Физика — XXI век
29.06.2011 г.

  На главную раздела "Научные работы"





ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ


3.1. СВОЙСТВА ГЕЛИЯ

          На рис. 6 изображены два изотопа гелия 3Не и 4Не. Из приведённых видов изотопов следует, что у 3Не нет правого (по рис. 6) нейтрона и, следовательно, часть магнитного поля молекулы водорода не связана с нейтроном и окружает молекулу, обеспечивая 3Не свойства, отличные от 4Не. Например:
          — жидкий: 3Не бурно кипит во всем объёме, а 4Не — спокойная жидкость с ясно выраженным мениском;
          — твёрдый: 3Не при одной и той же температуре в зависимости от давления может находиться в двух модификациях: α (решётка кубическая) и β (гексагональная с плотной упаковкой); имеет температуру тройной точки (3Неж3Неα+3Неβ) 3,15 К и давление 14,3 МПа; а 4Не — кристаллическая решётка гексагональная с плотной упаковкой, а тройная точка отсутствует (Л. 6).

Магнитные поля гелия при разных температурах           При снижении температуры электроны переходят на траектории с меньшим радиусом. Это приводит к снижению скорости движения электрона в генераторах, даже если сохраняется угловая скорость вращения протона. Снижение скорости электрона приводит к уменьшению количества силовых линий магнитного поля и объем, занимаемый магнитным полем в атоме гелия, уменьшается (Рис. 28).

          У 4Не изменение магнитного поля будет аналогичным, только силовые линии 6 (Рис. 28) будут проходить через второй нейтрон (Рис. 6). Когда при уменьшении объёма, занимаемого силовыми линиями 4, они будут у поверхности протонов (Рис. 28 б), гелий перейдет в жидкость. При этом у 3Не силовые линии 5 будут выходить за объем протона из-за отсутствия второго нейтрона, это приводит к тому, что жидкий 3Не бурно кипит во всем объёме, а твёрдый имеет две модификации α и β и температуру тройной точки. У 4Не линии 6 замыкаются через второй нейтрон, поэтому 4Не — спокойная жидкость с ясно выраженным мениском, а твёрдый — кристаллическая решётка и тройная точка отсутствует. Наличие линий 5 у 3Не приводит и к тому, что у него параметры физических свойств ниже, чем у 4Не (Табл. 1). Мольная теплоёмкость не исключение, а подтверждение этого факта, т. к. она показывает отношение Дж/моль, — а вес изотопа 3Не меньше, чем у 4Не.

Свойства изотопов гелия

          При снижении температуры до величины, когда объем, занимаемый силовыми линиями 5, не выходит за объем протонов (Рис. 28 в), гелий 4Не переходит в сверхтекучее состояние при температуре 2,17 К, а 3Не — при температуре 0,0026 К. Эта разница в температурах переходов в сверхтекучее состояние также происходит из-за наличия у 3Не свободных силовых линий 5.

3.2. КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

          Начиная с четвертого периода, появляются элементы с каталитическими свойствами. Рассмотрим причину наличия каталитических свойств некоторых металлов.

Изотопы некоторых металлов-катализаторов           На рис. 29 изображены атомы шести изотопов 56F, 59Co, 60Ni, 96Ru, 103Rh и 102Pd, имеющих каталитические свойства. На рисунке хорошо видно, что все валентные протоны расположены на одной грани атома и полностью заполняют края ряда ВППЭ. Т. к. именно валентные протоны являются активными элементами у атомов, то они и притягивают к себе молекулы, разрывая их на атомы. Следует отметить, что, начиная с четвертого периода, у всех элементов ВППЭ расположены на одной грани. То, что валентные протоны расположены на одной грани атома, объясняет одну из загадок каталитической химии: почему молекулам так важно, на какую именно сторону кристалла они «садятся».

