- 1 - Čtvrtá přednáška na téma axiom jednoty VÝVOJ ATOMOVÝCH TEORIÍ. Ph. M. Kanarev. 1. Úvod

Transkript

1 - 1 - Čtvrtá přdnáška na téma axiom jdnoty VÝVOJ ATOMOVÝCH TORIÍ Ph. M. Kanarv -mail: kanil@mail.ru 1. Úvod Milí hldači vědcké pravdy, již znát podmínky pro zavdní axiomu jdnoty. Axiom jdnoty nám pomohl najít rovnic pro výpočt spktr atomů a iontů, z nichž vyplývá absnc orbitálního pohybu lktronů v atomch. Nyní bychom měli pochopit podstatu omylnosti postulátů a atomových torií, ktré dokazují orbitální pohyb lktronu. Stručný přhld těchto postulátů a torií j podán v kniz [1]. První myšlnka, týkající s struktury atomu, byla torticky zdůvodněna Nilsm Bohrm v roc 1913 a byl za to odměněn Noblovou cnou. Hypotéza týkající s kvantovaného orbitálního úhlového momntu L lktronu atomu vodíku j jho hlavní příspěvk k atomové torii [1] L = m VR = nh / π, (114) kd m j hmotnost lktronu, V j orbitální rychlost lktronu, R j poloměr orbitu, h j Planckova konstanta, n = 1,,3... j orbitální číslo, hlavní kvantové číslo. [1] Z kvantových podmínk (114) j odvozn vzorc pro výpočt spktra atomu vodíku 4 π m hν = = i, (115) h n1 n n1 n = kd jnáboj lktronu, i j ionizační nrgi atomu vodíku. Má s za to, ž pravidlo kvantovaného úhlového momntu, navržné Nilsm Bohrm, zůstalo hypotézou, dokud Louis d Brogli 1 nučinil přdpoklad, ž vlnová délka λ lktronu j spjata s impulsm P podl vztahu λ = h / P = h / mv a clkový počt n lktronových vln πr = nλ by měl být určn z orbitu lktronu. Bohrův postulát týkající s kvantovaného orbitálního úhlového momntu L lktronu z toho vyplýval [1], h mvr π = (116) n 1 V roc 199 Louis d Brogli obdržl Noblovu cnu za objv vlnové povahy lktronu.

2 - - což j podivné. Jak můž být tnto fakt ( πr = nλ) pochopn tak, ž obvod prvního orbitu ( n = 1) s rovná vlnové délc λ lktronu? Arnold Sommrfld nbyl vyvdn z míry absncí odpovědi na tuto otázku a roku 1915 navrhl torii pohybu lktronu po liptickém orbitu. Připustil, ž nrgi lktronu na každém orbitu s nzmění. Změní s pouz úhlový momnt L. To j podivný přdpoklad; přsto byl přijat a procs vývoj atomové tori pokračoval [1]. Sommrfld zavdl nové pravidlo kvantovaného orbitálního úhlového momntu. Místo závislosti (114) zavdl závislost [1]: lh L =, (117) π kd l = 0,1,,..., n 1 j druhé kvantové číslo. V důsldku toho vznikla nvysvětlitlná pravidlnost změn obou kvantových čísl n a l. Když n = 1, l = n 1 = 0. Když n =, druhé kvantové číslo přdpokládá hodnoty 0 nbo 1. Pro n = 3, l přdpokládá hodnoty 0, 1 nbo, atd. Při výpočtu spktra bylo určno, ž L = 0 pro základní stav lktronu. Z pohldu klasické mchaniky by s lktron v tomto případě měl pohybovat po přímc, ktrá vychází směrm od jádra [1]. Protož rozporů v torii orbitálního pohybu lktronu v atomu přibývalo, nbylo jasné, jak by tyto nsrovnalosti měly být odstraněny. Proč měl být orbitální úhlový momnt lktronu rovn nul, když lktron j na prvním orbitu? Tato otázka zůstala nzodpovězna. Fyzikové a chmici si na tuto situaci zvykli; tuto otázku nřšili. Protož odpověď npřicházla, badatlé pokračovali v výzkumch. Přiřadili stavům lktronu, kdy lktron měl různé orbitální úhlové momnty, násldující jména (tabulka 15) [1]: Tabulka 15 l = 0 S stat l =1 P stat l = D stat l = 3 F stat l = 4 G stat Další výzkumy ukázaly, ž v skutčnosti s orbitální úhlová hybnost mění podl závislosti [1] L = l( l + 1) h (118) Ačkoli tori orbitálního pohybu, vytvořná Sommrfldm, byla vypracována do větší hloubky, bylo nmožné vypočítat spktra atomů, jž byly složitější nž atomy typu vodíku (atomy a ionty s jdním lktronm). Znamnalo to ndostatk pochopní procsu intrakc lktronu s atomovým jádrm. Nbyla tomu věnována pozornost a vědci šli špatným směrm [1]. Protož náboj lktronu j záporný, bylo dohodnuto, ž vktory orbitální úhlové hybnosti L a magntického momntu µ lktronu mají opačné směry. To j podivná dohoda. Příroda přiřazuj vktorové vlastnosti fyzikálním hodnotám a lidská bytost přisoudila

