мешает им вращаться в одном направлении. Если мы уменьшим расстояние между шкивами так, что они начнут задевать друг об друга, то система утратит работоспособность вследствие встречного вращения шкивов.
Рис. 11
Следующая картинка (рис. 11) показывает, что понятие "близкие размеры" - в достаточной мере условно. К примеру, отличие пространственных габаритов зарядов даже в 2 раза не станет особым препятствием для образования между ними кластера. Как и в предыдущем случае, общее электромагнитное поле увеличится, но слияния двух зарядов в один всё равно не произойдёт. Также следует отметить, что для возникновения эффекта притяжения, дистанция между зарядами должна быть достаточно короткой для того, чтобы произошло слияние их электромагнитных полей. То есть, эффект притяжения возникает лишь с определённой дистанции, и чем она короче, тем сильнее его проявление.
Физика отталкивания зарядов хотя и выглядит как полная противоположность притяжению, но это вполне самостоятельный процесс. Все те, кто экспериментировал с магнитами, могли заметить, что невозможно выбрать какую-то конкретную дистанцию между двумя магнитами, ближе которой они начинают притягиваться. Дело в том, что в основе притяжения лежит принцип объединения двух полей в одно, и этот процесс зависит от такого числа переменных величин, что их расчёт становится просто невозможным. То есть, момент слияния двух полей в одно всегда происходит спонтанно, поэтому и не может быть описан какой-то стандартной формулой или графиком.
Динамика отталкивания всегда основана на противодействии электромагнитных полей, независимо от расстояния между взаимодействующими объектами, поэтому она легко прогнозируема на всех этапах сближения. Для отталкивания совсем нетрудно построить график зависимости силы от расстояния, который будет справедлив и для других магнитов с близкими параметрами.
Это значит, что "магнитную левитацию" на свойстве отталкивания магнитов можно организовать даже в самых кустарных условиях, а с использованием эффекта притяжения - не получится, как ни старайся.
Смотрим на картинку:
Рис. 12
Здесь мы видим (рис. 12) два заряда, вращение которых в поперечной плоскости взаимно встречное. Красные окружности отмечают примерное расположение электромагнитного поля для каждого заряда. Поскольку движение элементов встречное, то и их поля тоже будут противодействовать друг другу. Чем ближе расстояние, тем больше элементов участвует во взаимодействии, а значит, и сопротивление будет возрастать.
Пожалуй, дополнительные пояснения здесь излишни.
Далее ещё пара картинок, иллюстрирующих возможные варианты взаимодействия зарядов разного размера:
Рис. 13
Рис. 14
Собственно, последние две картинки отвечают на вопрос, почему все заряды во Вселенной не могут соединиться в единый кластер. Для этого следует их упорядочить не только по размеру, рассортировав каким-то образом, но и развернуть "правильной стороной". Поляризованный диэлектрик на это отчасти способен, а сами заряды - нет. Именно поэтому пластиковая расчёска притягивает кусочки бумаги, но для этого её требуется потереть о другой диэлектрик, как раз для того, чтобы рассортировать заряды, развернув нужной стороной, что позволит значительно усилить общее электромагнитное поле каждого из диэлектриков. Оно и будет взаимодействовать с листочками бумаги на расстоянии в несколько сантиметров. Окунув расчёску в воду или обернув металлической фольгой, мы разрушим поле, так как электрические заряды потеряют чёткую ориентацию в Пространстве, вновь став самостоятельными материальными объектами, не связанными друг с другом никакими "обязательствами".
Солнце - это заряд?
Чтобы наше построение не выглядело вольной фантазией, обсудим ближайший аналог электрического заряда в природе с использованием метода масштабирования, подтвердив тем самым право на существование и такой необычной модели. Поскольку современные возможности человечества пока не позволяют заглянуть в микромир столь глубоко, обратим взор на объекты глобального масштаба. Итак...
Рассмотрим знакомую нам с детства Солнечную систему с центральной звездой в центре. Ниже картинка из школьного учебника для четвёртого класса:
Рис. 15
На картинке выше (рис. 15) мы видим систему элементов со звездой в геометрическом центре и планетами, располагающимися в плоскости эклиптики. Ранее мы уже отмечали, что Солнце - типичный заряд. Интересно, что взаимного притяжения между планетами не наблюдается, но все они почему-то явно "тяготеют" к Солнцу. Если любая звезда - действительно чем-то похожа на электрический заряд, то согласно Правилу трёх перпендикуляров магнитный потенциал Солнца должен быть направлен строго перпендикулярно плоскости эклиптики, ведь вся система тоже движется относительно центра галактики, и магнитный потенциал Ф в какой-то мере можно назвать тем "мотором", благодаря которому всё это и происходит. С высокой степенью вероятности можно предположить также, что все планетарные системы в галактике имеют схожие "углы наклона" по отношению к центру галактики и движутся в тех же направлениях, что и Солнечная система. Для подтверждения этой идеи стоит обратиться к астрономам, ведь они в данной теме обладают наибольшей компетенцией.
Сравнение Солнца с зарядом позволяет также ответить на вопрос расположения всех планет в плоскости эклиптики. Отсутствие взаимного тяготения между планетами объясняется довольно просто - главный источник энергии солнечной системы - это само Солнце, поэтому выбор очевиден. Единственная причина, по которой планеты не разлетаются по Вселенной кто куда - их постоянная потребность в энергии. Они как ночные мотыльки тянутся к солнечному излучению, которое распространяется в плоскости, точно также, как электрический потенциал В у заряда. Синий круг на картинке (рис. 8) - это и есть плоскость эклиптики, где электрические свойства электромагнитного поля максимально выражены. Изменился лишь масштаб участников - электрический заряд очень маленький, а Солнце наоборот - имеет грандиозные размеры, при этом природный Сценарий остался прежним. Это значит, что планеты получают от центральной звезды электричество в том виде, которое соответствует их масштабу, а магнитный потенциал их стремится развернуть перпендикулярно к плоскости эклиптики. Как раз так, чтобы взаимодействие между электромагнитным полем Солнца и Магнитным полем Земли происходило лишь с использованием электрического потенциала. И вращаются планеты вокруг собственных осей как раз для того, чтобы электрический потенциал Солнца, представляющий собой окружность, "выпрямить" в прямолинейный энергетический поток. Всё как в обычной жизни - длинную нитку удобнее хранить в клубке или на катушке, а когда она нам понадобится, клубок можно размотать.
Из учебника физики мы знаем, что 99,9% массы Солнечной системы приходится на её центральную звезду. Утверждение может показаться не слишком очевидным, если учитывать размеры планет и их расстояние от звезды. Тем не менее, ранее по тексту было отмечено, что гравитационная масса системы подвижных элементов, составляющих электрический заряд или Солнце, располагается как раз в геометрическом центре системы. В этом и состоит главное свойство гравитационного потенциала - суммировать массу всех подвижных элементов системы, представляя её как единое целое. То есть, это не само Солнце имеет столь грандиозную массу, равную массе Солнечной системы, оно лишь находится в том месте, где гравитационная масса максимально сосредоточена. Окажись на этом месте маленький Плутон, пришлось бы ему приписать всю массу Солнечной системы. Вспомним известную притчу об океанах и морях, которые ничего не стоят без рек и ручьёв, наполняющих их водой. Несмотря на "выдающиеся размеры и способности" самого Солнца, все участники общей динамической системы - планеты, астероиды, большие и маленькие, а также космическая пыль и всевозможные газы участвуют в формировании как физической массы Солнечной системы, равномерно распределённой по общему объёму, так и гравитационной, расположенной в её геометрическом центре.
Чёрные Дыры - что это такое?
Нелишне также вкратце обсудить космический феномен, который астрономы называют Чёрными Дырами. Утверждается, что в центре каждой из галактик обнаружены странные объекты, представляющие собой воронки. Вспомним, что в самом начале размышления о заряде, мы предположили его физическую форму в виде тороида, тяготеющего к форме сферы. Предлагался такой его "образ":
Рис. 16
А теперь акцентируем внимание на его "центральном стволе":
Рис. 17
Вот она - Чёрная Дыра во всём своём великолепии! То есть, ничего такого, что мы могли бы назвать нереальным и фантастическим, ведь это "центральный ствол" любого заряда, в геометрическом центре которого как раз и сосредоточена вся его гравитационная масса. Очевидно, что физики и математики каким-то образом сумели обнаружить "феномен избытка массы" в таком образовании, но предоставить адекватное объяснение ему не смогли, потому и возникло столько мистики вокруг Чёрных Дыр, вплоть до искривления пространства и времени. Материалистический взгляд на структуру строения Вселенной отрицает любые манипуляции с нематериальными - Пространством и Временем, а потому существует сугубо "механическое" объяснение такой спиралевидной структуры, не требующее никаких "экстремальных предположений".
