А.Т.Серков Реальная физика Галилео Галилей А.К. Тимирязев Л.П. Хорошун к списку физиков
PACS 31; 32.30.Rj
УДК 539.26
А.Т. Серков, А.А. Серков
ООО НИЦ (Научно-инженерный центр) «Углехимволокно»,
141 009. Московская обл., г. Мытищи, ул. Колонцова, д. 5. e-mail: arkady07@rambler.ru
Рассматривается механизм образования волн де Бройля, представление о которых лежит в основе теории корпускулярно-волнового дуализма и волновой механики. Анализируется поведение потока электронов в кристаллической решётке при воздействии на него микрогравитационных сил притяжения атомов, образующих кристаллическую решётку. Электроны под действием притяжения изменяют траекторию (орбиту) своего полёта. В зависимости от удаления электрона от атома орбита электрона становится эллиптической, параболической, гиперболической или остаётся прямолинейной. Происходит рассеяние потока электронов, которое макроскопически воспринимается как их дифракция на кристаллической решётке. Следовательно «волновые» свойства электронов объясняются в рамках обычной механики орбитального взаимодействия частиц при величине константы в законе тяготения 1,847·1028см3/гс2 и не могут быть экспериментальным обоснованием волновой механики.
Открытие волн де Бройля сыграло большую роль в квантовой механике и послужило основой для развития одного из её основных разделов – волновой механики. Де Бройль предположил, что движущаяся частица, обладающая энергией Е и скоростью v, характеризуется некоторым внутренним периодическим процессом с частотой E/h = ν, где h- постоянная Планка. Любая движущаяся частица (например, электрон) ведёт себя не только как локализованный в пространстве перемещающийся объект (корпускула), но и как волна (волновой дуализм). Длина волны частицы определяется формулой λ = h/р, где р – импульс частицы. Если частица имеет массу m и скорость v, то импульс частицы р = mv и дебройлевская длина волны связаны соотношением:
λ = h/mv. (1)
Существование волн де Бройля доказывается многочисленными экспериментами, в которых частицы ведут себя как волны. Так при рассеянии пучка электронов с энергией 100 эВ на упорядоченной системе атомов кристалла, играющего роль дифракционной решётки, наблюдается отчётливая дифракционная картина. Наличие волн де Бройля лежит в основе работы электронного микроскопа, разрешающая способность которого намного порядков выше, чем у оптического микроскопа, что позволяет наблюдать молекулы и атомы. Метод дифракции частиц в настоящее время широко используется при изучении строения и свойств вещества.
Описанное явление двойственного поведения электрона как частицы и как волны получило в физике название, как корпускулярно-волновой дуализм. В сочетании с принципом неопределённости дуализм поведения электрона положен в основу современного описания строения и функционирования атома. Вот как даётся картина атома в этом случае: «Если бы атом водорода в наинизшем энергетическом состоянии можно было бы сфотографировать с большой выдержкой, то мы увидели бы электронное облако с переменной плотностью. Электрон можно с разной вероятностью обнаружить в любой точке этого облака». Такой подход к атомной проблеме вызывает неудовлетворённость у значительной части исследователей. Имеется явный общественный «заказ» на детерминистский подход. В этом сообщении делается попытка восполнить потребность в этой неудовлетворённости.
Ранее [1] была подтверждена гипотеза П. Лапласа «о видоизменении гравитационных сил в молекулярные» при увеличении плотности вещества микрочастиц до 1012 г/см3. Ядро и электроны в атоме взаимодействуют между собой по обратно квадратичному микрогравитационному закону, в котором константа в 1036 раз больше ньютоновской константы и равна 1,847·1028 см3/гс2. Необычно большое значение микрогравитационной константы приводит к тому, что силы притяжения имеют очень большую величину, но действуют на чрезвычайно малых расстояниях. Это приводит к явлению аналогичному дифракции света. Поток электронов, взаимодействуя с ядрами атомов, рассеивается, причём картина рассеяния зависит от порядка расположения атомов, скорости потока электронов и силы взаимодействия между атомами и электронами. Таким образом, появляется возможность объяснить волновые свойства электронов на основе микрогравитационного взаимодействия частиц с привлечением закономерностей динамики орбитального движения, не прибегая к волновым представлениям и волновой механике.