3 - 3 - znaménko (mínus) lktronu. Stačí to k tomu, abychom vktorům µ a L přiřadili opačné směry? [1] Další dohoda s ukázala být jště absurdnější. J známo, ž spin j vktorová S vličina. Charaktrizuj rotaci částic; v tomto případě charaktrizuj rotaci lktronu v vztahu k jho os symtri. Abychom vysvětlili rozdělní spktrálních čar, když j přítomno magntické pol, bylo dohodnuto, ž jho projkc S Z do vybraného směru můž mít pouz dvě hodnoty [1]. m h S = S Z π, (119) kd m = +1/, 1/. S Tyto zvláštnosti, spojné s atomovou torií, nbyly jdiné. Byl zavdn pojm úplná úhlová hybnost rovná J = jh / π. Zd j j kvantové číslo úplné úhlové hybnosti j = l + s = l +1/ a j = l + s = l 1/ [1]. To j podivné, al otázku týkající s pravidlnosti změny vazbní nrgi lktronu s jádrm při orbitálním skoku lktronu npoložil nikdo. J to hlavní otázka při analýz všch chmických rakcí. Proč tuto otázku nikdo npoložil? To j záhada a historici vědy ji bzpochyby vyřší. Nbyla položna ani druhá fundamntální otázka: Jak s lktrony, rotující kolm svých jadr, slučují do molkul? Místo toho, aby si výzkumníci položili tuto otázku a pokusili s na ni nalézt odpověď, šli dál do slpé uličky. Hojnost kvantových čísl tlumila pohyb lktronu v atomu. Situac s stala jště njasnější vlivm Schrodingrovy rovnic, za ktrou on a Dirac v roc 1933 dostali Noblovu cnu [4]. V trojrozměrném prostoru má Schrodingrova rovnic násldující tvar [5] h ψ ψ ψ h = m + + x y z ψ ψ 0 8π πi t (10) Řšním této rovnic j násldující funkc Ψ = ψ ( x) ϕ( t), (11) V této funkci j souřadnic x nzávislá na čas. V tomto případě j výsldná funkc (11) v rozporu s axiomm jdnoty prostoru, hmoty a času, a tudíž na hony vzdálna od skutčnosti. Navzdory tomu Schrodingrova rovnic hraj stjnou roli v mchanic mikrosvěta jako Nwtonovy rovnic v mchanic makrosvěta; Nwtonovy rovnic však fungují v rámci axiomu jdnoty [], [3], [6], [7].

4 - 4 - а) S orbital; b) P - orbital с) d orbital s Obr. 14. Tvary lktronových mraků Z Schrodingrovy rovnic (10) vyplývala nschopnost určit polohu lktronu v atomu. Bylo možné odhadnout pouz hustotu pravděpodobnosti jho výskytu v atomu. Aby byla zachována myšlnka orbitálního pohybu lktronu, hustota této pravděpodobnosti byla nazývána orbitální a byla przntována jako lktronový mrak jdnoznačného tvaru (Obr. 14) [7]. Z obrázku 14 j zřjmé, ž orbitální tvary s npodobají tvarům kruhových ani liptických orbitů, al fyziky a chmiky to nznpokojuj. Ti si stál myslí, ž s lktrony v atomch pohybují po orbitch [7]. Byl to Pauli, kdo dokončil cstu fundamntální fyziky do slpé uličky. Formuloval princip, podl něhož atom nmůž obsahovat lktrony mající všchna kvantová čísla podobná. V roc 1945 obdržl Noblovu cnu za objv principu nazvaného po něm (Pauliho princip) [4]. Tnto vývoj bádání o struktuř mikrosvěta s ndokázal dobrat nzbytné informac: změny pravidlnosti vazbních nrgií lktronů s jádry. Výsldkm j, ž chmici dosud nznají vazbní nrgi lktronu atomu vodíku s protonm, nmluvě o ostatních atomch a lktronch. Njúžasnější věcí j, ž si npřjí vědět, ž by to měli vědět. Nzajímají s o informaci, týkající s faktu, ž tato úloha již byla vyřšna [], [3].. Struktury atomů njjdnodušších chmických prvků.1. Struktura atomu a molkuly vodíku Vytvořm modly atomů njjdnodušších chmických prvků, vyplývající z posaných atomových torií a z nové tori. Atom vodíku j první (v Mnděljvově tabulc) a njjdnodušší atom. Proton hraj roli jádra a lktron s ním raguj. Schrodingrova rovnic přdpovídá njvětší pravděpodobnost výskytu lktronu na kouli o poloměru 10 R = m (15). Jdn lktron atomu vodíku tvoří lktronový mrak: orbit v tvaru koul. Tnto orbit s nazývá S orbit (Obr. 14, 15) [8]..

5 - 5 - Obr. 15. Diagram of th hydrogn atom originating from th atomic thory of th 0th cntury Tato informac j pro analýzu procsu intrakc lktronu s protonm ndostatčná. Protož lktron s můž vyskytovat na různých orbitch, j nzbytné znát poloměry těchto orbitů. J nutné znát vazbní nrgi lktronu s protonm, odpovídající různým orbitům. Tyto nrgi by měly být přítomny v spktru atomu vodíku; skutčně tam jsou, al orbitální pohyb lktronu badatlům numožnil tyto nrgi a zákon jjich změny najít. Z toho důvodu prvním a njpřdnějším úkolm při odhalování struktury atomu vodíku by mělo být hldání matmatických modlů zákona změn vazbních nrgií lktronu s protonm [], [3]. J známo, ž ionizační nrgi atomu vodíku j rovna i = V. Protož tato nrgi, ktrá j dodána atomu, rozbíjí vazbu mzi protonm a lktronm, j přirozné, ž odpovídá vazbní nrgii b = i = 1 lktronu, jnž j na prvním orbitu (n = 1), s protonm. Po absorbování fotonu s nrgií = 10. 0V lktron přjd na druhý orbit (n = ), jho vazbní nrgi b s protonm s sníží a bud rovna b = = 3. 40V. Když j lktron na prvním orbitu (n = 1) a absorbuj foton s nrgií = 1. 09V, přjd na třtí orbit (n = 3) a jho vazbní nrgi s bud rovnat Když j absorbován foton s nrgií čtvrtý (n = 4), vazbní nrgi s sníží na hodnotu vyplývá, ž vazbní nrgi b b = V. 3 = = 1. 75V a lktron přjd z prvního orbitu na na b = V. Z toho 4 = lktronu s protonm s mění podl závislosti [], [3] 1 =. (1) n n i b = To j matmatický modl zákona změny vazbní nrgi lktronu s protonm atomu vodíku. Má původ v spktru atomu vodíku, al j ignorován a my nvím, proč. Možná vědc zmátl fakt absnc spktrální čáry, ktrá odpovídá ionizační nrgii atomu vodíku i = V. Nyní byla příčina npřítomnosti spktrální čáry odhalna. Jjí podstata j násldující. Pro další popis chování lktronů v atomu zavdm pojm nrgtické hladiny lktronu v atomu namísto xistujících pojmů orbit a orbitální. lktron atomu vodíku raguj s protonm v vzdálnosti odpovídající 105. nrgtické hladině [], [3]. Nmůž přskočit všchny hladiny a objvit s z ničho nic na první nrgtické hladině (n = 1) a přitom mitovat foton s nrgií = = 13. V. i 60