Современная наука почему-то считает, что массивные объекты, падая в "жерло" Чёрной Дыры исчезают там безвозвратно. Оставим это утверждение на совести впечатлительных исследователей, памятуя о Законе сохранения массы, одном из главных в нашей Вселенной. Согласно ему, если что-то в Чёрную Дыру "случайно упало", то оно обязательно из неё "выпадет" с противоположной стороны в неизменном (с точки зрения массы) виде. То есть - никаких парадоксов близнецов, путешествий во времени и прочей фантастики.
Глава 2. Атом, Молекула, Кластер
Общеизвестно, что все предметы в нашем мире состоят из атомов и молекул. Их строение изучается в школе на примере модели Бора-Резерфорда, но для науки она не является базовой, так как основывается на нескольких допущениях, именуемых Постулатами, которые плохо согласуются с механикой и электродинамикой. На данный момент действующей считается Квантовая теория, и она действительно справляется с объяснением практически всех физических явлений, перед которыми теория Бора-Резерфорда спасовала. Однако методы, которыми это достигается, выглядят несколько сомнительно с точки зрения материалистического восприятия окружающего мира.
Предлагается иной взгляд на строение атомов и молекул, целиком основанный на механических принципах взаимодействия материальных объектов.
Опираясь на удивительную тягу Материи к разнообразию своих форм и проявлений, далее по тексту под термином "Атом" мы в большей мере будем понимать определённую физическую структуру, а не какой-то конкретный материальный объект. Такой подход позволит несколько шире взглянуть на Мироздание, не ограничиваясь лишь объектами микромира. К тому же, давно замечено, что малые, большие и глобальные структуры довольно часто имеют много общего, что впрямую указывает на существование общих природных Сценариев, где главную роль играют форма, внутренняя организация, определённые свойства, но при этом, фактический размер объекта не имеет принципиального значения.
Наиболее простая формулировка для интересующего нас объекта будет выглядеть следующим образом:
Атом - материальный объект, состоящий из ядра и оболочки.
Прежде чем начать обсуждение, немного отвлечёмся и обсудим интересный феномен, на который в повседневной жизни мы натыкаемся буквально на каждом шагу. А именно:
Сходство строения различных природных объектов
Даже самое полное исследование не позволит выявить все материальные тела, имеющие схожее строение, ведь мы имеем дело с природной закономерностью, которая распространяется буквально на все иерархические уровни Мироздания, поэтому ограничимся лишь несколькими объектами, в той или иной степени соответствующими данному определению. Итак...
Начнём с микромира, выбирая масштаб предельный для современных методов регистрации сверхмалых объектов. На данный момент удалось получить изображение лишь атома водорода, так как он самый крупный "участник" периодической системы элементов, притом его масса наименьшая в сравнении со всеми остальными атомами. Собственно, в этом и состоит суть периодического закона, открытого Менделеевым - с ростом массы атома его физические размеры уменьшаются. Но, об этом несколько позже...
Рис. 18
Несмотря на довольно низкое разрешение существующей фотографии (рис. 18), предлагаемая картинка вполне способна показать, что атом водорода состоит из значительно большего числа элементов, нежели из двух - протона и электрона. То есть, модель Резерфорда-Бора не имеет под собой достаточных оснований, что и доказано инструментально.
Чуть изменим масштаб, и обратим взор на объекты, относящиеся к следующей "ступеньке размерности".
а)
б)
Рис. 19
На первой картинке (рис. 19а) мы видим животную клетку, на второй (рис.19б) растительную.
Движемся дальше:
Рис. 20
Даже обычное куриное яйцо (рис. 20) имеет с предыдущими объектами много общего.
Следующий масштаб на нашей условной "иерархической лестнице" - космические объекты.
Планета Земля в школьном учебнике природоведения изображается примерно таким образом:
Рис. 21
Подведём предварительный итог:
Все предложенные выше картинки наглядно иллюстрируют существование в нашей Вселенной единой модели, на которую ориентируется природа при создании различных материальных объектов вне зависимости от выбранного масштаба. Собственно, даже этих примеров достаточно для того, чтобы признать существование некоей природной закономерности, которой руководствуется Мироздание при создании различных материальных объектов, независимо от их пространственных габаритов. Соответственно, далее Атом мы будем рассматривать в качестве некой общей структуры для подавляющего большинства природных объектов, и если некоторые из них мы назовём так, как это принято в учебнике физики или химии, то лишь из уважения к сложившейся в науке традиции.
Согласно предлагаемой концепции, атом железа из периодической таблицы химических элементов и планета Земля принципиально мало чем отличаются, разве что размерами. Естественно, при условии, что в дальнейших рассуждениях мы будем опираться на атомистическую теорию, в былые времена довольно популярную среди таких мыслителей как Демокрит, Платон и Аристотель. Все они считали атом твёрдым телом, что в корне расходится с традиционными представлениями о строении вещества. Конечно, сейчас подобного рода утверждения могут вызвать лишь кривую усмешку, тем не менее, попытаемся найти в этих воззрениях некое рациональное зерно. А вдруг учёные древности были более близки к реальности, нежели наши современники? Вспомним изречение, приписываемое одному из ярых сторонников модели твёрдого атома, а именно - Платону:
Безумец, упорствующий в своём безумии, однажды может оказаться провидцем.
Итак, начинаем...
Модель "твёрдого" атома
Далее речь пойдёт о материальном объекте, в котором нет ни протонов, ни электронов, а есть ядро, элементы которого пребывают в вечном движении, и прочная оболочка, находящаяся снаружи ядра. Если элементы ядра движутся по своим замкнутым орбитам безостановочно, то элементы оболочки прочно сцеплены друг с другом, создавая барьер, не позволяющий ядру атома освободиться из клетки, в которую оно заключено самой природой. То есть, строение атома можно свести к простой механической конструкции - снаружи оболочка, а внутри - ядро.
Ядро любого атома - это подвижная физическая структура, по строению и свойствам аналогичная заряду. То есть, атом - это заряд, уложенный в своеобразный футляр, называемый оболочкой.
Её функции таковы:
Первая - удержание энергетически активного ядра во внутреннем пространстве атома, что само по себе является довольно непростой задачей.
Вторая - противодействие любому внешнему воздействию, способному повредить целостность атома. При этом следует особо отметить, что оболочка атома не препятствует проникновению внутрь объектов, относящихся к "младшему" уровню размерности, из которых, в конечном счёте, и формируется его электромагнитное поле. Именно оно позволяет атомам взаимодействовать с зарядами и друг с другом дистанционно. Пожалуй, это главное отличие атома от молекулы, в которой два и более атомов образуют прочную структуру, основанную на непосредственном механическом контакте их оболочек. О молекулах чуть позже...
Итак, основные свойства атома - очень высокая механическая прочность, а также, обладание огромной "внутренней" энергией, ведь в роли ядра атома выступает самый обычный заряд, по своей сути являющийся энергией в самом широком толковании этого термина. И всё же, несмотря на обладание такой мощной "внутренней батарейкой" внутри себя, атом не может распоряжаться своей энергией так же легко, как это дозволено заряду. По сути, это и есть та самая плата за твёрдость и прочность. К тому же, при схожих пространственных габаритах и примерно равной энергетике, масса атома будет на порядок выше массы заряда, а значит, и его инертность. Другими словами, всю внутреннюю энергию атома мы можем считать потенциальной, тогда как энергия схожего по размерам заряда будет целиком кинетической. Вспомним, что кинетическая энергия может легко отдаваться и приниматься телом, а изменение потенциальной происходит лишь путём восполнения либо утраты некоторой физической части объекта, то есть, его массы.
Отсюда следующий вывод:
Атом способен участвовать в любых силовых взаимодействиях с другими природными объектами, при этом расходует только ту энергию, которую получает извне. Энергия ядра атома может быть использована лишь в случае его физического разрушения.
