Учебное пособие 800681
.pdfрасшифровать так: « легче всех эфир, в миллионы раз». «Уже с 70-х годов у меня назойливо засел вопрос: да что же такое эфир в химическом смысле» [1].
Из энциклопедии: «Эфир (греч. Aither – гипотетическая материальная среда, заполняющая пространство).» [2] В классической физике под эфиром понималась однородная, механическая, упругая среда, наполняющая абсолютное ньютоновское пространство. Однако эфир, о котором говорит Менделеев, состоит из элементов, он атомарен, он неоднородный, он прерывен и дискретен. Он имеет структуру. Эфир - это скорее современный вакуум Дирака, чем классический эфир древних греков. Интерес к проблеме эфира у Менделеева тесно связан с периодической системой, и последовавшими затем работами по исследованию газов.
«Сперва и я полагал, что эфир есть сумма разреженнейших газов в предельном состоянии. Опыты велись мною при малых давлениях — для получения намеков на ответ» [1]. Но эти работы не удовлетворяли его. «… Представление о мировом эфире, как предельном разрежении паров и газов, не выдерживает даже первых приступов вдумчивости — в силу того, что эфир нельзя представить иначе, как веществом, все и всюду проникающим; парам же и газам это не свойственно» [3].
Детальная разработка «химической концепции мирового эфира» началась с открытия инертных газов. Д.И. Менделеев предсказал много новых элементов, но вот открытие инертных газов было неожиданно даже для него. И после принятия инертных газов ученый разошелся во взглядах с большинством химиков по поводу их местонахождения в Периодической системе. Менделеев категорически настаивал на существовании нулевой группы (а не VIII)! Инертные газы настолько отличаются от остальных элементов, что им место было где-то на обочине Системы. Казалось, какая разница на правом (VIIIгруппа) или левом (0 -группа) краю они будут. Однако поставить инертные газы справа, это значить получить между водородом и гелием целый ряд пустот.
Может, есть галоген легче Фтора (вероятность существования такого галогена он допускал, если допустить, что гелий действительно находится в VIIIгруппе) или еще другие легкие элементы между Водородом и Гелием? Их нет, поэтому место инертных газов слева в 0 – группе. Тем более и валентность их уж
111
скорее нулевая, чем VIII. Да и количественное соотношение атомных весов, однозначно указывает на положение инертных газов слева вначале каждого ряда, а не справа в конце ряда.
Становится понятным, почему Дмитрий Иванович настаивал на существовании нулевой группы, понятны его упоминания о гипотетичном галогене легче Фтора (который следовало бы искать, по мнению Менделеева, если расположить инертные газы в VIII группе), отсюда даже понятен его поиск элемента легче Водорода, о существовании которого он давно догадывался, но не говорил об этом до тех пор, пока Периодический закон окончательно не утвердится. Как раз в отстаиваемой им системе с нулевой группой Водород вроде бы вовсе может быть и не первым. Периодическая система может быть «открыта» с обоих концов. Появляется место перед Водородом для сверхлегкого элемента – может это и есть «элемент Эфира»? Сам Периодический закон подводил к постановке этого вопроса, а в его истинности Дмитрий Иванович не сомневался. « Теперь же, когда стало не подлежать ни малейшему сомнению, что перед 1 группой, в которой должно помещать водород, существует нулевая группа, представители которой имеют веса атомов меньше, чем у элементов 1 группы, мне кажется невозможным отрицать существование элементов более легких, чем водород».
В открытом им законе ученый пытается с физической стороны выяснить природу массы как основной характеристики вещества. Выясняя физические основы тяготения, тесно связанные с понятием мирового эфира как «передающей» среды, он ищет легчайший элемент. Однако результаты опытов 70-х годов, сводившиеся к тому, чтобы доказать, что «эфир есть сумма разреженнейших газов», не удовлетворили Менделеева. На какое-то время он прекратил исследования в этом направлении, нигде не писал. В конце жизни в поисках ответа на вопросы, касающиеся глубинных свойств материи, он вновь обращается к «мировому эфиру», с помощью которого пытается проникнуть в природу основного понятия естествознания XIX в. - массы, а также дать объяснения новым открытиям и прежде всего радиоактивности. Основная мысль ученого заключается в следующем: «Реального понимания эфира нельзя достичь, игнорируя его химизм и не считая его элементарным веществом; элементарные же вещества ныне немыслимы без подчинения их периодической законности». [4]
112
Характеризуя мировой эфир, Менделеев считает его « вопервых, наилегчайшим из всех элементов как по плотности, так и по атомному весу, во-вторых, наибыстрее движущимся газом, в- третьих, наименее способным к образованию с какими-либо другими атомами или частицами определенных сколь либо прочных соединений и, в-четвертых, элементом, всюду распространенным и всепроникающим». Вес атома этого гипотетического элемента X , по расчетам ученого, может колебаться в пределах 9.6 *10-7 до 5.3*10-11 (если атомный вес Н равен 1). Для оценки массы гипотетического элемента привлекает знания механики и астрономии Элемент X (Менделеев называет его «Ньютонием») получал свое место в периодической системе - в нулевом периоде нулевой группы, как легчайший аналог инертных газов. Кроме того, Менделеев допускал существование еще одного элемента легче водорода – элемента Y, «Корония».