6 - 6 - lktron s k protonu přibližuj krok za krokm, někdy přskočí několik hladin. Výsldkm j, ž clková nrgi mitovaných fotonů bud rovna ionizační nrgii atomu vodíku = i = 13.60V a spktrální čára, odpovídající ionizační nrgii V = i = nbud přítomna. Dfinujm matmatický modl zákona vytvářní spktr atomu vodíku odpovídající stacionárním nrgtickým hladinám lktronu [], [3]. hv i + = hv = hvi n 1 n 1 v = v = vi n 1 i n 1 (13) kd v j frkvnc absorbovaného nbo mitovaného fotonu lktronm, když přskakuj z jdné nrgtické hladiny na jinou; v i j frkvnc fotonu, jhož nrgi odpovídá ionizační nrgii atomu vodíku; v 1 j frkvnc fotonu, jhož nrgi odpovídá vazbní nrgii lktronu s jádrm, když j lktron na první (n = 1) nrgtické hladině. Pro atom vodíku platí i = 1, proto v i = v1. Později ukážm, ž matmatický modl (13) umožňuj vypočítat jak spktra atomů, podobných vodíku, tak spktra složitějších atomů. J zřjmé, ž tnto modl nobsahuj žádnou nrgii a frkvnci odpovídající orbitálnímu pohybu lktronu v atomu. To znamná, ž s lktron v atomu npohybuj po orbitch. Když dosadím = i = V a n = 1,,3... v vzorcích (1) a (13), dostanm njn tortické hodnoty (thor.) spktra atomu vodíku, ktré zcla odpovídají xprimntálním hodnotám (xp), al také vazbní nrgi b lktronu s protonm (Tabulka 16). Coulombův zákon umožňuj určit vzdálnost mzi protonm a lktronm, když j na první nrgtické hladině. Protož v tomto případě j vazbní nrgi protonu s lktronm = i = R 13. 6V, dostanm násldující vzorc pro n = 1 1 / 1 = R 1 = 4π ε o 19 (1,60 10 ) = = 19 = m (14) Výpočty Ri pro n =, 3, 4, jsou uvdny v tabulc 16 [10], [11]. Tabulka 16. Spctrum of th hydrogn atom, binding nrgis b btwn th proton and th lctron and distancs Ri btwn thm Valus n (xp) V

7 - 7 - (thor) V b ( thor) V R ( thor) m i Z spktroskopického zákona (13), ktrý jsm objvili, vyplývá, ž když lktron přskočí mzi nrgtickými hladinami n a n + 1, nrgi absorbovaných nbo mitovaných fotonů s vypočítají podl vzorc [], [3] 1 1 = 1. ( 1) (15) n n + J jasné, ž vzorc (15) j podobný Bohrovu vzorci (5). Jdiný rozdíl spočívá v skutčnosti, ž vazbní nrgi lktronu s atomovým jádrm nní ionizační nrgi atomu vodíku. Pro lktron atomu vodíku j vazbní nrgi rovna ionizační nrgii = 1 i. Provďm podl tohoto vzorc výpočt nrgií (thor.) fotonů, mitovaných nbo absorbovaných lktronm vodíku při skoku mzi hladinami n a n + 1 (Tabulka 17), a porovnjm j s xprimntálními daty (xp.). Tabulka 17. nrgis of th intrlvl jumps of th lctron of th hydrogn atom Lvls n, n (xp.) V (thor.) V V dfinitivním vyjádřní matmatického modlu zákona vytvářní spktra atomu vodíku (13) jsou dány násldující frkvnc: v j frkvnc fotonu, ktrý j mitován nbo absorbován lktronm běhm skoku z jdné hladiny na jinou; v j frkvnc fotonu, jhož nrgi odpovídá ionizační nrgii atomu vodíku; i v 1 j frkvnc fotonu, jhož nrgi j rovna vazbní nrgii lktronu s jádrm, když j lktron na první nrgtické hladině. Pro atom vodíku s tato frkvnc rovná frkvnci fotonu, jhož nrgi odpovídá ionizační nrgii atomu vodíku v = v 1 i. J zřjmé, ž matmatický modl (13) vytvářní spktra atomu vodíku nmá složku odpovídající orbitálnímu pohybu lktronu. To znamná, ž lktron v atomu nkoná orbitální pohyb. Tímto vzniká otázka: Jakým způsobm vzájmně působí lktron s protonm? Jaké síly vážou tyto částic dohromady a jaké síly omzují jjich přiblížní? Abychom odpověděli na tyto otázky, j nutné analyzovat dostupné vědcké informac, týkající s modlů lktronu a protonu [], [3]. J známo, ž klidová hmotnost lktronu j m = kg. Jho náboj j záporný a rovn = C. Podrobná analýza struktury lktronu ukázala, ž má tvar dutého anuloidu (prstnc) (Obr. 16). Jho struktura s ukázala být stabilní, protož zd