Для химических элементов, обладающих наивысшей плотностью ядра, называемых радиоактивными, существует возможность утраты части своей массы без физического разрушения самого атома. Этот эффект в самом общем смысле именуется распадом. Тем не менее, в физике принят другой термин - полураспад, то есть, утрата лишь некоторой части массы химического элемента, что автоматически изменяет его расположение в периодической таблице. То есть, по прошествии некоторого времени атом одного элемента может изменить свой порядковый (атомный) номер и стать другим элементом. Ядерный реактор позволяет значительно ускорить естественный природный процесс. В результате Плутоний Pu с атомным весом 94 становится Ураном U, занимающим ячейку периодической таблицы под номером 92. В каком-то смысле радиоактивные элементы можно сравнить с дырявым ведром, вода из которых вытекает самопроизвольно. Но даже этот "недостаток" можно использовать, к примеру, для получения тепла или электричества.
Прежде чем продолжить, сделаем небольшое лирическое отступление.
Обычно атом мы представляем чем-то очень маленьким и незначительным. И это действительно так, если целиком полагаться на знания, полученные нами в школе. Но принцип иерархической структуры строения Вселенной постулирует равноценность всех существующих в ней уровней масштабности. Мысленно переместившись в "младший" уровень Мироздания, мы с удивлением обнаружим, что атом - это целая галактика со своими звёздами, планетами, диковинными существами и монстрами, ведь жизнь - неотъемлемая составляющая Материи. Может показаться, что "человек разумный" - венец творения и вершина природной инженерии, а значит, ничего более совершенного в окружающем мире быть не может. Интересно узнать, что думают о человеке многочисленные микроорганизмы - вирусы и бактерии, живущие внутри него. Считают ли они среду своего обитания чем-то совершенным и неповторимым? Всё-таки, для своего масштабного уровня, строение даже очень маленького микроба может оказаться ничуть не менее сложным и разнообразным. Можно ли утверждать уверенно, что бактерии и вирусы не имеют возможности общаться друг с другом о сущности бытия и бренности существования. Возможно, человек для них столь же неразумен, как придорожный булыжник. А что если и камень тоже живёт своим неторопливым кремнийорганическим бытом - с мечтами, помыслами и свершениями? И проходящий мимо человек для него подобен стремительно пролетевшей мухе...
Довольно лирики, вернёмся к физике.
Пришло время дать ещё одну полезную формулировку:
Атом - минимальный элемент вещества, несущий все его признаки и свойства, состоящий из оболочки и ядра, по структуре строения схожего с зарядом.
То есть, атом в полной мере можно считать наименьшим материальным объектом любого рассматриваемого масштабного уровня. Для элементов, входящих в периодическую таблицу, условной границей размерности будет предел технологических возможностей человека к регистрации и наблюдению объектов сверхмалого размера. То есть, на каждой "ступени размерности" мы легко обнаружим атом и заряд, разве что названия у них будут несколько иные - животная или растительная клетка, фотон, планета, звезда и так далее.
Строение атома
Наиболее наглядная физическая модель, иллюстрирующая устройство атома - обычный шариковый подшипник. У него обязательно имеются две обоймы - внутренняя и наружная, которые могут вращаться друг относительно друга без заметного сопротивления благодаря шарикам, находящимся между ними.
Рис. 22
В атоме любого химического элемента тоже есть "внешняя обойма" - оболочка, и "внутренняя" - ядро. В качестве шариков выступят "сторонние элементы", которые могут заполнить всё свободное от ядра внутреннее пространство атома, а также наружное, формируя его электромагнитное поле. Подшипники, как и атомы, могут быть каких угодно размеров - от миниатюрных до грандиозных. Это утверждение в полной мере согласуется с принципом масштабирования, являющимся для природы главенствующим. Одна проблема - разобрать подшипник на составные части можно без особых трудностей, в то время как с атомом такую манипуляцию совершить совсем непросто. Пожалуй, это единственное серьёзное отличие атома от подшипника, в остальном они имеют много общего.
Собственно, по строению атома добавить особо нечего, поскольку ядро атома - это заряд, о котором сказано уже довольно много в предыдущей главе, а его оболочка состоит из атомов "младшего" уровня размерности, соединённых друг с другом ядерной связью, которую мы обсудим несколько позже.
Для лучшей визуализации атома представим, что в роли его ядра выступит воздушный шарик, воздух внутри него - элементы, формирующие ядро атома, а сетка с крупной ячейкой - это его оболочка. Если мы надуем шарик, находящийся внутри сетчатой авоськи, то очень скоро резина упрётся в естественное ограничение нитей, из которых сплетена сеть. Продолжая надувать шарик, мы заметим, что в отдельных местах он начнёт выступать за пределы сетки, и от дальнейшего расширения его будут сдерживать только соединения между узлами и прочность самой нити. Если резина, из которой изготовлен шарик, достаточно эластична, а ячея сетки крупная, то ещё сильнее надувая шарик, мы получим довольно необычной формы фигуру, в которой резиновый шарик будет находиться и внутри сетчатой авоськи и снаружи её одновременно. Собственно, это и будет иллюстрацией существования электромагнитного поля у атома, инициатором которого выступает атомное ядро. Размеры поля, выступающего за пределы атома, зависят не только от плотности его ядра, но и от свойств элементов, составляющих оболочку атома.
Теперь, то же самое, но на более крупном масштабе:
Рис. 23
На картинке выше (рис. 23) изображена атмосферная карта Земли. Как уже было отмечено ранее, наша планета - это типичный атом металла, у которого очень плотное ядро, а значит, и довольно мощное электромагнитное поле. Заметим также, что напряжённость этого поля чётко коррелирует с плотностью атмосферы - чем дальше от поверхности, тем слабее. И это вовсе не случайное совпадение, а самая настоящая взаимосвязь. Соответственно, ветра на Земле дуют вовсе не куда попало, а в строгом соответствии с "рисунком" электромагнитного поля нашей планеты. Также отметим, что атмосферные газы циркулируют не только вблизи поверхности земли, но и глубоко внутри планеты, где происходит синтез различных химических соединений - неорганических, таких как обычная вода, и более сложных органических, к примеру - углеводородов.
То есть, на этой "масштабной ступеньке" атмосферные газы выступают в роли "сторонних элементов" для электромагнитного поля Земли, инициирующего формации "старших" размерностей - циклоны и антициклоны.
Классификация атомов
Периодическая таблица чётко делит все элементы на две основные группы - металлы и неметаллы, к которым также относятся простые газы. Принадлежность инертных газов к той или иной группе мы рассмотрим чуть позже.
Так случилось, что металлов в природе большинство, неметаллов значительно меньше, а чтобы сосчитать все известные газы, достаточно пальцев на руках. Такая классификация представляется удобной, но она актуальна лишь для условий, существующих на Земле, где температура и давление достаточно стабильно держатся в неких стандартных рамках. Стоит изменить эти параметры, и металл станет газом, а жидкое вещество - твёрдым. К примеру, железо можно разогреть до такой температуры, при которой оно перейдёт в газообразное состояние. Ртуть в обычных условиях жидкая, но при температуре ниже минус 39 градусов Цельсия - это уже твёрдый металл. Обычное стекло, преимущественно состоящее из оксида кремния, сохраняет свою текучесть даже при минусовых температурах, при этом оно твёрдое на ощупь.
Следует также заметить, что термин "газ" в науке не имеет однозначной трактовки. В одном случае - это группа химических элементов со схожими свойствами, в другом - агрегатное состояние практически любого участника периодической таблицы, находящегося в определённых условиях.
Поскольку агрегатное состояние вещества целиком зависит от внешних факторов и к самому атому имеет отношение лишь косвенное, далее предлагается несколько иная система классификации, где главным определяющим признаком будет соотношение плотности ядра атома к физическим размерам его оболочки.