Обозначение плоскостей кубического кристалла           Например, для диссоциации молекулы азота важно, на какую именно сторону, на какой именно скол кристалла она садится. В 1980-е годы было установлено, что если взять два одинаковых кристалла вольфрама и расколоть первый вдоль главных атомных плоскостей, на языке кристаллографии — в направлении (100), а второй расколоть под углом, в направлении (110), рис. 30, то каталитическая способность первого кристалла будет в сотни раз выше, чем второго. При расколе кристалла вольфрама в направлении (100) на поверхности раскола кристалла образуется в сотни раз больше активных граней атома вольфрама, что и увеличивает каталитическую способность, в отличие от раскола под углом в направлении (110).

          Действительно, чем больше атомов, образующих кристалл, будут обращены своей активной гранью, т. е. гранью, на которой расположены валентные протоны, к границе раскола кристалла, тем выше будет каталитическая способность грани раскола кристалла. Наибольшей каталитической способностью обладают элементы в виде высокодисперсных порошков (черни). Это порошки с размером элементов от 1 до 10 микрон. При таких размерах частиц порошка число атомов, активные грани которых обращены к поверхности частиц, ещё больше, чем у кристалла, и поэтому каталитическая способность ещё выше.

          Следовательно, наивысшей каталитической способностью будут обладать нанопорошки металлов-катализаторов.

3.3. СВОЙСТВА ПАЛЛАДИЯ

          Рассмотрим ещё одну из старых загадок, связанную с палладием. Его исключительная способность — поглощать, или, как говорят химики, окклюдировать в себе некоторые газы и особенно водород. Один кубический сантиметр палладия поглощает более семисот кубических сантиметров водорода. При этом прочный металл увеличивается в объёме, вспучивается и даже даёт трещины.

Схема примерных соединений палладия           Активная грань палладия не плоская, а в виде пирамиды (Рис. 29). В связи с этим палладий не способен образовывать плотные кристаллы. На рис. 31 приведена примерная схема соединений палладия. Таким образом, металлический палладий имеет строение в виде губки, т. е. между атомами существуют бесчисленные каналы, проходящие через весь металл. В эти каналы и «впитывается» газ. При губчатом строении не все ВППЭ палладия участвуют в соединении атомов. Свободные ВППЭ сохраняют каталитические свойства палладия и разрывают молекулу водорода на атомы. Атомарный водород не может удалиться далеко, т. к. находится в канале, и одна часть атомов соединяется со свободными ВППЭ, а другая отрывает ВППЭ от соседнего атома и соединяется с ним. Соединение ВППЭ с соседними атомами у всех металлов происходит за счёт обыкновенного электромагнитного притяжения, которое слабее молекулярного соединения, что и позволяет атомарному водороду разорвать соединение ВППЭ с соседним атомом и вклиниться между ними. Чем больше атомов водорода вклинивается между атомами палладия, разрывая его соединения между собой, тем больше он разбухает, а затем даёт трещины.

          При нагреве палладия до 100°С и выше молекулярные связи палладия с водородом нарушаются и водород течёт через металл.

3.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

          Анализируя строение атомов по новой теоретической модели, можно прийти к выводу, что атом — это не хаотичное расположение протонов, электронов и нейтронов, а строгое их расположение в соответствии с законами классической физики, что приводит к определённому распределению силовых линий магнитного поля. Рассмотрим внутреннее строение атомов на примере 63Cu (Рис. 32).

          Из анализа строения атома меди (Рис. 32) следует, что силовые линии магнитных полей имеют основное направление по стрелкам а (Рис. 32). У всех атомов есть общее — это строгое распределение силовых линий магнитных полей, определяемое строением атомов, и одинаковое для всех элементов направление вдоль молекул водорода.

