Этот «цифровой» физический мир - Андрей Гришаев

На наш взгляд, более разумным является подход в терминах валентных электронов, причём количества валентных электронов в атомах являются, несомненно, целыми. Для устранения недоразумений с дробными валентностями необходимо допустить, что валентный электрон способен, при определённых условиях, быть связан не только с одним чужим валентным электроном, но и с несколькими – через циклические переключения химических связей (5.12). В стационарной же химической связи всегда задействованы только два валентных электрона – по одному от каждого из связанных атомов.

Отличительный признак валентных электронов, на наш взгляд, таков: валентные электроны входят в состав тех атомарных связок «протон-электрон», у которых способность продуцировать зарядовые разбалансы (5.1) задействована. Невалентные электроны входят в состав тех связок «протон-электрон», у которых скважность связующих прерываний не может изменяться – она зафиксирована на центральном, 50-процентном значении. Валентные же электроны входят в состав валентных связок «протон-электрон», у которых скважность связующих прерываний может изменяться (5.1). Именно валентная связка «протон-электрон» может иметь энергию нерезонансного возбуждения, попадающую в континуум между стационарными квантовыми уровнями. Причём, энергия нерезонансного возбуждения представляет собой энергию колебаний зарядового разбаланса, т.е. гармонических колебаний скважности связующих прерываний – с полным размахом, от 0% до 100%, и с частотой, равной частоте кванта возбуждения (5.1).

Наличие названной дополнительной степени свободы у валентных связок «протон-электрон», по сравнению с невалентными, означает, что, при пребывании атома в условиях теплового равновесия, его валентные связки значительную часть времени испытывают колебания зарядового разбаланса – с полным размахом и со спектром частот, соответствующим планковскому равновесному спектру. У валентных электронов, таким образом, связующие прерывания, с периодом ~10-16 с, испытывают более длиннопериодические осцилляции скважности, с периодом h/5kT, где h - постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, T - абсолютная температура. При комнатной температуре этот период составляет ~3.2·10-13 с. На Рис.5.4 схематически изображена результирующая картина модуляций у электронных пульсаций протона и электрона в валентной связке.

Рис.5.4 Показан один период «тепловых осцилляций» в валентной связке. Высокочастотное заполнение – электронные пульсации.

При тепловом равновесии, как можно видеть, в валентной связке «протон-электрон» происходят своеобразные «тепловые осцилляции»: при значении скважности прерываний вблизи 0%, электронные пульсации протона находятся «в тепловом бытии», а у электрона – «в тепловом небытии», а при значении скважности вблизи 100% ситуация противоположная. В отличие от частоты этих тепловых осцилляций, их фаза не является энергетической характеристикой – она может свободно перестраиваться.

5.5. Как нейтральные атомы присоединяют лишние электроны и протоны.

Многие нейтральные атомы способны самопроизвольно присоединять к себе электроны – превращаясь, таким образом, в отрицательные ионы. Квантово-механический анализ этого феномена (см., например, [М1]) использует те же подходы, что и при анализе атомных структур – где эти подходы решают чисто подгоночные задачи, не объясняя физических принципов, на которых удерживаются атомарные электроны. Представляя атомарный электрон в виде своеобразной размазни, называемой электронным облаком, наука до сих пор не выработала ответа на элементарный вопрос – что удерживает электронное облако от схлопывания на ядро, из-за кулоновского притяжения к нему. Развивая этот подход, неадекватный физическим реалиям, полагают, что присоединённый атомом электрон тоже размазывается в электронное облако, и подбирают ряд произвольно вводимых подгоночных констант таким образом, чтобы энергия результирующей системы была меньше, чем энергия основного состояния нейтрального атома [М1]. С неменьшим успехом можно было выполнить подгонку для случаев гораздо большего числа присоединённых электронов, чем это имеет место в действительности – если бы не спасительный принцип Паули: «атомы с полностью заполненными оболочками не могут образовать стабильных отрицательных ионов. Это обусловлено тем, что в таких случаях налипающий электрон должен быть захвачен в связанное состояние с главным квантовым числом, на единицу превышающим аналогичный показатель для внешних атомных электронов. Действующее на электрон эффективное поле обычно слишком слабо, чтобы такие стационарные состояния могли образоваться» [М1].