Предлагается такая схема:
Рис. 24
На этой картинке (рис. 24) изображена "принципиальная схема" атома, справедливая для любого химического вещества из периодической таблицы. В центре располагается ядро (окружность зелёного цвета), снаружи его находится оболочка (синего цвета). Очевидно, что предложенная выше схема требует дополнительных построений, ведь о свойствах такого "среднестатистического" атома можно лишь догадываться. Для повышения информативности введём специальный "маркер", который на картинке будет отмечаться красным пунктиром. Смотрим, как это выглядит:
а)
б)
в)
г)
Рис. 25
Благодаря красной пунктирной линии мы сможем отличать металл (рис. 25а) от неметалла (рис. 25б). Несколько иначе обозначим простые газы (рис. 25в), учитывая при этом, что они также относятся к неметаллам. То есть, "красная линия" останется внутри оболочки, но её мы расположим несколько ближе к центру, тем самым определив газы в самостоятельную подкатегорию. Отметим также особый класс веществ, которые сочетают в себе свойства металлов и неметаллов (рис. 25г). В радиотехнике их называют полупроводниками. Этот группу элементов мы подробно рассмотрим в теме, посвящённой электротехнике.
Зачем нужна эта линия?
Расположение красного пунктира относительно двух окружностей - ядра и оболочки, указывает на величину собственного электромагнитного поля у атома. Тем не менее, в силу значительного изменения его напряжённости по мере удаления от ядра, само поле довольно сложно отметить какой-либо одной линией, поэтому будем довольствоваться неким "средним значением", которое назовём активной зоной ядра. Такое словосочетание вовсе не претендует на почётное звание физического термина, это лишь "маркер", указывающий на степень активности собственного электромагнитного поля атома.
Отметим также, что новый "маркер" несёт в себе ещё две полезные функции. Первая - указание на степень заполнения внутреннего пространства атома элементами, составляющими ядро. Чем ближе к ядру (зелёная окружность) находится эта линия, тем меньше плотность всего атома. Вторая функция - обозначение границы, далее которой деформация оболочки атома при взаимодействии его с другими атомами невозможна, либо в значительной мере затруднена. Несмотря на то, что оболочка любого атома достаточно прочная, у некоторых типов атомов она способна деформироваться при внешнем воздействии. Последнее утверждение главным образом касается атомов простых газов, ядра которых имеют сравнительно невысокую плотность в сравнении с ядрами металлов, особенно тех, что относятся к "железной группе". Её мы обсудим достаточно подробно, но чуть позже. Продолжаем классифицировать...
Несмотря на то, что любой материальный объект во Вселенной - единственный и неповторимый, схожесть по множеству признаков, включая физический размер, в рамках развиваемой концепции указывает на принадлежность отдельного элемента к группе подобных ему объектов с присвоением общего для всех названия и собственной ячейки в периодической таблице. Здесь будет уместным сравнение со школой, в которой обучаются разные по возрасту дети, со своими интересами и пристрастиями. Пока они резвятся на школьном дворе во время перемены, определение их принадлежности к тому или иному классу - задача крайне непростая, но стоит прозвенеть звонку, как уже через несколько минут каждый будет находиться на своём месте. Если это общеобразовательная школа, то главный критерий - возраст ученика, в музыкальной школе - игра на каком-либо инструменте, в спортивной школе - специализация по виду спорта, возрасту и физическим данным. При этом двух абсолютно одинаковых людей вы там не встретите, несмотря на то, что принадлежность к группе, классу или секции будет вполне определённой. Та же ситуация и с атомами - общее "имя" в таблице элементов вовсе не говорит об их полной идентичности, оно лишь указывает на принадлежность к тому или иному "классу веществ", указывая на определённую схожесть их строения, формы или наличия у них каких-либо общих свойств.
Движемся дальше.
Как уже отмечено ранее, при взаимодействии с другими элементами оболочка атома может подвергаться деформации, порой довольно значительной. Степень её "эластичности" как раз и определяет "красная линия", далее которой изменение формы оболочки затруднено, ведь там располагаются подвижные элементы ядра. То есть, твёрдость или эластичность оболочки атома впрямую зависит от плотности его ядра. Наиболее твёрдая оболочка у атомов металлов, у неметалла ядро менее плотное, поэтому внутреннее давление внутри такого атома не слишком высокое, что позволяет оболочке упруго реагировать на внешнее воздействие. В атоме простого газа ядро располагается вполне свободно, поэтому его оболочка очень эластична, а сам атом охотно участвует в различных взаимодействиях - физических и химических.
Отметим также, что энергия любого атома практически целиком сосредоточена в его ядре, ровно в той же степени, как и в Солнечной системе, где на долю Солнца в общем "энергобалансе" приходится более 99,9% процентов всей энергии Солнечной системы. Поскольку под энергией мы понимаем любой из вариантов подвижности, то будет вполне логичным предположение о том, что элементы ядра атома перемещаются с запредельными скоростями без возможности покинуть его внутреннее пространство по собственной инициативе.
И всё же, атом нельзя в полной мере назвать "замкнутой системой". Конечно, его оболочка достаточно прочна, чтобы удерживать элементы ядра внутри себя, но она не может препятствовать проникновению внутрь атома различных "сторонних элементов", формирующих его электромагнитное поле. Некоторые из них вольются в общий круговорот, увеличивая или наоборот, снижая энергию ядра. Другие займут нейтральную позицию между ядром и оболочкой, тем самым внося посильную лепту в физическую массу атома. Третьи, едва попав внутрь, тут же устремятся наружу. Похожий процесс наблюдается в животной и растительной клетке. Роль "сторонних элементов" на себя берут различные питательные вещества, необходимые для организма либо растения. Они без особого труда проникают внутрь клетки и так же легко её покидают. Как и в случае с атомом, питательные вещества не являются частью организма, они - гости, приходящие и уходящие, выполнив ту или иную миссию.
Переходим к следующему участнику "иерархии форм":
Молекула
Для начала заглянем в учебник и посмотрим, что под этим термином подразумевает современная наука:
Молекула - мельчайшая частица вещества, имеющая все его основные химические свойства.
Теперь сравним с тем, что учебник говорит об атоме:
Атом - наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
Нетрудно заметить, что обе формулировки идентичны по смыслу, отличие лишь в используемых словах. Отсюда и тождественность таких понятий как - одноатомная молекула и атом. Для исключения путаницы в дальнейших рассуждениях, предлагается более конкретное определение:
Молекула - физический объект, состоящий из атомов, соединённых оболочками.
То есть, молекула - это комплексный объект, состоящий из нескольких атомов, оболочки которых находятся в непосредственном контакте. Одноатомные молекулы далее по тексту не обсуждаем, чтобы не создавать излишней терминологической путаницы.
Все металлы таблицы химических элементов и подавляющее число неметаллов одноатомны. То есть, с подобными себе атомами они не могут создать молекулу, соединившись в единый физический объект. Во всяком случае, в условиях, которые принято называть нормальными. Главная проблема в твёрдости оболочек, не способных к деформации, а это как раз и является необходимым условием для создания молекулы. К счастью, в природе существуют элементы, позволяющие соединять самые различные атомы в единое целое.
Простые газы
Рассмотрим подробнее группу химических веществ, которую именуют простыми газами. Их в периодической таблице всего пять - водород, азот, кислород, фтор и хлор. Сюда же причислим галогены, добавив к фтору и хлору - бром, йод и астат. Всем этим элементам Мироздание "поручило" особую роль, о которой будет сказано ниже.
а)
б)
Рис. 26
На первой картинке (рис. 26а) мы видим "принципиальную схему" типичного неметалла, также годящуюся для любого "неблагородного" газа и галогена из периодической таблицы химических элементов. Руководствуясь уже названными правилами схематичного отображения атомов, мы видим, что плотность таких ядер невысока, так как от оболочки (синяя линия) до границы ядра (красный пунктир) ещё достаточно много места. Соответственно, при взаимодействии двух таких атомов возможна деформация их оболочек. Другое следствие низкой плотности элементов - форма их ядра, близка к тороидальной. Это означает, что магнитные свойства каждого такого атома проявляются ярче, нежели у металлов и неметаллов, ядра которых тяготеют к форме сферы. Виновна в этом всё та же плотность ядра, и ему ничего не остаётся, как принять форму оболочки, которая по определению более сферична. Когда ядро чувствует себя вполне свободно внутри оболочки, оно принимает тороидальную форму, типичную для заряда. Вполне естественно, что у ядра, имеющего форму бублика, оба потенциала - магнитный и электрический выражены более явно, нежели у сферичного, а значит, его магнитные свойства проявятся ярче. Другими словами, атомы с менее плотным ядром склонны проявлять свойства притяжения и отталкивания, независимо от напряжённости их собственного электромагнитного поля. Естественно, для объединения двух таких атомов в молекулу дистанция между ними должна быть достаточно короткой. Это может быть достигнуто двумя способами. Во-первых, можно увеличить давление, что естественным образом сблизит два атома. Повышение температуры приведёт к схожему результату, поскольку оно заставит элементы ядер увеличить скорость движения, что повысит напряжённость электромагнитных полей взаимодействующих атомов. И в том и другом случае атомам проще образовать молекулу.