8 - 8 - dochází k dvěma rotačním pohybům. První rotac j kolm osy procházjící těžištěm prstnc, ktrá j kolmá na rotační rovinu; druhou rotací j vířivý pohyb vzhldm k os prstnc, procházjící střdm průřzu anuloidu [], [3]. Obr. 16. Diagram of th modl of th lctron Několik mtod výpočtu poloměru r anuloidu, jž obsahují různé nrgtické a lktromagntické vlastnosti, dává stjný výsldk, ktrý s shoduj s xprimntální 1 hodnotou Comptonovy vlnové délky λ lktronu, tj. λ = r = m [], [3]. Magntický momnt lktronu s rovná Bohrovu magntronu M h 4 = = J T (16) 4 π m / Když část čar, simulujících směr magntického a lktrického pol, zobrazím v obrázku modlu lktronu, výsldkm bud zobrazní na obr. 17. Obr. 17. Diagram of th lctromagntic modl of th lctron Na obr. 17 j nakrslna pouz část siločar magntického a lktrického pol lktronu. Kdybychom do modlu lktronu zakrslili všchny siločáry, jho tvar by s podobal jablku. Protož lktrické siločáry jsou kolmé na magntické siločáry, lktrické pol bud v tomto modlu téměř kulové a tvar magntického pol s bud podobat magntickému poli tyčového magntu. Síla magntického pol v blízkosti gomtrického střdu lktronu bud rovna B = = 4 4π M = T (17)

9 - 9 - To j vlmi vlká síla. S rostoucí vzdálností od gomtrického střdu v směru rotační osy lktronu s zmnšuj s třtí mocninou vzdálnosti. Hlavní novou informací, týkající s lktronu, j spin. Rovná s Planckově konstantě h. Nmám mnoho informací o protonu. J známo, ž j to vlmi malá částic s kladným 19 nábojm, ktrý s rovná zápornému náboji lktronu + = = C, klidová hmotnost j m p 7 = kg a magntický momnt 31 M p = J / T. Jstliž přdpokládám, ž (jako lktron) má tvar anuloidu, poloměr r p tohoto prstnc bud násldující [], [3]. p r p 34 h ( ) 15 = = = m, (18) m p p kd m p j hmotnost protonu, p j fotonová nrgi protonu [], [3]. Poloměr protonu j tdy o tři řády mnší nž poloměr lktronu. Spiny protonu a lktronu s rovnají Planckově konstantě h. Vktory těchto spinů mají směr rovnoběžný s osami jjich magntických momntů [], [3]. To vyplývá z vzorc, ktrý Planckovu konstantu spojuj s magntickým momntm lktronu M. Zapišm jj v násldujícím tvaru [], [3] M = h. (19) 4π m V modrní fyzic jsou vktory M a h považovány za vktory vzájmně opačné orintac. Tnto přdpoklad j založn na faktu, ž náboj lktronu v vzorci (19) j záporný. To j nzvyklé zdůvodnění. Příroda přiřadila vličinám M a h vktorové vlastnosti. Fyzikové přisoudili lktronu záporné znaménko. To j však otázka konvnční dohody, nikoli přírodní zákon! V vzorci (19) j náboj lktronu skalární vličina a my nmám důvod psát tnto vzorc v tvaru [], [3] M h =. (130) 4π m Ponchm stranou logiku modrní fyziky a považujm vktory M a h za jdnosměrné. Magntická indukc v blízkosti gomtrického střdu toroidního (prstncového) modlu protonu j větší nž magntická indukc podobného magntického pol lktronu. Jstliž přdpokládám, ž proton j anuloid, použijm magntický momnt protonu 6 8 M p = J / T a jstliž nrgi fotonu j p = V, dostanm magntickou indukci B p v blízkosti osy symtri protonu [], [3].

10 B p p = = 6 4πM p = T (131) To j obrovská magntická indukc, ktrá s nachází blízko osy symtri protonu. Mimo střd s snižuj s třtí mocninou vzdálnosti od gomtrického střdu [], [3]. Již dřív jsm přdpokládali, ž tato magntická indukc gnruj síly, jž s rovnají jadrným silám, ktré váží protony s nutrony [], [3]. Z toho vyplývá, ž lktron s protonm vážou dohromady lktrická pol opačných znaménk a stjné magntické póly zamzují přiblížní na příliš krátkou vzdálnost. Modl atomu vodíku bud takový, jak j nakrsln na obr. 18. Obr. 18. Diagram of th modls of th hydrogn atom Z výsldků našho zkoumání tdy vyplývá, ž rozměry jádra jsou o tři řády mnší nž rozměry lktronu. To j umístěno na své os v vzdálnosti R i od gomtrického střdu lktronu a lz ji vypočítat pomocí Coulombova zákona. Pokud bychom v modlu atomu vodíku zvolili vlikost protonu jdn milimtr, vlikost lktronu by byla téměř jdn mtr a vzdálnost mzi jádrm (protonm) a lktronm by byla sto mtrů (Obr. 18, b). Na obr. 19 jsou zobrazny nrgtické skoky lktronu atomu vodíku, vyplývající z zákona (130) vytvářní vazbních nrgií lktronu s protonm a z zákona (131) vytvářní spktra atomu vodíku. Když porovnám modl atomu vodíku podl starých torií, zobrazný na obr. 15, s nákrsy atomu vodíku podl obr. 18 a 19, vyplývající z nové atomové tori, vidím propastný rozdíl, pokud jd o jho architkturu a informační obsah. Nový modl atomu vodíku (obr. 18) obsahuj téměř všchny informac, ktré jsou nutné pro analýzu procsu vytvářní molkul vodíku.