Микрогравитационное взаимодействие потока электронов с атомами кристаллической решётки выражается уравнением микрогравитации, которое аналогично уравнению гравитационного закона Ньютона:
f = gmema/r2, (2)
где f - сила взаимодействия, g - константа микрогравитации, me и ma - соответственно масса электрона и ядра атома, r - расстояние между атомами в кристаллической решётке.
Оценка силы взаимодействия электронов, расположенных на разном расстоянии от ядра атома, выполнена для кристаллического никеля, на котором впервые была показана дифракция электронов. Зависимость силы притяжения электрона ядром атома никеля от радиуса атома показана на рис.1. Расчёт силы f выполнен по уравнению (2) при значении константы микрогравитации 1,847·1028 см3/гс2. Межплоскостное расстояние в кристалле Ni равно 90,9 пм. Радиус атома по литературным данным 124 пм. Атомная масса 58,69. Масса электрона принята равной 0,294·10-24г.
Как показал расчёт, во внутренних оболочках атома никеля на расстоянии 10 пм от ядра электрон испытывает достаточно сильное притяжение равное 0,53 дин. С увеличением радиуса сила притяжения квадратично снижается и на равно удалённом расстоянии от атомов Ni в кристаллической решётке составляет всего 0,026 дин, то есть падает в 20 раз. Столь сильное снижение силы притяжения электрона ядром на малом расстоянии приводит к большому градиенту силового взаимодействия и сильному рассеянию потока электронов. Степень рассеяния может быть определена с использованием уравнений динамики орбитального движения электронов под действием силы притяжения ядер атомов.
В случае, когда кинетическая энергия электрона равна его потенциальной энергии, электрон за счёт микрогравитационной силы притяжения со стороны ядра атома захватывается ядром и выводится из потока. Это крайний случай рассеяния. Резкое уменьшение силы притяжения наблюдается при увеличении расстояния от ядра на 20-25 пм. Увеличение расстояния от ядра ведёт к снижению силы притяжения и переходу к движению по менее искривлённой параболической, а затем гиперболической траектории. Рассеяние потока электронов снижается. Наконец, на равном расстоянии от атомов кристаллической решётки рассеяние отсутствует.
Рис.1. Зависимость силы притяжения f электрона ядром атома никеля от радиуса r.
Микрогравитационная сила взаимодействия вызывает отклонение от прямолинейного движения электронов, что аналогично явлению дифракции света. Это отклонение можно рассматривать как дифракцию электронов. Схема взаимодействия потока электронов с атомами кристаллической решётки приведена на рис.2.
Рис.2. Схема взаимодействия потока электронов с атомами кристаллической решётки:
n0 - поток электронов, а и а1 - атомы кристаллической решётки, r- расстояние между атомами, 1 - эллиптическая орбита, 2 - параболическая орбита; 3, 4 и 5 - гиперболические орбиты, 6 - прямолинейная первоначальная траектория полёта потока электронов, 7 - кривая распределения плотности потока электронов в зависимости от расстояния между атомами, ni/n0-относительная плотность электронов в потоке, h - полу высота пика максимальной плотности, b - ширина кривой распределения плотности при полувысоте пика максимальной плотности.
Поток электронов плотностью n0 движется между атомами кристаллической решётки а и а1, расположенными на расстоянии r друг от друга. В зависимости от начальной скорости и расстояния от атома электроны могут двигаться по замкнутой эллиптической (1), разомкнутой параболической (2), гиперболической (3,4,5) или прямолинейной (6) орбите.