Подведём предварительный итог:
Несмотря на то, что электромагнитное поле простых газов заметно слабее, нежели у металлов, их магнитные и электрические свойства наоборот, проявляются ярче вследствие более чёткой ориентации в пространстве магнитного и электрического потенциалов. Нечто подобное наблюдается у обычных магнитов, когда большего размера шарообразный магнит притягивает и отталкивает хуже, чем меньший по размеру, но выполненный в виде цилиндра или параллелепипеда. В материальном мире форма предмета довольно часто играет ничуть не меньшую роль, нежели его размер.
Таким образом, атом любого простого газа, вследствие определённой формы ядра, обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Чтобы этот момент как-то акцентировать, дополним существующую схему, поместив внутрь зелёной окружности стрелку (рис. 26б), которая укажет на наличие у ядра атома заметных магнитных свойств. Этих построений вполне достаточно для объяснения механизма образования двухатомных молекул, состоящих из атомов одного химического элемента.
Смотрим далее:
б)
Рис. 27
На этой картинке (рис. 27) изображён механизм соединения отдельных атомов в двухатомную молекулу.
Поскольку ядра таких "рыхлых" атомов по своему строению практически ничем не отличаются от любого заряда, то механизм их взаимного притяжения строиться по схожим принципам:
Рис. 28
Следующая картинка (рис. 28) показывает момент объединения двух электромагнитных полей в одно, независимо от того, рассматриваем мы заряд либо атом. Такая схема вполне справедлива для атомов простых газов. Физическую модель двухатомной молекулы мы получим путём совмещения двух предыдущих картинок (рис. 27 и 28):
Рис. 29
На картинке (рис. 29) хорошо видно, что ядра атомов располагаются очень близко друг от друга, находясь совсем не по центру, где им положено, будь они отдельными атомами. Как уже было отмечено ранее, ядра простых газов тяготеют к форме бублика или баранки. Оба эти фактора являются прямым следствием "рыхлости" ядра, но именно эти особенности строения придают двухатомной молекуле не только особую механическую прочность, но и высокую химическую активность.
Традиционная наука такую связь называет ковалентной.
На основании предложенной концепции представим механизм образования трёхатомной молекулы озона.
Её возможные конфигурации:
а)
б)
в)
Рис. 30
Первый вариант (рис. 30а) эстетически красив, но вряд ли окажется прочным с позиций механики. Просто потому, что магнитные полюса каждого из атомов по отношению друг к другу располагаются под острым углом, а значит, эффективность возникающего между ними магнетизма довольно сомнительна. Второй (рис. 30б) выглядит более выигрышным, так как "магнитные линии" ядер выстраиваются лишь с незначительным отклонением от прямой. Последняя картинка (рис. 30в) показывает возможный внешний вид молекулы озона, будь у нас под рукой микроскоп, способный показать объекты таких размеров, как атом кислорода. Очевидно, что подобная трёхатомная молекула может образоваться лишь при достаточно высокой электризации окружающей среды либо в условиях высокого давления, ведь по механической прочности она заметно уступает любой двухатомной молекуле. Слабым звеном здесь будет средний атом, оболочка которого сильно сжата, для того чтобы ядра атомов находились достаточно близко друг от друга. Пока они имеют единое электромагнитное поле, трёхатомная молекула озона будет существовать в качестве вполне устойчивой системы. Как только давление на атомы кислорода снизится, их магнитные свойства уже не смогут удерживать молекулу от распада. Средний атом в молекуле станет более сферическим, что отдалит его ядро от ядра верхнего атома, либо от нижнего, что приведёт к разъединению их электромагнитных полей. "Лишний" атом покинет молекулу, а два оставшихся будут держаться друг за друга очень крепко, ведь их ядрам уже ничто не помешает находиться достаточно близко друг от друга в широком диапазоне температур и давлений.
Таким образом, двухатомная молекула, состоящая из атомов с низкой плотностью ядра, механически очень прочна. К тому же, обладает высочайшей химической активностью в сравнении с другими неметаллами, что является прямым следствием эластичности её оболочки. Собственно, этим же объясняется и высокая степень сжатия/расширения газов в сравнении с остальными элементами периодической таблицы - при росте давления такая молекула будет видоизменять свою форму до тех пор, пока между соседними молекулами вообще не останется свободного пространства. В разряженной атмосфере её оболочка будет значительно увеличиваться в размерах, что выглядит вполне логично.
Теперь вспомним, что в один ряд с двухатомными газами мы поместили также галогены - бром, йод и астат, несмотря на то, что традиционная наука их газами не считает. Для "стандартных" климатических условий это действительно так, но в рамках данного размышления мы рассматриваем природу без деления на частности, масштабируя всё, что только возможно. Поэтому температуру мы также считаем изменяемой величиной, причём, в достаточно широком диапазоне значений. К счастью, для изменения агрегатного состояния галогенов не потребуется каких-то экстремальных температур, достаточно обычной кухонной газовой плиты. К примеру, нагревая бром всего лишь до 59 градусов Цельсия, мы получим газ, по свойствам мало отличающийся от фтора или хлора с таким же резким неприятным запахом. При температуре 114 градусов йод расплавится, а после 185 станет газом, запах которого ничуть не приятнее хлора. Аналогичная ситуация и с астатом, температура кипения которого 302 градуса, а газом он станет после 337.
Памятуя о высокой степени условности такого понятия, как - агрегатное состояние, далее объединим простые газы и галогены в общую группу веществ.
Мы достаточно подробно обсудили двухатомные молекулы простых газов, у которых ядра представляет собой бублик или баранку, а их оболочка достаточно эластична для того, чтобы подвергаться деформации, необходимой для образования молекулы. Большинство химических элементов в природе при обычных условиях такими свойствами не обладают, так как по мере увеличения атомного числа растёт не только масса атома, но и плотность его ядра, а значит, давление внутри атома не позволяет его оболочке деформироваться.
Далее рассмотрим другие способы образования молекул, не ограничиваясь лишь двухатомными газами.
Сложные молекулы
Ранее мы уже сравнивали "принципиальную схему" атомов металла и неметалла. В качестве отличительного маркера мы ввели такое понятие как - активная зона ядра, обозначив его красным пунктиром.
а)
б)
Рис. 31
Согласно представленной выше картинке, ядро атома металла (рис. 31а) заполняет всё внутреннее пространство настолько плотно, что электромагнитное поле уже не помещается внутри атома, и его "выдавливает" за пределы оболочки. Именно этот фактор и является главной причиной одноатомного состояния у металлов, так как активная зона ядра создаёт серьёзный барьер для сближения с другими атомами.
Внутри атомов неметаллов (рис. 31б) места достаточно, как для самого ядра, так и для "вторичных элементов", формирующих его электромагнитное поле, что позволяет предположить о возможности соединения в двухатомную молекулу, к примеру, серы.
Теперь проведём "мысленный эксперимент":
Предположим, что двухатомными могут быть не только простые газы, но и металлы с неметаллами. Попробуем представить их "схематический образ":
а)
б)
Рис. 32
Первая картинка (рис. 32а) представляет гипотетическую двухатомную молекулу металла.
Классическая ковалентная связь между такими атомами образоваться не может, так как у сферы нет ярко выраженных магнитных полюсов, как у атомов простых газов. К тому же, для объединения двух электромагнитных полей необходимо, чтобы ядра атомов сместились относительно своих геометрических центров, что по причине их высокой плотности вряд ли возможно. К тому же, имеется взаимно встречное движение элементов электромагнитного поля, что не позволит оболочкам атомов сблизиться для возникновения между ними контакта.