11 Obr. 19. Diagram of nrgy jumps of th lctron of th hydrogn atom Nyní s přdpokládá, ž molkuly s tvoří vlivm přkrývání lktronových mraků atomů (Obr. 0) [6]. V skutčnosti to znamná, ž lktrony atomů j spojují do molkul. J to výsldk dlouhodobých zkušností chmiků. Tyto zkušnosti jim napověděly, ž atomické lktrony spolu intragují a slučují atomy do molkul. Al myšlnka orbitálního pohybu lktronu znmožňovala podrobnou analýzu tohoto procsu. Nyní tato přkážka nxistuj a my mám možnost tnto procs podrobně analyzovat. Abychom této možnosti mohli využít, j nutné najít odpovědi na násldující otázky. První otázka: Jaké síly drží pohromadě lktrony, ktré mají stjné síly? Druhá otázka: Jak s změní vazbní nrgi mzi lktronovými mraky, když s změní vzdálnost mzi nimi? J to zvláštní, al chmici s bojí položit tyto otázky již sto lt. Zvykli si na absurdní informaci o tvořní molkul. Obr. 0. Diagram of formation of a covalnt bond by th lctronic clouds of th hydrogn atoms [6] Zd j odpověď na první otázku, vyplývající z nové tori atomu. Když s vytváří molkula vodíku, lktrony jjích dvou atomů dávají dohromady své rozdílné magntické póly a shodná lktrická pol omzují jjich přiblížní. Výsldkm j vytvořní molkuly vodíku (Obr. 1, a) a my bychom měli kovalntní vazbu jdnoduš nazývat lktronová vazba.

12 - 1 - Obr. 1. Diagrams of th hydrogn molcul H Molkula vodíku můž být vytvořna také přiblížním protonů jjích atomů. V tomto případě s dají dohromady nstjné magntické póly protonů a shodná lktrostatická pol protonů omzují jjich přiblížní. Tuto vazbu bychom měli nazývat protonová vazba. Kromě toho jště xistuj vazba lktron proton. Nyní uvažujm o nrgtic procsu tvořní lktronové vazby v molkul vodíku (Obr. 1, a). J známo, ž fúzní nrgi jdnoho molu molkul vodíku s rovná 436 kj a fúzní nrgi jdné molkuly j 4,53 V. Tato nrgi j mitována atomickými lktrony v formě fotonů. Každý lktron mituj foton s nrgií 4,53/,6 V [], [3]. Každý lktron by měl mitovat jdn foton s nrgií,6 V, když s vytváří molkula vodíku. Vyvstává otázka: Na jakých nrgtických úrovních by měly být lktrony atomů vodíku, nž s začnou slučovat do molkul? Na obr. j zobrazn oscilogram dvou spktrálních čar atomu vodíku. První světlá čára (vlvo) odpovídá skoku lktronu na druhou nrgtickou hladinu s vazbní nrgií 3,4V; druhá čára (vpravo) odpovídá skoku na třtí hladinu s vazbní nrgií 1,51V [], [3]. Obr.. Fragmnt of th atomic and molcular spctrum of hydrogn Spktrum molkuly vodíku j dáno jako spojitá světlá oblast (vlvo) (Fig, ). To dokazuj, ž lktrony v atomch tvořících molkuly nobsazují diskrétní nrgtické hladiny jako u samotných atomů. V molkulách s jjich vazbní nrgi s protony a mzi lktrony mění takovým způsobm, ž jjich hodnoty s rovnají úrovním mzi hladinami: vazbní nrgi odpovídají stavům jdnotlivých atomů. Když j lktron na třtí nrgtické hladině v atomu vodíku, jho vazbní nrgi s protonm j 1,51V; když j na druhé hladině, jho úrovň j 3,4 V. Aby lktron mitoval fotony s nrgimi,6 V, když s tvoří molkuly a j mzi druhou nrgtickou hladinou (s vazbní nrgií 3,4 V) a třtí hladinou (1,51 V), lktron by měl přcházt z čtvrté hladiny na druhou hladinu (přibližně). V tomto případě mituj foton s nrgií [], [3]. 4 = =. 549V. (13)