Отклонение траектории движения электрона от первоначального прямолинейного направления приводит к их рассеянию, которое на рисунке показано кривой (7), выражающей зависимость относительной плотности электронов ni/n0 от расстояния между атомами кристаллической решётки r. По аналогии с рентгенографическим подходом степень рассеяния электронов будем характеризовать по отношению ширины пика b к половине его высоты h, то есть по b/h. Эта величина, по-существу, аналогична длине волны, так как характеризует линейный размер пучка электронов и ширину образуемого рефлекса на экране. Линейный размер пучка в свою очередь определяет разрешающую способность электронного микроскопа. Разрешающая способность, как известно, зависит от длины волны и для электронного микроскопа в 1000 раз больше разрешающей способности оптического микроскопа.
В соответствии с уравнением (1) длина волны летящей частицы уменьшается с увеличением массы и скорости частицы. В рассматриваемом случае увеличение массы и скорости приводит к уменьшению отношения b/h, то есть диаметра электронного луча и соответственно к увеличению разрешающей способности, что согласуется с выводами теории де Бройля и экспериментальными данными. В то же время явление дифракции электронов рассматривается без привлечения волновых представлений, а на основе классических физических закономерностей, в частности динамики орбитального движения. Необходимым и достаточным условием такого подхода к решению проблемы является принятие в качестве достоверной гипотезы П.Лапласа «о видоизменении гравитационных сил в молекулярные» при повышении плотности вещества в элементарных частицах до 1012 г/см3 и величине константы в законе тяготения 1,847·1028см3/гс2.
Вместе с тем предположение де Бройля о том, что «движущаяся частица, обладающая энергией E и скоростью v, характеризуется некоторым внутренним периодическим процессом» имеет свой смысл, если к двум параметрам Е и v, добавить третий – силу f, обуславливающую движение. Схема на рис.2 отражает два крайних случая. В первом случае, когда электрон находится на равном расстоянии от притягивающих атомов и силы уравновешиваются, он движется прямолинейно и никакой периодичности в его движении не наблюдается.
Во втором крайнем случае, когда потенциальная энергия притяжения и кинетическая энергия движущегося тела или сила притяжения и сила инерции равны, то происходит принципиальное изменение характера движения. Оно начинает осуществляться по эллиптической или круговой орбите, то есть становится периодическим, колебательным. Но конечно это не означает, что движущаяся частица превратилась в волну. Она просто стала осуществлять колебательное движение.
Рассмотренное явление можно перенести на макро объекты. Любому движущемуся макро телу (спутник, планета) присуще обладание «внутренним периодическим процессом», если выполняется условие перехода от поступательного движения к орбитальному, то есть периодически повторяющемуся колебательному движению:
Ек = Ер = M2v2/2 = GM1M2/R или v2 = 2GM1/R, (3)
где Ек и Ер- кинетическая и потенциальная энергия тела, М1 и М2- масса центрального и орбитального тела, v- скорость орбитального тела, R- расстояние между телами. В случае перехода макро тел к колебательному движению при расчёте естественно учитывается ньютоновская гравитационная постоянная.
1. Рассчитана сила микрогравитационного притяжения электронов атомами никеля в кристаллической решётке. На расстоянии 10 пм от ядра атома она равна 0,53 дин. С увеличением расстояния квадратично уменьшается и на одинаковом удалении от атомов Ni составляет 0,026 дин. Большой градиент силы притяжения приводит к значительному отклонению траектории полёта электронов и их рассеянию, которое макроскопически воспринимается как дифракция электронов.
2. Дифракция электронов может быть объяснена на основе классических физических законов, если признать адекватность гипотезы П.Лапласа «о видоизменении гравитационных сил в молекулярные» при увеличении плотности вещества в элементарных частицах до 1012 г/см3.
3. Теория корпускулярно-волнового дуализма и волновая механика не подтверждаются явлением дифракции электронов, которое объясняется в рамках классических физических законов тяготения и орбитального движения.
А.Т.Серков Реальная физика Галилео Галилей А.К. Тимирязев Л.П. Хорошун к списку физиков