Второй вариант (рис. 32б) представляется более реальным, ведь электромагнитные поля обоих атомов находятся внутри каждого из них, что механическому контакту оболочек явно не препятствуют. Но, как и в первом случае, чуда не произойдёт - ядра таких атомов достаточно плотные, а значит, имеют сферическую форму и не обладают явно выраженными магнитными свойствами.
То есть, и в том и другом случае двухатомная молекула образоваться не сможет. По крайней мере, на основе ядерного магнетизма, иначе именуемого ковалентной связью. Скорее наоборот - электромагнитные поля каждого из атомов будут стремиться оттолкнуть от себя другой атом как можно дальше. Во всяком случае, объективных причин для взаимного отталкивания атомов значительно больше, нежели для их притяжения. Получается, что все представленные аргументы свидетельствуют против образования молекул между металлами, а неметаллы могут образовать двухатомную молекулу лишь гипотетически. Конечно, если речь не идёт об ограниченном перечне химических элементов, у которых такая связь проявляется, правда, в несколько необычных для них условиях.
К таким "особенным веществам" можно причислить серу и фосфор.
Являясь типичными неметаллами, в периодической таблице они столь близко соседствуют с простыми газами и галогенами, что их способность образовывать двухатомную молекулу не кажется фантастической. Руководствуясь развиваемой концепцией, можно предположить, что оболочки этих атомов ещё достаточно эластичные, а их ядра по форме ближе к классическому заряду в форме бублика, что позволяет им проявить ядерный магнетизм. При нагревании этих веществ энергия их ядер заметно усилится, а значит, и напряжённость их электромагнитных полей, что заметно усилит вероятность возникновения общего поля. Согласно периодическому закону близость расположения серы и фосфора к другим галогенам в таблице свидетельствует об определённом сходстве их основных физических свойств, для проявления которых необходимо изменить внешние условия - давление, температуру либо то и другое одновременно.
Таким образом, при высоких температурах (выше 1000 градусов Цельсия) фосфор и сера будут вести себя так же, как и их соседи по таблице - азот, кислород, фтор и хлор. То есть, они станут простыми двухатомными газами с ярко выраженными окислительными свойствами и высокой химической активностью. Если при остывании сера становится жидкой, а затем твёрдой, вернув себе одноатомное состояние, то при резком охлаждении фосфор может сохранить двухатомную структуру даже в твёрдом виде. Можно допустить, что мышьяк, селен и даже кремний также способны образовывать двухатомные молекулы, но требуемая для этого температура должна быть значительно выше. Подтвердить или опровергнуть такую возможность можно только экспериментально.
Может показаться, что двухатомным молекулам "простых газов" мы уделили незаслуженно много внимания.
Это было необходимо для обозначения их особой роли в образовании сложных молекулярных структур, ведь именно простые газы и галогены берут на себя роль "крепежа" при соединении всех остальных элементов периодической таблицы. Всё как в обычной жизни - для того чтобы прочно соединить два твёрдых предмета, мы берём жидкий клей, намазываем его в нужных местах и прижимаем. Для успеха клею необходимо быть липким и пластичным, а чтобы обеспечить прочность и долговечность соединения, сопрягаемые поверхности мы предварительно обезжириваем. Именно такими свойствами обладают атомы простых газов и галогенов - их оболочка совмещает в себе упругость и способность к деформации, а ярко выраженные окислительные свойства позволяют "прилипать" к любой доступной поверхности. Вот и получается, что ни одна "сложная" молекула не может обойтись без этих "простых" элементов.
Нет особого смысла обсуждать строение многоатомных молекул, ведь практически все они очень хорошо изучены, достаточно протянуть руку и взять соответствующий справочник. Дабы не загромождать текст уже известной информацией, можно лишь показать возможную "механику" соединений таких молекулярных структур с опорой на предложенную концепцию. Насколько такой взгляд близок к реальности, покажет время.
А сейчас, представим их такими:
а)
б)
в)
Рис. 33
Первая картинка (рис. 33а) изображает молекулу воды. Она состоит из атомов простых газов, поэтому деформации подвергаются все три оболочки. Их ядра полярны (от слова - полюс), то есть, обладают магнитными свойствами, на что указывает стрелка, находящаяся внутри зелёной окружности, изображающей ядро атома. Вспомним, что при обсуждении озона - трёхатомного кислорода (рис. 30), картинка была схожей.
Заметим, что атомы водорода на схеме (рис. 33а) изображены крупнее, чем атом кислорода - это следствие периодического закона, выведенного Менделеевым. Он гласит следующее:
По мере увеличения номера периода (сверху вниз) атомный радиус элемента уменьшается, а его плотность возрастает.
Другими словами, с позиций "твёрдого атома", самый крупный элемент в периодической таблице - это водород, но его масса наименьшая по отношению ко всем остальным участникам таблицы вследствие низкой плотности ядра. Соответственно, кислород следует изображать кружком меньшего размера, несмотря на то, что он заметно массивнее водорода.
Существует и другой аргумент в пользу такого соотношения размеров водорода и кислорода. Ранее мы рассматривали молекулу озона - трёхатомного кислорода (рис. 30в) и отметили её недостаточную механическую прочность в сравнении с двухатомным кислородом. Молекула воды лишена такого недостатка, ведь ядро атома кислорода более плотное, при этом его оболочка имеет меньший радиус, нежели у водорода. Это значит, что изображённая на картинке (рис. 33а) конфигурация выглядит более прочной с позиций механики. Очевидно, что при других соотношениях массы и объёма атомов молекула воды будет иметь те же недостатки, что и молекула озона.
То есть, традиционное представление науки, согласно которому кислород на различных схемах изображается крупнее водорода, вряд ли соответствует действительности.
Следующая картинка (рис. 33б) иллюстрирует молекулу хлорида меди (II) CuCl2, состоящую из трёх атомов, два из которых обладают способностью к взаимному магнетизму. В этом случае также возможна ковалентная связь между двумя атомами хлора Cl, но лишь при условии, что атом меди Cu в сравнении с ними очень маленький и не мешает сближению двух полярных ядер атомов хлора. Особо заметим, что на картинке (рис. 33б) пропорции атомов даны лишь условно и не соответствуют реальному соотношению их габаритов. Очевидно, что в природе атом хлора в несколько раз больше атома меди, но для лучшей визуализации и такая картинка вполне сгодится.
Несколько иначе выглядит молекула поваренной соли NaCl (рис. 33в), так как здесь лишь один из двух элементов обладает свойствами магнитного притяжения - это газ хлор, а атом натрия не имеет собственной поляризации. То есть, связь между такими атомами лишь отчасти может быть объяснена магнетизмом, ведь объединение электромагнитных полей в этом варианте не столь очевидно, как на примере двухатомных молекул кислорода или водорода. Единственный вариант, при котором такое возможно - расположение атома натрия Na частично внутри оболочки атома хлора Cl, что вовсе не говорит о полном поглощении одного атома другим, ведь целостность оболочки каждого из них под сомнение не ставится. При этом можно сказать, что объединение электромагнитных полей двух атомов всё же состоится, поскольку при такой пространственной конфигурации атомов (рис. 33в) одно поле несомненно окажется внутри другого.
Чтобы проиллюстрировать, как такое может выглядеть в реальности, в качестве примера рассмотрим загадочный астрономический феномен, называемый Большим Красным Пятном (БКП).
Выглядит это так:
Рис. 34
Считается, что БКП представляет собой гигантский атмосферный вихрь, который является причиной вечного антициклонического шторма на Юпитере. Каковы реальные причины возникновения такого странного природного феномена, наука не объясняет, а лишь констатирует факт его существования.
Объяснение этого явления с использованием метода масштабирования может оказаться предельно простым.
А именно:
Сравнение планет с атомами вполне укладывается в концепцию, развиваемую в данном размышлении. Согласно ей Юпитер в "связке" с БКП представляет собой гигантскую молекулу, состоящую из атома газа, предположительно аналогичного атому водорода, и атома металла, как раз в тех пропорциях, какие существуют для атомов, составляющих периодическую таблицу элементов, напечатанную в учебнике химии.
В качестве дополнительного аргумента в пользу такого утверждения будет размер БКП, примерно близкий к габаритам Земли, сравнение которой с атомом железа не вызывает особого отторжения в научной среде. К тому же, содержание большого количества железа в планетарном ядре Земли уже давно приравнивается к научному факту и не требует каких-то дополнительных обоснований.