          Как известно, магнитные поля ускоряют и направляют двигающиеся заряды, следовательно, они могут не только направить заряд в нужном направлении, но с одинаковым успехом затормозить его или запретить движение в определённом направлении. В принципе, любой атом может изменить движение заряда в зависимости от того, как он расположен относительно направления движения заряда. Таким образом, именно магнитные поля атомов являются тем инструментом, действие которого воспринимается нами как электрическое сопротивление. На рис. 32 хорошо видно, что магнитные генераторы ПЭМГ и НМГ занимают небольшую часть объёма атома. При снижении температуры у сверхпроводника, как и у гелия (Рис. 28), происходит уменьшение объёма, занимаемого магнитным полем каждым двойным ПЭМГ молекул водорода в атоме, что и приводит к появлению сверхпроводимости.

Упрощенная схема строения меди с силовыми линиями магнитных полей

          При размещении сверхпроводника во внешнем магнитном поле, его силовые линии, проходя через атомы сверхпроводника, увеличивают объем, занимаемый магнитным полем, т. е. как бы увеличивают собственное поле атома, что и приводит к снижению рабочей температуры сверхпроводимости.

          При возрастании температуры, т. е. увеличении потока фотонов, действующих на электроны, траектории электронов увеличиваются, что увеличивает скорость электрона, а следовательно, и число силовых линий. Все это приводит к увеличению объёма, занимаемого магнитным полем и, как следствие, к увеличению электрического сопротивления.

          Так как исключить магнитное поле атомов нельзя, то и получить сверхпроводимость для положительных температур только за счёт молекулярных соединений невозможно.

2.5. РАДИОАКТИВНОСТЬ

          Радиоактивность была открыта в 1896 г. А. Беккерелем, который обнаружил проникающее излучение солей урана. Э. Резерфорд экспериментально установил в 1899 г., что соли урана испускают лучи трёх типов:
          — лучи первого типа — α-лучи;
          — лучи второго типа — β-лучи;
          — лучи третьего типа — γ-излучение.

          Позднее А. Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов. Из анализа строения атомов следует, что вероятнее всего покинуть атом могут электроны ПЭМГ, т. к. они подвержены воздействию внешних и внутренних электромагнитных волн. На рис. 11 приведена схема взаимодействия ПЭМГ молекулы водорода с нейтронами в атоме.

          На рис. 33 приведена схема взаимодействия МГ молекулы водорода без электронов. Рассмотрим, что произойдёт с молекулой водорода, если электроны её ПЭМГ покинут атом. При отсутствии электронов в МГ молекулы m её взаимодействие с соседними нейтронами № 1 и № 2 примет вид как на рис. 33 а).

          На этом рисунке видно, что после удаления электронов полярность двойного генератора магнитного поля на позитронах протонов приводит к смене полюсов генератора на противоположные. Магнитное притяжение молекулы m к нейтронам № 1 и № 2 (ещё два нейтрона № 1 и № 2 расположены перед молекулой m) сменится на отталкивание (Рис. 33 б).

Схема взаимодействия магнитного генератора молекулы водорода без электронов

          Два крайних нейтрона № 2 разойдутся, освобождая молекулу m. Экспериментально у протона и нейтрона были определены гиромагнитные отношения. Из этих отношений следует, что протоны и нейтроны подобны гироскопам и могут двигаться только вдоль оси вращения или под острым углом к ней. Все четыре нейтрона № 1 и № 2 не удерживают молекулу водорода m, а выталкивают её из атома как по направлению г, так и по направлению д (Рис. 33, а) с одинаковой силой. При смене полюсов генератора молекулы m его взаимодействие с нейтронами № 3 и № 4 не изменяется и они продолжают взаимодействовать с ПЭМГ молекулы m. В результате по направлению д на молекулу m действуют две силы: первая — отталкивание нейтронов № 1 и № 2, вторая — притягивание нейтронов № 3 и № 4; а по направлению г только одна — отталкивание. Нейтроны № 3 взаимодействуют с четырьмя молекулами водорода (Рис. 33 б), и их магнитное поле делится на четыре, а нейтроны № 4 — с двумя, следовательно, нейтроны № 4 притягивают к себе молекулу m в два раза сильнее и она выходит из атома по дуге д. При этом выходе магнитная связь молекулы m с нейтронами № 4 будет сохраняться и усиливаться, т. к. молекула и нейтроны будут сближаться. В итоге из атома будет «выстреливаться» α-частица (Рис. 34), — атом гелия без электронов.
Схема взаимодействия магнитных генераторов в альфа частице
          Таким образом, вылет электронов из атома приводит к тому, что атом покидает и молекула водорода, но уже в виде α-частицы. Альфа-частица существует недолго, т. к. кроме неё из соседних атомов идёт поток β-частиц, т. е. электронов. Положительные заряды протонов остаются таковыми и при их вращении, в результате они подхватывают свободные электроны и α-частица превращается в гелий.

