Необходимые предварительные замечания.
Согласно концепции «цифрового» физического мира [8], каждый атомарный электрон связан только с одним протоном ядра – через попеременные «отключения» зарядов в такой паре: когда наличествует элементарный положительный заряд + e у протона, находится в небытии элементарный отрицательный заряд – e электрона, и наоборот. Частота W этих попеременных прерываний зарядов прямо определяется энергией связи E св в этой паре, через соотношение E св= h W, где h – постоянная Планка. Если скважность этих попеременных прерываний составляет 50%, то пол-периода в бытии находится положительный заряд, а другие пол-периода – отрицательный заряд, поэтому, на временах даже ~10-13 с, заряд связки «протон-электрон» является, в среднем, нулевым. Но в валентных связках «протон-электрон» [1] допускается сдвиг скважности прерываний заряда от среднего 50%-ного значения. При таком сдвиге тот или иной заряд доминирует во времени – это состояние атома с равными количествами протонов и электронов мы называем зарядовым разбалансом. Статическими зарядовыми разбалансами, т.е. проимитированными ненулевыми зарядами, «нейтральные» атомы способны откликаться на внешнее «электрическое поле». Переменный же зарядовый разбаланс в атомарной связке «протон-электрон» имеет место, например, при наличии в этой связке энергии возбуждения E возб – при этом скважность прерываний зарядов периодически изменяется с полным размахом, от 0% до 100%, на частоте f, определяемой соотношением E возб= hf. Таким образом, наличие энергии возбуждения в валентной связке «протон-электрон» означает, что её эффективный заряд колеблется от – e до + e на частоте, соответствующей энергии возбуждения.
Модель физической связи на переменных зарядовых разбалансах.
Наиболее вероятная энергия теплового возбуждения у атомов из ансамбля, находящегося в тепловом равновесии при температуре T, соответствует максимуму спектра равновесного излучения и равна 5 kT, где k – постоянная Больцмана. У пары атомов, имеющих такие энергии возбуждения, эффективные заряды изменяются от – e до + e на одинаковой частоте, равной 5 kT/h. Рассмотрим, что произойдёт при сближении двух таких атомов. По логике программ, обеспечивающих электромагнитные явления, зарядовые разбалансы откликаются на внешние электрические воздействия – отрицательный зарядовый разбаланс индуцируется благодаря наличию внешнего положительного заряда, и наоборот. Поэтому при сближении двух атомов, в которых колебания зарядов, имитированных зарядовыми разбалансами, происходят на одинаковой частоте, взаимоиндукция приведёт к установлению режима противофазности колебаний эффективных зарядов в нашей паре атомов. Тогда, если колебания эффективного заряда в одном из этих атомов описываются синусоидой + e × sin (2p ft), а в другом
- e × sin (2p ft), то между атомами будет действовать сила кулоновского притяжения, пропорциональная e 2× sin 2(2p ft) – см. Рис.1. Это пульсирующее кулоновское притяжение и обеспечивало бы связь на переменных зарядовых разбалансах.
Рис.1
Пара атомов, соединённых такой связью, в электрическом отношении представляла бы собой осциллирующий диполь, два предельных состояния которого, с зарядами на его концах + e и – e, схематически показаны на Рис.2. При этом частота fТ осцилляций дипольного
Рис.2
момента соответствовала бы энергии квантов теплового возбуждения, т.е. определялась бы соотношением hfТ= 5 kT. Может ли из таких осциллирующих диполей быть построено твёрдое тело, например, ЩГК? Для устойчивости такой структуры необходимым условием являлась бы синхронизация осцилляций диполей, из которых она построена. Такая синхронизация возможна лишь при одинаковости частот этих осцилляций, т.е., по логике вышеизложенного, при одинаковости энергий квантов теплового возбуждения у всех атомов, входящих в состав кристалла. Тогда кристалл имел бы тепловой равновесный спектр, у которого максимум совпадал бы с максимумом планковского спектра, но ширина была бы гораздо меньше, чем у планковского. Так ли это в действительности?
Мы не нашли ответа в литературе, поэтому проделали экспериментальную проверку. В качестве дисперсионного элемента, разворачивающего тепловой спектр по углу, мы использовали отражающую дифракционную решётку с периодом 40 m, которую мы изготовили на полированной стали с помощью технологического волоконного лазера; в качестве фотоприёмника мы использовали тепловизор MobIR M8, перед объективом которого установили пластиковую щелевую диафрагму. Угловое сканирование рассеянного решёткой излучения выполнялось с помощью механической сборки гониометра ГС-30. Результирующие спектры – дифракционно неуширенный нулевой максимум, соответствующий зеркальному отражению, и первые боковые максимумы, соответствующие плюс и минус первому порядкам дифракции – прописывались по разности сигнальной и фоновой температур, измерявшихся тепловизором. Мы обнаружили, что при температуре образцов »330оС (измерявшейся контактным способом, с помощью термопары «хромель-алюмель») ширины боковых максимумов от монокристаллов LiF, CsI, NaCl, KBr и KCl ничуть не уже, чем от «обычных» материалов – таких как кремень, камень, стекло, кварц, сталь, латунь. Причём, измеренные ширины вполне согласуются с теоретическими – для планковского спектра с максимумом на l»5 m (330оС) при использовавшемся наклонном падении коллимированного пучка на решётку. Таким образом, спектр теплового возбуждения у названных ЩГК не уже, чем планковский, поэтому вышеизложенная модель физической связи на переменных зарядовых разбалансах является нерабочей. В самом деле, если для стабильности структуры твёрдого тела требовалась бы одинаковость энергий теплового возбуждения у всех атомов, то такая структура была бы термически неустойчива: она разрушалась бы при довольно слабом локальном тепловом воздействии.