Менделеев смело выдвигал самые необычные гипотезы, основанные на глубокой интуиции. Все предсказания, сделанные им на основе периодического закона (существование 12 неизвестных в то время элементов), а также исправления атомных масс элементов подтвердились.
Дмитрий Иванович верил, что сущность Периодического закона только начинает проявляться и очень надеялся на ее проявление в будущем. Последуем же логике, но учтем современные сведения, которые во время Менделеева просто еще не существовали. За основу возьмем порядковый номер элемента, который соответствует заряду ядра. Тогда, если водород имеет порядковый номер 1, то элемент перед ним, естественно, 0! Этот элемент окажется в нулевом периоде в группе инертных газов (в современной стандартной Периодической таблице) или в нулевой группе первого периода (по Менделееву), положение {1,0}, где {период, группа}. Формальный аналог благородных газов, инертный с формальным зарядом ядра 0.
Рассмотрим возможных кандидатов на это место в Периодической системе.
Из известных ныне физических объектов микромира это: либо нейтрон (попытка поставить нейтрон перед Водородом предпринималась другими авторами неоднократно и для многих физиков и радиохимиков кажется совершенно очевидной), либо
113
нейтрино. Кому отдавать предпочтение тоже воздержимся. Формально нас удовлетворяет и нейтрон и нейтрино.
Перейдем пока к следующему элементу перед водородом. Это хорошо известный физикам и радиохимикам Позитроний (положение {0,1}). Кстати, он вообще–то очень похож на предсказанный Менделеевым «Короний», и, вполне, может наблюдаться на Звездах типа Солнца и других, особенно более горячих [5].
Итак, позитроний (Ps) - система, состоящая из электрона и позитрона, удовлетворяет формальным требованиям элемента нулевого периода. [6] То, что здесь трудно выделить, где ядро, а где оболочка, нас не смутит, так как мы ожидали ведь, что элементы нулевого периода будут необычными. Кроме того, как раз из-за симметричности Позитрония и других доводородных элементов в дальнейшем раскроются совершенно новые перспективы Периодической системы. Вернемся, к элементу с нулевым порядковым номером в традиционной системе, но с положением {1,0} в системе Менделеева. Что же это Нейтроний или Нейтриний?
Прежде чем сделать выбор, давайте остановимся на одном факте, который нельзя игнорировать. Для простоты рассмотрения мы предложили в качестве кандидатов на нулевое положение нейтрон и нейтрино. Это просто элементарные частицы, а все другие химические элементы («атомы») это сложные системы, где присутствуют противоположные заряды, как кулоновские, так и другие. Поэтому, подчиняясь закону сохранения зарядов, под Нейтринием будем понимать пару нейтрино и антинейтрино (сохранение нулевого лептонного заряда), а под Нейтронием - пару нейтрон и антинейтрон (сохранение нулевого барионного заряда). (Вводим новое квантовое число, которое для всех барионов принимает значение +1, а для всех антибарионов значение —1, и назвать это число барионным зарядом.) Они (нейтрон и нейтрино в паре с их античастицами) оба нам подходят, и более того у них изотопическое соотношение, они отличаются только по массе. Просто они формально «изотопы». Также как, например, протий, дейтерий и тритий. Но, о каком же из этих «изотопов» все-таки говорил Менделеев? Тут все ясно, конечно же, Ньютоний Менделеева это Нейтриний. Надо вспомнить свойства Ньютония: чрезвычайно малая масса и практически полная инертность во взаимодействии с другими веществами.