13 V skutčnosti mituj foton s mnší nrgií,6 V a nní na druhé nrgtické hladině, al mzi druhou a třtí nrgtickou hladinou, odpovídající stavu atomu. Kdyby všchny lktrony atomů vodíku běhm tvořní molkul mitovaly fotony s stjnou nrgií, v molkulárním spktru (Obr. ) by s objvila njméně jdna spktrální čára mzi atomickými čárami, odpovídajícími druhé a třtí nrgtické úrovni. Npřítomnost této čáry a přítomnost světlé oblasti poukazuj na skutčnost, ž lktrony atomů vodíku běhm tvořní molkul přcházjí z čtvrté nrgtické hladiny a mitují fotony s různými nrgimi takovým způsobm, ž průměrná hodnota s rovná,6 V. To j přirozné, protož k tomuto procsu ndochází při jdné tplotě. Výsldkm jsou vazbní nrgi mzi protony a lktrony v molkul vodíku takové, jak ukazuj obr. 3 [], [3]. Obr. 3. Diagram of th hydrogn molcul with binding nrgis Nbudm s pouštět do analýzy nrgtické bilanc procsu slučování molkul vodíku, kyslíku, ozonu, vody, atd. Ti, kdo chtějí znát podrobnosti této analýzy j mohou najít v kniz [], [3]. Abychom mohli začít analyzovat procs tvořní jádra a atomu hlia, j nutné mít informaci týkající s nutronu. J známo, ž klidová hmotnost nutronu j 7 6 m n = kg a magntický momnt j odhadován na M n = J / T. Nutron nmá žádný náboj. Protož hmotnost nutronu s od hmotnosti protonu liší nvýznamně, lz přdpokládat, ž mají blízké gomtrické rozměry. Můžm s domnívat, ž poloměr nutronu j přibližně stjný jako poloměr protonu nbo j o trochu větší. Npřítomnost orbitálního pohybu lktronu vytváří podmínky, kdy každý lktron by měl vzájmně působit s jdním protonm atomového jádra. Z toho vyplývá, ž protony by měly být na povrchu jádra. Aby byly oslabny odpudivé síly xistující mzi protony, měly by být spojny s nutrony takovým způsobm, ž nutrony jsou mzi protony. Později uvidím, ž tato podmínka j splněna, když nutron má šst magntických pólů. Na základě tohoto postulátu analyzujm struktury jadr a atomů násldujících chmických prvků [], [3]... Struktura atomu hlia Hlium j druhý chmický prvk (Mnděljvovy priodické tabulky prvků). V jádř jho atomu jsou dva protony a dva nutrony. Atom má dva lktrony. Kdyby měl atom hlia jdn lktron, byl by považován za atom vodíkového typu a Bohrův vzorc (5) by umožňoval vypočítat jho spktrum. Bohrův vzorc numožňuj vypočítat spktrum prvního lktronu s nižší ionizační nrgií. V tomto případě s používají přibližné výpočtní mtody

14 [11], založné na Schrodingrově rovnici a na Maxwllových rovnicích. Výsldkm j ndostatk informací, nutných pro odhalní struktury atomu tohoto prvku. Schrodingrova rovnic a Pauliho princip umožňují vykrslit atom hlia v násldujícím tvaru (Obr. 4) [6]. Nákrs atomu hlia (obr. 4) s od nákrsu atomu vodíku (Obr. 15) liší v větším průměru a díky faktu, ž má dva lktrony. Nxistuj žádná informac, týkající s vazbních nrgií těchto lktronů s jádrm atomu. Taková informac j však pro chmiky nzbytná. Obr. 4. Diagram of th hlium atom Podívjm s, jak vypadá atom hlia, vyplývající z naší tori. Pro tnto účl s njdřív podívjm na spktrum prvního lktronu, ktrý má mnší ionizační nrgii. Když v vzorcích (1) a (13) dosadím i = a = , dostanm (tabulka 18) Tabulka 18. Spctrum of th first lctron of th hlium atom Valus N (xp.) V (thor.) V b (thor.) V Věnujm pozornost faktu, ž vazbní nrgi lktronu atomu vodíku s protonm (tabulka 16) a vazbní nrgi prvního lktronu atomu hlia s jádrm (tabulka 18) mají obdobné hodnoty. To naznačuj, ž první lktron atomu hlia vzájmně působí s protonm jádra. Z toho vyplývá, ž když jsou v atomu hlia oba lktrony, každý z nich vzájmně raguj s jdním protonm v jádř. Když j z atomu odstraněn jdn lktron, zbývající lktron začn vzájmně působit s oběma protony jádra a jho ionizační nrgi j v porovnání s lktronm atomu vodíku čtyřnásobná = 54.40V [], [3]. Modl jádra a atomu hlia podl nové atomové tori j zobrazn na obr. 5.

15 Obr. 5. Diagrams: a) of th nuclus and b) of th atom of hlium, which has no magntic momnt Měli bychom si všimnout, ž npřítomnost orbitálního pohybu lktronu v atomu a intrakc každého lktronu atomu s svým protonm vyžaduj, aby lktron zůstal na povrchu jádra. Proton má jdnoduché magntické pol, ktré s podobá magntickému poli tyčového magntu. Magntické pol nutronu j složitější má šst magntických pólů [], [3]..3. Struktura atomu lithia Bohrův matmatický modl (5) umožňuj vypočítat spktrum pouz takového atomu lithia, ktrý j vodíkového typu. Tnto modl ndokáž spočítat spktrum atomu s dvěma lktrony. Výsldkm tohoto, Schrodingrovy rovnic a Pauliho principu j násldující modl atomu Lithia (Obr. 6) [6] Obr. 6. Diagram of th lithium atom rsulting from th old atomic thory Podl Pauliho principu mohou být na prvním S orbitu (světlá plocha uvnitř) pouz dva lktrony. Třtí lktron j umístěn na druhém S orbitu (tmavší oblast). Nxistuj žádná informac týkající vazbních nrgií lktronů s jádrm. Naš atomová tori umožňuj vypočítat spktra všch lktronů. Pro nás jsou důlžitá spktra prvního a druhého lktronu, protož Bohrův vzorc (5) počítá spktrum pouz třtího lktronu. Vazbní nrgi lktronů s atomovým jádrm jsou njdůlžitější (Tabulka 19).