Между тем, и без принципа Паули, из опыта хорошо известно, что присоединять лишние электроны способны те атомы, которые имеют валентные электроны, и что атом способен присоединить столько лишних электронов, сколько валентных электронов он имеет. Так, атомы щелочных металлов способны присоединять не более одного электрона, атом же углерода способен превратиться в четырёхкратный отрицательный ион – и в справочниках, дающих значения энергии сродства атомов к электрону, иногда приводится соответствующая энергия для случая присоединения четырёх электронов к углероду [Т2,С1]. Присоединение лишнего электрона к атому, имеющему незанятый валентный электрон, мы представляем следующим образом.

Пусть свободный электрон, имеющий ничтожную кинетическую энергию, окажется в области удержания (4.9) валентного электрона, не участвующего в создании химической связи. Несмотря на то, что в этой области пространства действует алгоритм прерываний электронных пульсаций, который обеспечивает формирование связки «протон-электрон», этот алгоритм, как мы полагаем, может действовать только на один электрон. Иначе нарушался бы сам принцип формирования этой связки, который основан на однозначных циклических перебросах энергии. Поэтому квантовые пульсации гостевого электрона поначалу не будут испытывать никаких манипуляций. Казалось бы, валентная связка должна реагировать на столь близкий свободный электрон – производя сильный положительный разбаланс. Однако, более разумным выглядит допущение о том, что подобная реакция может иметь место лишь когда возмущающий заряд находится за пределами области удержания валентного электрона – при попадании же свободного заряда в эту область, разбалансовая реакция валентной связки на этот заряд отключается. О таком положении дел свидетельствует известный факт: регистрируемые с помощью масс-спектрометров однократные отрицательные ионы имеют удельный электрический заряд, равный отношению одного элементарного заряда к массе нейтрального атома-субстрата, с поправкой на массу присоединённого электрона [Э1]. Если электроны, присоединённые к атомам, индуцировали бы в них положительные зарядовые разбалансы, то удельные заряды отрицательных ионов были бы заметно меньше тех, которые наблюдаются на опыте.

Как же работает механизм удержания присоединённого электрона? Заметим, что валентный электрон, на промежутках своего «теплового бытия» (5.4), практически ничем не будет отличаться от гостевого свободного электрона. При этой ситуации должна иметь место ненулевая вероятность переключения связующего алгоритма с валентного электрона на гостевой – тем более что именно при «тепловом бытии» валентного электрона, такое переключение не потребует скачка фазы у тепловых осцилляций в валентной связке. В результате такого переключения, два электрона поменяются ролями: гостевой валентный электрон войдёт в состав обновлённой валентной связки, а бывший валентный электрон станет свободным, с ничтожной кинетической энергией. В какое-то из пребываний нового валентного электрона в «тепловом бытии», переключение связующего алгоритма может произойти вновь, и т.д. Последовательность таких переключений может продолжаться неопределённо долго – и, как можно видеть, валентная связка способна удерживать два электрона, поочерёдно включая их в свой состав. Чтобы остановить этот нештатный режим работы валентной связки, требуется тем или иным способом удалить один из электронов из области удержания – затратив энергию, которую и называют энергией сродства атома к электрону.

Подчеркнём, что такое удержание валентной связкой двух электронов ничуть не противоречит закону сохранения энергии. При вышеописанном переключении связующего алгоритма, энергия связи валентного электрона становится нулевой, а его собственная энергия становится полной – но это происходит за счёт противоположного перераспределения энергий у гостевого электрона. Таким образом, при присоединении электрона и последующем удержании пары электронов валентной связкой, происходят всего лишь локальные переносы состояния с одного электрона на другой – с соответствующими перераспределениями их энергий. Поэтому присоединение лишнего электрона не вызывает энергетических откликов в окружающем мире – в частности, излучением квантов оно не сопровождается.