114
Рис. 1. Подлинная, первоначальная таблица Д.И. Менделеева, содержащая нулевые группу и период
Все это отвечает паре нейтрино и антинейтрино, Нейтринию (Nn - масса близка 0), который можно рассматривать как «легкий Ньютоний». И чрезвычайная быстрота собственного движения – близкая скорости света, и ничтожный вес – около 10-9 ,что соответствует предсказанию Менделеева, везде проникает, практически ни с чем не взаимодействует (Земля и даже Солнце для него почти прозрачны), и наполняет всю Вселенную. Нейтроний,
115
«тяжелый Ньютоний», также один из самых распространенных во Вселенной (это вещество нейтронных звезд и возможно «черных дыр»). На долю же классических химических элементов приходится лишь малая часть массы Вселенной. Наш обычный атомномолекулярный мир – это лишь отдельные маленькие островки в бесконечном океане Ньютония.
Нейтриний, Нейтроний и Позитроний, а вслед за ними и другие доводородные элементы должны найти свое место в Периодической системе. Только с элементами нулевого периода Периодическая система получает свое «логическое завершение», если конечно не считать ее зеркального отражения по отношению опять же к нулевому периоду, где проглядываются все прочие Антиэлементы, т.е. химические элементы Антимира. Эта идея (зеркальности Периодической системы) высказывалась значительно ранее, и тоже кажется совершенно очевидной. «Нулевая точка» отделяет Элементы от Антиэлементов, является границей Мира и Антимира, отражает грандиозный качественный скачок.
То, что в нулевой период попадают симметричные относительно системы частица-античастица объекты (Нейтриний, Нейтроний, Позитроний), как нельзя лучше соответствует идее зеркальности Периодической системы, т.к. нулевой период в равной степени принадлежит как Системе атомов, так и Системе антиатомов.
Модификация концепции «атома». Как уже отмечалось выше при таком решении проблемы «нулевых» несколько меняется концепция «атома». Конечно правы те, кто скажет, что Нейтриний и Нейтроний нельзя называть атомами в «привычном понимании», тем не менее Позитроний давно уже изучают как атомную систему, хотя он тоже мало напоминает традиционный атом. Изучают не только сам Позитроний, но и его « химические соединения». Так что, необходимость наличия «ядра» в атоме совершенно не обязательна, также как, и большое время жизни. Может быть, также не обязательно наличие кулоновских зарядов, ведь могут быть и другие заряды (лептонные, барионные и др.). Главное в атоме: это сложная система, состоящая из элементарных частиц, в которой выполняется закон сохранения заряда вообще. Наличием же определенного физического размера совсем просто пожертвовать (Нейтроний и Нейтриний – это сложные системы, не имеющие определенного размера).
116
Есть два способа выйти из этого несколько непривычного положения:
1)просто назвать эти системы квази(псевдо)-атомными или
2)несколько откорректировать понятие «атома».
Корректировка понятия «атома». После принятия
Резерфордовской модели атома, эта модель многократно корректировалась (Бор, Зоммерфельд, Шредингер и др.). «Атом» постепенно обогащался частицами: электроном, протоном, нейтроном и «законами» их движения.
Но все-таки, можно рассматривать каждый «атом» состоящим из собственно атома (что сейчас мы понимаем под атомом) и его фотонного окружения, своеобразного «светового ореола» (нимба) вокруг него, не имеющего определенного размера [8]:
A* = A + фотоны,
где A* - множество возбужденных состояний атома (электронных и ядерных);
A – нормальное состояние атома;
фотоны - множество фотонов, соответствующих переходу из нормального состояния во множество возбужденных.
То есть было бы более последовательным, если бы рассматривали Периодическую систему не только основных состояний атома, а и всех возможных возбужденных состояний (электронных и ядерных), тогда в каждой клетке Таблицы были бы указаны энергии фотонов, соответствующие спектру (электронному и ядерному) каждого атома. Это можно назвать «фотонным ореолом» (нимбом) атома, и реальный атом постоянно находится во взаимодействии со своим «фотонным нимбом», переходя из одного состояния в другое, естественно нимбы разных атомов не имеют определенного размера и всегда перекрываются [7].
Это довольно просто, и не приводит к качественным изменениям (обмен фотонами не меняет природы атома). Не стоило бы об этом говорить, если бы кроме фотонного нимба вокруг каждого атома не было еще и других нимбов: нейтринного и антинейтринного. То, что один атом может превращаться в другой сейчас всем известно. Но обычно этот механизм довольно хорошо представляют для радиоактивных атомов, а вот со стабильными немного сложнее, хотя и они могут превращаться в другие, взаимодействуя с элементарными частицами, например: поглощая нейтрино или антинейтрино.