Нечто подобное Большому Красному Пятну было обнаружено в 1989 году на планете Нептун и названо Большим Тёмным Пятном (GDS-89). В 1994 году его обнаружить уже не смогли, но это вовсе не означает, что подобное пятно не появится в будущем. Размеры GDS-89 также были схожими с теми, что у БКП, из чего можно сделать осторожное предположение о некотором родстве этих двух явлений.
Таким образом, в "глобальной таблице химических элементов" Юпитер будет соответствовать водороду, а Земля - атому железа. Тогда Нептун по своим массово-габаритным характеристикам займёт среднее положение, то есть, окажется чем-то близким к атому хлора или фтора.
Насколько такого рода предположения близки к реальности, покажет недалёкое будущее.
Инертные газы
Особое место в периодической таблице занимает группа инертных газов, к которой относятся: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. Ещё эти газы называют благородными за то, что они категорически отказываются вступать во взаимодействие со всеми остальными химическими элементами. В каком-то смысле инертные газы являются антиподами простым газам, готовым образовать молекулу с чем угодно, даже с фонарным столбом, если бы такая возможность им вдруг представилась.
Попробуем разобраться, почему так происходит.
Согласно традиционным представлениям о структуре строения атома, инертность этих газов обусловлена тем, что их внешняя орбита заполнена полностью, вследствие чего возникает категорический запрет на их участие в химических реакциях, основанных на обмене электронами. Отсюда возникает сразу несколько вопросов:
Какой закон природы запрещает инертным газам обмениваться электронами?
Какие природные объекты испытывают на себе похожий запрет?
Почему гелий, имеющий всего два электрона, не может отдать хотя бы один из них, либо принять лишний?
Что за магическая цифра 8, мешающая атому инертного газа вступать во взаимодействие с другими атомами?
Пожалуй, из всех вопросов, только последний не вызывает особых трудностей.
Ответ такой:
"Восьмёрка" - вовсе не случайное число, ведь именно столько вертикальных столбцов (групп) было в "старой версии" периодической таблицы, которую преподают в школе на уроках химии. По-сути, это базовый параметр, на который ориентируется традиционная модель строения атома. Современная таблица вместо восьми содержит 18 групп, что в значительной мере расширяет возможности трактовки тех или иных свойств химических веществ, позволяя легко находить объяснения некоторым "странностям" в поведении отдельных элементов таблицы.
Всё же, вернёмся к обсуждению благородных газов...
Что мы о них знаем?
В "старом варианте" таблицы Менделеева инертные газы входили в одну группу вместе с такими металлами, как железо, никель, кобальт, платина, палладий и другими. Но принадлежность к одному столбику в таблице указывала бы на заполнение внешнего электронного слоя не только у инертных газов, но и у железа, которое охотно участвует в любых химических реакциях. Решение было найдено путём введения особого правила заполнения электронных оболочек, что позволило железу на третьем электронном уровне иметь 14 электронов, кобальту 15, никелю 16. То есть, при росте атомного числа элемента, следующий электрон добавляется не на внешнюю орбиту, что было бы оправдано, а на "подходящую" внутреннюю. В итоге у всех представителей "железной группы" на внешней орбите оказалось один или два электрона, а не восемь, как у инертных газов, относящихся к той же восьмой группе. Благодаря такому "вынужденному манёвру" металлы восьмой группы и инертные газы в новом варианте таблицы разделились, а значит, теперь нет никакой необходимости их сравнивать друг с другом.
И всё же, почему Дмитрий Иванович Менделеев считал "железную группу" металлов и инертные газы представителями одной группы элементов? Возможно, он видел в них нечто общее. Вот и пойми после этого гениев...
Движемся дальше.
Все благородные газы существуют не только в обычном для них стабильном состоянии, но и имеют множество радиоактивных изотопов. А для радона нормальным является как раз радиоактивное состояние. Это означает, что ядро такого атома изначально имеет очень высокую плотность и едва умещается внутри оболочки, со временем теряя часть собственной массы, как и положено всем радиоактивным элементам. Также стоит отметить, что радон - самый тяжёлый газ из всех инертных. Следовательно, по своему строению благородный газ вполне может оказаться обычным металлом, таким как железо или платина, но "стандартная" земная температура для него слишком горяча, и поэтому он не способен находиться в естественном для металла твёрдом состоянии. Возможно, где-то во Вселенной существуют "более прохладные" условия, при которых любой инертный газ - обычный металл, охотно вступающий в реакцию с другими представителями периодической таблицы химических элементов.
В пользу этой версии свидетельствует и тот факт, что многие металлы, находясь в газообразном состоянии, резко снижают свою химическую активность. Следовательно, предлагаемая концепция ничуть не отрицает наличия общих свойств у инертных газов и металлов восьмой группы.
Поскольку речь зашла о "нетипичных свойствах" некоторых участников периодической таблицы, справедливо будет обсудить ещё один элемент. А именно - водород Н, делящий с гелием Не весь первый период.
Как и любой другой газ, водород также не лишён некоторых "загадочных" свойств. До сих пор в среде химиков не утихает дискуссия, к какой группе его следует отнести однозначно и бесповоротно - к щелочным металлам или к галогенам. Смотрим ниже:
а)
б)
Рис. 35
Именно по этой причине в разных вариантах периодической таблицы мы можем встретить водород, расположенный, как над литием (рис. 35а), так и над фтором (рис. 35б).
Попытки "добыть" металлический водород предпринимаются давно, но пока безуспешно. Вероятная причина неудачи может состоять в том, что эксперименты проводились не с тем водородом, ведь известно минимум 4 его изотопа, имеющих отличный друг от друга атомный вес. Возможно, что пустую строчку в самом верху таблицы следовало бы заполнить различными модификациями водорода с указанием их атомного веса.
Обсуждение атомов и молекул ещё далеко от завершения, но далее по тексту мы их будем рассматривать в составе более крупных структур, у которых будет следующее название:
Кластер
Смотрим в учебник:
Кластер - объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определёнными свойствами.
Формулировка в достаточной мере информативна и точна. В качестве альтернативы можно предложить более простой вариант:
Кластер - сообщество атомов и молекул в составе единого физического объекта.
Зачем понадобился этот термин?
Кластер - следующая ступенька "иерархии форм", посредством которой возможен переход от отдельных атомов и молекул к понятию - вещество. Ранее мы рассмотрели условия, необходимые для соединения атомов в молекулы на примере простых газов и галогенов, а также определили их роль "связующего элемента" при образовании более сложных молекул. Тем не менее, остался открытым вопрос формирования материальных структур, состоящих из атомов элементов, которых в периодической таблице подавляющее большинство, но их нормальное состояние - одноатомное.
Ковалентная связь, в основе которой лежит обычное магнитное притяжение ядер, для них недоступна в силу внутреннего строения. Это означает, что должен существовать какой-то иной механизм соединения атомов и молекул в крупные материальные образования при отсутствии у них явно выраженных магнитных свойств.
Следует также отметить, что двухатомные молекулы, уже сформировавшись, в полной мере реализовали свой магнитный потенциал, и для соединения таких молекул в более крупные образования также необходим какой-то иной тип связи. В противном случае, двухатомные молекулы так и останутся газом без возможности изменить своё агрегатное состояние на жидкое или твёрдое. То есть, ковалентная связь вполне способна соединить два атома в молекулу, а в отдельных случаях даже три, но она не может быть основой для создания вещества в виде сообщества огромного количества атомов или молекул.
Поскольку в природе царит принцип разнообразия, позволяющий различным элементам образовывать достаточно крупные материальные структуры, независимо от свойств атомов и их количества, делаем вывод о существовании другого типа связи между ними, кроме ядерного магнетизма.
Осталось лишь найти его.
Фундаментальными для физики являются три начала термодинамики. Из них можно особо выделить Второй Закон термодинамики, как наиболее востребованный в повседневной жизни. Следует напомнить его в максимально упрощённом виде:
Энергия всегда движется оттуда, где её избыток, туда, где её недостаток.
Известно, что любое взаимодействие - это дорога с двусторонним движением, поэтому прямым следствием первой формулировки будет следующая:
Объекты, обладающие меньшей энергией, всегда стремятся в направлении объекта с большей энергией.