16 Tabulka 19. Binding nrgis b of th lctron of th hydrogn atom H and of th first, th scond and th third lctrons of th lithium atom Li with th nuclus n H n H Když budm analyzovat tabulku 19, uvidím blízkost vazbních nrgií lktronu H atomu vodíku a prvního lktronu atomu lithia na první, druhé a třtí nrgtické hladině a téměř úplnou shodu na všch ostatních nrgtických hladinách. To dokazuj skutčnost, ž první lktron atomu lithia vzájmně působí s jdním protonm jádra. Můžm vidět, ž jdn (třtí) zbývající lktron atomu lithia začn vzájmně ragovat s třmi protony najdnou a jho vazbní nrgi s jádrm, ktrá odpovídá první (n = 1) nrgtické hladině, j určna podl vzorc [], [3] b H l = = 1. 40V, (133) To s kryj s hodnotami této nrgi v tabulc 19 a dokazuj naši hypotézu, ž když jdn lktron v atomu zbývá, vzájmně raguj s všmi protony v jádř současně. Vypočítjm vazbní nrgii třtího lktronu (l = 3) atomu lithia s jádrm, když j na páté nrgtické hladině H l b = = V (134) n 5 J zřjmé, ž tato hodnota souhlasí s podobnou hodnotou vazbní nrgi třtího lktronu atomu lithia s jádrm, když j na páté nrgtické hladině (Tabulka 19). Protož atom lithia má jdn lktron, j to atom vodíkového typu, proto vypočítjm vazbní nrgii druhého lktronu (l = ) tohoto atomu s jádrm, když j na sdmé nrgtické hladině [], [3]. H l b = = 1. 11V. (135) n 7 Tnto výsldk souhlasí s vazbní nrgií druhého lktronu atomu lithia, když j na sdmé nrgtické hladině (Tabulka 19). Kdybychom mohli měřit vazbní nrgi s jádrm dvou zbývajících lktronů atomu lithia bz odstranění prvního lktronu, viděli bychom, ž všchny tři lktrony mají podobné

17 vazbní nrgi s jádrm. Al takový xprimnt by byl stěží uskutčnitlný za současného stavu vědckého bádání. Již jsm podali hypottické vysvětlní tohoto fnoménu [], [3]. Shoda vypočítaných výsldků podl vzorc (135) s xprimntálními daty, zobraznými v tabulc 19, dokazuj životaschopnost takového vysvětlní. Nní těžké si přdstavit, ž jiné hodnoty vazbních nrgií různých lktronů atomu lithia (tabulka 19), odpovídající první nrgtické hladině (n = 1), získám díky faktu, ž po odstranění prvního lktronu z atomu, zbývající proton začn vzájmně ragovat s druhým lktronm a zvýší s jjich vazbní nrgi na hodnotu, ktrá j blízká vazbní nrgii druhého lktronu atomu hlia ( b = 54.4 / n ). Když j z atomu odstraněn druhý lktron, v jádř zůstanou dva volné protony. Okamžitě začnou vzájmně ragovat s zbývajícím třtím lktronm a zvětší s jho vazbní nrgi s jádrm l krát. Když začnm všchny lktrony vract do atomu, množství protonů ragujících s jdním lktronm s sníží. Vazbní nrgi tohoto lktronu s sníží na hodnotu, ktrá s přibližně rovná vazbní nrgii lktronu s jádrm atomu vodíku. Násldující modl lithia vyplývá z výš uvdných faktů (Obr. 7) [], [3]. Vazba j zajištěna pomocí intrakc rozdílných lktrických polí protonů a lktronů, ktré způsobují jjich přitahování, stjně jako stjných magntických pólů, ktré způsobují jjich odpuzování. Z toho vyplývá, ž každý lktron raguj pouz s jdním protonm atomového jádra (Obr. 7). Analýza obrázku 7 ukazuj, ž lktrony, ktré jsou uspořádány symtricky, budou mít podobné vazbní nrgi s jádrm. lktrostatické odpudivé síly dvou dalších lktronů ovlivní lktron umístěný vpravo od jádra; proto bud dál od jádra a jho ionizační nrgi bud njmnší. Tomuto lktronu přiřadím jdničku; věnujm pozornost faktu, ž jho ionizační nrgi ( i = 5. 39V ) j mnší nž odpovídající ionizační nrgi atomu vodíku ( i = V ). Schéma atomu lithia (Obr. 7) umožňuj pochopit příčinu takového rozdílu. J zřjmé, ž oba symtricky umístěné lktrony ( a 3) pomocí svých lktrostatických sil oddálí první lktron od jádra a sníží jho ionizační nrgii [], [3]. N 1 3 Obr. 7. Diagram of th modls of th nuclus and th atom of lithium: N is th atomic nuclus; 1,, 3 ar th numbrs of th lctrons

18 Struktura atomu brylia Připomňm si, ž Bohrův vzorc (5), stjně jako Schrodingrova rovnic (10), umožňuj vypočítat spktrum atomu brylia vodíkového typu, tj. atomu s jdním lktronm. Výsldkm, též podl Pauliho principu, j modl atomu brylia zobrazný na obr. 8 [6]. Obr. 8. Diagram of th bryllium atom rsulting from th old atomic thory Podl Pauliho principu mohou být na S orbitch pouz dva lktrony s různými spiny. Jjich vazbní nrgi s jádrm jsou nznámé. Nová atomová tori přináší násldující modl atomu brylia (Obr. 9) [], [3] Obr. 9. Diagram of th structur of th nuclus and th atom of bryllium: 1,, 3 and 4 ar th numbrs of th lctrons Brylium j čtvrtým prvkm priodické tabulky chmických prvků. Výsldky jadrné xprimntální spktroskopi ukazují, ž 100% atomů přírodního brylia má jádra s čtyřmi protony a pěti nutrony (Obr. 9). Nmluvím zd o struktuř umělých izotopů tohoto prvku s krátkou dobou života. Fakt, ž všchna jádra atomů brylia mají 4 protony a 5 nutronů, j úžasný, protož nám pomáhá pochopit mnoho njasností spojných s strukturou jadr a atomů brylia a s spktry lktronů tohoto atomu [], [3]. Přítomnost jdnoho přbytčného nutronu v jádř atomu brylia umožňuj okamžitě pochopit jho strukturu. Tato struktura j do jisté míry plochá a symtrická. Z této struktury vyplývá, ž nutron uprostřd má čtyři magntické póly v jdné rovině. J jasné, ž pátý nutron j zd nutný k propojní ostatních čtyř nutronů takovým způsobm, ž s každým z nich můž být spojn proton. Protony a nutrony spojují magntické síly, ktré fyzikové nazývají jadrnými silami [], [3].