117
Реакции под действием нейтрино протекают очень медленно и такие взаимодействия называются слабыми. Сечение слабого взаимодействия очень мало, и нужны огромные потоки нейтрино, чтобы зарегистрировать процесс взаимодействия нейтрино с веществом, поэтому только в 1956 году было доказано, что нейтрино существует. Ф. Райнесом впервые наблюдалась реакция взаимодействия нейтрино с протоном вблизи ядерного реактора. Хотя гипотеза о существовании нейтрино была высказана Паули еще в 1930 году, чтобы избежать нарушения закона сохранения, импульса и момента количества движения при бета– распаде. В настоящее время реакции нейтрино с нейтронами ядер являются основой всей «нейтринной астрономии».
Главное сам факт, что все атомы могут превращаться друг в друга и это является собственным свойством самой Системы «атомов» и вся совокупность «атомов» представляет собой единую целостную Систему. Реакции, лежащие в основе превращения радиоактивных атомов, связаны с превращениями протона в нейтрон в ядре и обратно:
p = n + e+ + нейтрино, n = p + e- + антинейтрино.
Это реакции соответствующие двум типам бета - распада, сопровождающиеся испусканием нейтрино или антинейтрино.
Возможны реакции для стабильных атомов связанные с захватом нейтрино или антинейтрино (так называемый обратный бета - распад или точнее обратный бета - процесс):
p + антинейтрино = n + e+ , n + нейтрино = p + e –.
За счет взаимных превращений протона и нейтрона, а также их античастиц все атомы и антиатомы окружены нейтринными и антинейтринными ореолами. Этот процесс наиболее интенсивно шел на первых этапах зарождения Вселенной (гипотеза Большого взрыва), а сейчас активно идет только на Звездах, но очень медленно он идет везде и всегда [8] (рис.2).
Таким образом, в общем случае «атом» можно рассматривать как систему элементарных частиц, в которой выполняются законы сохранения разных зарядов и которая структурно может состоять из следующих компонент: «тяжелой» барионной (нейтроны, протоны или их античастицы) основы (ядра) и «нетяжелой» лептонной (электрон, мюон, нейтрино или/и их античастицы) оболочки, причем лептонная оболочка подразделяется на «легкую» (электрон, или/и позитрон), имеющую кулоновские заряды и конечный средний
118
радиус и «сверхлегкую» (нейтрино и антинейтрино) оболочку, не имеющую кулоновских зарядов и конечного радиуса [9].
Рис. 2. Периодическая система элементарных частиц
119
Отсюда следует и некоторый фундаментальный мировоззренческий принцип: «атом» только в своей основе микроскопичен, а по существу он мегаскопичен, и его реальные границы – это граница всего Мира! В этом и заключается единство Микро- и Мега Космоса.
В такой постановке вопроса, и нейтриний, и нейтроний, и тем более позитроний, могут рассматриваться как частные случаи «атома», лишенного тех или иных компонент. Нейтриний и позитроний это «легкие» (лептонные) «атомы», лишенные барионной компоненты. Нейтроний это первый «тяжелый» (барионный) «атом», лишенный лептонной компоненты.
Так как они находятся в самом основании Системы «атомов», некоторые исключения из общего случая для них вполне понятны. Вспомним, что первые всегда особенные и всегда выбиваются из общей закономерности. В «нулевой точке» многие параметры принимают нулевые, а их обратные величины бесконечные значения. Масса, зарядовые величины, потенциал ионизации стремятся к нулю, а вот размеры системы могут принимать бесконечные значения. Позитроний и Нейтриний похожи тем, что у них нет «ядра», но его отсутствие не является сильным препятствием для признания их «атомами». Сложность для Нейтриния – это отсутствие кулоновских зарядов, которые характерны для всех традиционных атомов, а главное отсутствие определенных размеров и отсутствие практически массы, что и является главным психологическим барьеров на пути признания его «атомом». Но в этом-то и заключается грандиозность качественного скачка в «нулевой точке» - заряды и масса принимают нулевые значения, размеры становятся бесконечными и скорости световыми.
Правда, из такого определения «атома» вытекает еще одно следствие, если строго придерживаться законов сохранения всех зарядов, то строго говоря «обобщенный атом» - это всегда пара атом-антиатом. Точнее сказать: химический элемент – это пара атом-антиатом, т.к. по своим химическим свойствам они неразличимы. Казалось бы, всего лишь небольшое «расширение» понятия атома, а какие далеко идущие последствия, об этом говорил еще Нильс Бор: «расширение системы понятий дает надлежащие средства… для расширения объективного описания».
120