Соответственно, мы имеем два Сценария, которые в совокупности описываются Третьим законом Ньютона, который в наиболее лаконичном виде такой:
Действие равно противодействию.
Его следствием можно считать два взаимодополняющих процесса:
Движение энергии от источника.
Движение объектов к источнику энергии.
Полёт мотылька на свет электрической лампочки и звери, идущие на водопой, люди у костра и планеты, движущиеся по своим орбитам относительно своих звёзд - все эти события разные по масштабу, но "механика" у них общая. Поскольку эти два сценария являются основными в природе, то молекулы и атомы при объединении в крупные структуры тоже должны им подчиняться. Проблема лишь в том, что современная наука привыкла разделять вещество и энергию, будто бы они способны существовать друг без друга. При этом очевидно, что никакой связи между молекулами и атомами без наличия энергии быть не может.
Конечно, источников энергии в нашем мире существует великое множество, но мы их не замечаем, считая чем-то само собой разумеющимся. Даже солнечный свет порой раздражает, и мы надеваем очки с тёмными стёклами, чтобы чувствовать себя комфортнее. О том, что Солнце - источник энергии - мы впервые узнаём в школе на уроках природоведения. Когда мы видим перед собой какой-то предмет, то обычно считаем его вполне самостоятельным объектом, вообще не нуждающимся в энергии. В реальности Энергия и Масса - неразделимые свойства Материи, а значит, они всегда где-то поблизости друг от друга.
Вспомним, что внутри каждого атома имеется собственная "батарейка" - атомное ядро, и находящейся внутри него энергии вполне достаточно для того, чтобы обеспечивать возможность взаимодействия с другими объектами. Это значит, что благодаря собственным ядрам атомы металлов и неметаллов способны притягиваться друг к другу без участия магнетизма.
Означает ли это, что закон всемирного тяготения Ньютона справедлив для атомов?
Ответ на этот вопрос может быть положительным и отрицательным одновременно.
Дело в том, что формулировка закона Ньютона говорит о притяжении всех тел друг к другу без исключения, что на практике не подтверждается. Опыт с произвольно выбранными объектами обречён на провал, ведь в качестве необходимых величин в законе фигурируют лишь масса объектов и расстояние между ними. Безусловно, эти параметры важны для взаимодействия, но эффект тяготения возникает совсем по другим причинам. Главенствующими факторами здесь будут - строение взаимодействующих тел и соотношение их пространственных размеров. Обладание массой - свойство всех материальных тел, но только некоторые из них в полной мере "соблюдают" закон тяготения Ньютона, тогда как все остальные его обычно игнорируют.
Итак:
Уточним условия, при которых образуется связь между объектами, способная их удерживать вблизи друг друга на длительном промежутке времени.
Во-первых, они должны иметь максимально близкие пространственные габариты, ведь чем выше плотность элементов на единицу условного объёма, тем прочнее будет образуемый ими кластер. Во-вторых, структура их строения должна быть однотипной. Так, к примеру, кобальт, никель и медь соседствуют в периодической таблице, что указывает на схожесть, как самих атомов, так и их ядер, поэтому наиболее рентабельными для добычи никеля считаются медно-никелевая сульфидная и кобальт-никелевая силикатные руды. Вспомним об особых свойствах серы (сульфиды) и кремния (силикаты), ведь именно они здесь выступают в роли "связующего компонента".
По совокупности параметров, назовём этот природный сценарий совсем по-простому:
Подобное к подобному.
Примеры взаимной тяги между схожими по строению объектами можно перечислять бесконечно. Звери в лесу сбиваются в стаи при наступлении каких-либо неблагоприятных погодных условий, ведь сообща проще пережить холодную зиму или затяжную засуху. К тому же, в природе не принято питаться себе подобными, а значит, вопрос безопасности внутри стаи выше, чем в гордом одиночестве. Перед сезонной миграцией птицы собираются в большие группы, хотя до этого могли долгое время существовать вполне обособлено. Человек в этом смысле не слишком далёк от природы, поэтому людям также свойственно вступать в группы, команды или кружки по интересам. Даже согреться проще, если плотно прижаться друг к другу, ведь количество тепла в этом случае удваивается, а площадь охлаждаемой поверхности заметно уменьшается.
Случаи взаимной тяги подобных объектов вовсе не ограничиваются флорой и фауной. Данный сценарий реализуется на любом масштабе рассмотрения, как в сторону миниатюризации, так и в противоположном направлении. Такой тип связи в наиболее общем варианте можно назвать ядерным, ведь именно ядро атома является главным источником, обеспечивающим прочную связь между атомами в кластере.
Ядерная связь
Как уже было отмечено ранее, атомное ядро содержит в себе огромное количество энергии, так как элементов его составляющих, очень много, и они находятся в беспрерывном движении. В этом и состоит причина взаимной тяги подобных атомов друг к другу. Смотрим ниже:
а)
б)
Рис. 36
На картинках выше изображены два кластера. Один состоит из атомов металла (рис. 36а), другой из атомов неметалла (рис. 36б). Отличие лишь в расположении активной зоны ядра, но для образования кластера это не принципиально. Здесь мы видим, что ядра этих атомов не обладают какими-то заметными магнитными свойствами, а значит, они либо нейтральны по отношению друг к другу, как это происходит у неметаллов, либо отталкиваются вследствие существования у них электромагнитного поля, находящегося за пределами оболочки, как у металлов. То есть, атомы в кластере ни при каких обстоятельствах не могут соприкасаться оболочками и находятся на некотором удалении друг от друга. Тем не менее, они находятся в прочной дистанционной связи в составе структуры, которую с некоторой долей условности можно именовать кристаллической решёткой.
Далее ответим на вопрос:
Что связывает атомы между собой?
Здесь реализуется сценарий - тяготение оболочки атома к двум ядрам одновременно - к своему и чужому. Следующий блок картинок:
а)
б)
в)
Рис. 37
На первой картинке блока (рис. 37а) видим, что оболочка правого атома тянется сразу к двум ядрам - к своему (чёрная стрелка) и соседнему (синяя стрелка). Такое возможно лишь при условии значительной близости ядер соседствующих атомов. Вспомним народную поговорку:
Ласковый телёнок двух маток сосёт.
Поскольку во взаимодействии участвуют два атома, то каждая из оболочек образует собственную связь (рис. 37б), при этом оболочки атомов никак не реагируют друг на друга. Две красные пунктирные стрелки указывают на взаимное отталкивание атомов, не позволяющее им приблизиться друг к другу. Тем не менее, образованию кластера это не препятствует, так как взаимное противодействие электромагнитных полей атомов лишь незначительно ослабляет их связь, поскольку взаимодействуют друг с другом не сами ядра атомов, а их оболочки. Им одинаково приятно греться в лучах двух и более "солнц", поэтому они тянутся ко всем доступным источникам "тепла", не только к своему, но и к ядрам соседних атомов. Вспомним детский стишок:
У соседа всё вкуснее, зеленее и сочнее...
В результате возникает кластер (рис. 37в), состоящий из множества похожих друг на друга атомов, объединённых в крупное сообщество.
Теперь вспомним, что одно из условий образования кластера - близость пространственных и энергетических характеристик атомов. То есть, любой кластер формируется на основе подавляющего большинства атомов одного типа, а все другие присутствуют лишь в качестве примеси, которая может заметно ослабить общую механическую прочность образуемого ими вещества. Это явление обычно называют химической чистотой - чем меньше примесей, тем ближе параметры вещества к тем, что указываются в различных справочниках.
Почему так важен размер атомов для образования кластера?
Во-первых, здесь соблюдается условие равноудалённости элементов оболочки от ядер, что позволяет им получать максимум энергии с минимальными затратами. Очевидно, что при значительной разнице размеров это условие соблюдаться не будет. Во-вторых, не следует забывать о свойстве ядер атомов к взаимному отталкиванию. Чем выше отличие в их размерах, тем значительнее будет разница в "весовых категориях соперников", а значит, разновеликим атомам вряд ли удастся успешно соседствовать. До тех пор пока пространственные размеры атомов близки, силы тяготения превалируют над силами отталкивания, но как только отличия между участниками системы станут значительными, произойдёт её разбалансировка, и кластер распадётся на множество малых систем, в которых баланс соблюдается лучше.