19 Protož orbitální pohyb lktronů nxistuj, jak vyplývá z xprimntální spktroskopi, všchny čtyři lktrony atomu (každý vzájmně raguj s svým protonm) tvoří jho symtrickou strukturu (Obr. 9). Protož všchny čtyři protony jádry jsou umístěny na jho povrchu a každý z nich má jdn volný magntický pól, magntické póly lktronů stjné polarity působí vzájmně s těmito póly a omzují přiblížní lktronů k protonům. Rovnic (1) a (13) umožňují vypočítat spktra všch lktronů tohoto atomu. Pro nás j důlžitější znát změny vazbních nrgií lktronů s jádrm. Když jsou lktrony jdn po druhém odstraněny od jádra, tyto vazbní nrgi budou násldující (Tabulka 0) [], [3]. Tabulka 0. Binding nrgis b of th lctron of th hydrogn atom H and of th 1st, th nd, th 3rd and th 4th lctrons of th bryllium atom B with th nuclus n H n H Když jsou všchny lktrony v atomu přítomny, mají téměř stjně vlké vazbní nrgi s jádrm (Tabulka 1) [], [3]. Data v tabulc 1 ukazují, ž od 13. nrgtické hladiny jsou vazbní nrgi všch lktronů atomu brylia stjné jako vazbní nrgi lktronu atomu vodíku. To znamná, ž s vzrůstající vzdálností mzi lktrony a atomovým jádrm jjich vzájmné ovlivňování téměř úplně zmizí a začínají s chovat stjně jako lktron atomu vodíku [], [3]. Tabulka 1. Binding nrgis b of th lctron of th hydrogn atom H and of th lctrons (1,, 3, 4) th bryllium atom B with th nuclus whn all of thm ar in th atom n H n H

20 J jasné, ž když jsm analyzovali modly atomů lithia a brylia, nviděli jsm žádné důvody pro rozdělní jjich lktronů do orbitů, hladin a podhladin, vyplývajících z Pauliho principu. Proto mám pocit, ž j to zbytčný princip, ktrý nmá nich spolčného s ralitou [], [3]. 3. Doplňující informac Čtnář by možná rád viděl strukturu jádra atomu, u něhož jsm náš výzkum zastavili. J to jádro atomu mědi (Obr. 30) [], [3]. Obr. 30. Structur of th nuclus of th coppr atom Také by bylo zajímavé znát struktury molkul vody, vyplývající z nové atomové tori. Jsou zobrazny na obr. 31 a 3 [], [3].

21 - 1 - Obr. 31. Structur of th watr molcul at an angl of 105 btwn th hydrogn atoms Obr. 3. Structur of th watr molcul: 1,, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ar th numbrs of th lctrons of th oxygn atom, P 1, P ar th nucli of th hydrogn atoms (th protons); and 1 ar th numbrs of th lctrons of th hydrogn atoms Na obr. 31 j znázorněno schéma molkuly vody. Z tohoto schématu j možné vytvořit proslulý úhl této molkuly, ktrý s rovná 105. Na obr. 3 j schéma molkuly vody bz tohoto úhlu, al s souhrnm možností vysvětlní všch vlastností vody [], [3]. ZÁVĚR Myšlnka Claudia Ptolmaia týkající s pohybu Slunc okolo Změ platila téměř dva tisíc lt. Myšlnka Nils Bohra týkající s orbitálního pohybu lktronů v atomch platila méně nž sto lt, al napáchala víc škod nž Ptolmaiova myšlnka. Nyní každý můž potvrdit, ž myšlnka orbitálního pohybu lktronů v atomch j na cstě do histori vědy a ž j nahrazna myšlnkou týkající s linární intrakc lktronů

22 - - s atomovým jádrm. Ta popisuj ralitu mnohm přsněji a přináší mnohm víc informací pro důkladné pochopní uspořádání mikrosvěta. RFRNC 1. Marion J.B. Physics and Physical World, "Mir", Kanarv Ph.M. Foundations of Physchmistry of th Microworld. Th fifth dition. Krasnodar, pags 3. Kanarv Ph.M. Foundations of Physchmistry of th Microworld. Th sixth dition. 500 pags. Rdactd. 4. Khramov Yu.A. Physicists. M. "Nauka" pags 5. Sprol R. Modrn Physics. Quantum Physics of th Atoms of th Solid Body and th Nucli. M. "Nauka" pags 6. Brsin F.A., Shubin M.A. Schrodingr quation. M.: MSU publishing hous, Pilipnko A.T., Pochinok V.Ya. t al. lmntary Chmistry Guid. Kiv, "Naukova Dumka", 1977, 538 pags 8. Novoshinsky I.I., Novoshinskaya N.S. Chmistry. Txtbook for th 10th form. M. "Onyx 1th cntury", "Mir i obrazovani", 004, 350 pags 9. Nikitin A.A., Rudzikas Z.B. Principls of th Thory of Spctra of th Atoms and Ions. M., "Nauka" Zaidl A.N. t al. Spctral Lins Tabulkas. M. "Nauka" Striganov A.P., Odintsova G.A. Spctral Lins Tabls. M. "Nauka"