Модель физической связи на статических зарядовых разбалансах.
В этой модели, сцепка пары атомов из-за их кулоновского притяжения также обеспечивается разноимёнными зарядовыми разбалансами в этих атомах – но не переменными, а статическими. Образование такой связи возможно даже при различных энергиях квантов теплового возбуждения у сблизившихся атомов. Действительно, у таких атомов колебания эффективных зарядов, с размахом от – e до + e, происходят на различающихся частотах, соответствующих их энергиям теплового возбуждения. Результирующая кулоновская сила изменялась бы, имея гармоническую компоненту на разностной частоте – и притяжение не доминировало бы над отталкиванием – если бы не свойство разноимённых зарядовых разбалансов индуцировать друг друга. Благодаря этому свойству, кулоновское притяжение должно иметь преимущество перед отталкиванием, поскольку для сблизившихся атомов должен быть наиболее вероятен следующий сценарий. При первом же совпадении во времени двух предельных разноимённых зарядовых разбалансов в этих атомах – т.е., имитирующих эффективный заряд + e у одного атома и – e у другого – из-за влияния друг на друга через взаимоиндукцию, зарядовые разбалансы «зависнут» в этих состояниях. Причём, для обособленной пары атомов, ни у того, ни у другого не должно быть преимуществ в «зависании» положительного или отрицательного зарядового разбаланса – т.е., любой из этих атомов с равным успехом может оказаться в состоянии, имитирующем как положительный, так и отрицательный ион (см. Рис.2).
Логика поддержания образовавшейся кулоновской сцепки подразумевает, что сцепленные атомы способны неопределённо долго оставаться в состояниях с предельными разноимёнными зарядовыми разбалансами. Тогда уместен вопрос по линии закона сохранения энергии. Зарядовый разбаланс, имитирующий заряд + e, означает остановку квантовых пульсаций атомарного электрона, энергия которых составляет 511 кэВ; зарядовый разбаланс, имитирующий заряд – e, означает остановку квантовых пульсаций, соответствующих элементарному положительному заряду в протоне – их энергия также составляет 511 кэВ. Не приводит ли «зависание» двух зарядовых разбалансов в предельных разноимённых состояниях к пропаданию энергии, эквивалентной двум массам электрона? Нет, не приводит. Названная энергия не пропадает, а превращается в энергию двух статических зарядовых разбалансов. Как мы излагали ранее [9], энергия статического зарядового разбаланса в предельном состоянии, имитирующем заряд + e или – e, составляет как раз 511 кэВ.
Что касается эффективности образовавшейся кулоновской сцепки атомов, то формально её можно охарактеризовать кулоновской энергией Q 1 Q 2/4pe0 r, где Q 1 и Q 2 - проимитированные заряды + e и – e, e0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, r - пространственное разделение проимитированных зарядов (см. Рис.2). При r =1.5 Å, названная энергия составляет примерно 10 эВ. Но энергии связи – в традиционном понимании – у такой сцепки атомов нет: в отличие от случая рекомбинации электрона и положительного иона, когда высвечивается соответствующий квант, при образовании физических связей (как и химических [2]!) соответствующие кванты не высвечиваются.
Итак, согласно нашей модели, физическая связь обеспечивается кулоновским притяжением, но она связывает не ионы, а атомы, у которых количества электронов остаются прежними. При разрушении такой связи, электронейтральность атомов не требуется восстанавливать возвращением электрона от одного атома к другому.
В целом, механизм физической связи между атомами принципиально отличается от механизма химической связи (см. нашу модель [2]). Тем не менее, как и в случае химической связи, для образования физической связи требуются две валентные связки «протон-электрон» – по одной от каждого из двух связуемых атомов. Но если для стабилизации химической связи требуется один квант теплового возбуждения, который циклически перебрасывается из одного атома в другой [2], то для физической связи требуется два кванта теплового возбуждения, по одному на каждый из двух связуемых атомов.
Названная неодинаковость количеств квантов теплового возбуждения, требуемых для образования химической и физической связей, играет ключевую роль в вопросе о том, какая образуется связь – химическая или физическая; этот вопрос мы планируем рассмотреть в отдельной статье.