          Из радиотехники известно, что одной из эффективных антенн для излучения электромагнитных волн является полуволновой вибратор, т. е. когда размеры антенны l = λ/2. У радиоактивных элементов γ-излучение — электромагнитное излучение, длина волн которого является наименьшей в природе и его источником является атом. Известны изотопы кобальта 60Co и цезия 137Cs, которые используются в качестве источника гамма-излучения для медицинских и технических целей (Гамма-аппараты). При этом защита для цезиевого источника в полтора—два раза тоньше, чем для кобальта. Это свидетельствует о том, что длина волны γ-излучения у кобальта в 1,5—2 раза меньше, чем у цезия. На рис. 35 изображены изотопы 60Co и 137Cs.

Виды изотопов кобальта и цезия

          Виды сверху у обоих изотопов практически одинаковы. ВППЭ цезия 137Cs, находящийся на боковой грани, на резонансные свойства атома не влияет. Т. е. размеры этих изотопов при виде сверху одинаковы, а виды с боков показывают, что «высота» у цезия больше, чем у кобальта, почти в два раза. Таким образом, эти изотопы отличаются одним размером — по высоте.

          Электромагнитное γ-излучение этих изотопов свидетельствует о том, что в атомах происходит электромагнитный автоколебательный процесс по «высоте» атомов, и длина волны соответствует высоте атомов. Протоны и нейтроны — сверхпроводники, следовательно, колебательный процесс в атоме может происходить очень долго. Чем дольше длится автоколебательный процесс в атоме, тем дольше время существования изотопа. Если определить скорость распространения электромагнитной волны в атоме, то по длине волны можно будет определять «высоту» атомов.

          Известен поверхностный эффект (скин-эффект), когда токи высоких частот идут только по поверхностному слою проводника (Л. 7). В атоме также проявляется скин-эффект, т. е. резонансные токи текут по граням атомов. Т. к. токи текут по граням, то они влияют на траектории электронов недостаточно для того, чтобы выбить электроны из ПЭМГ. Однако γ-излучение соседних атомов действует на атом как на приёмную антенну и при совпадении фазы тока, вызываемого γ-излучением соседних атомов, токи в атоме будут возрастать, что и приведёт к выбросу электронов. Воздействие γ-излучения на нерадиоактивные элементы вызывает у них появление собственных автоколебательных электромагнитных процессов, которые и являются наведённой радиоактивностью. Так как γ-излучение есть результат электромагнитного автоколебательного непрерывного процесса в атоме, то и энергия этих волн (Е > 106 эВ) значительно больше, чем энергия волн видимого диапазона, возбуждаемых электронами при переходе с дискретных траекторий.

          Альфа-распад — выбрасывание из ядра атома альфа-частицы –– является не случайным процессом, а результатом последовательных явлений, происходящих в атоме. Т. е. первое — в атоме возникает автоколебательный электромагнитный процесс, который при дополнительном внешнем воздействий γ-излучением на атом выбивает из ПЭМГ электроны — β-лучи — это второе, а вылет электронов приводит к «выстреливанию» атомом молекул водорода, которые при выходе образуют с крайними нейтронами α-частицы — третье.

          Аналогичным образом можно проанализировать и другие виды радиоактивных превращений.



В начало                               Продолжение
 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить