Ф.М. КАНАРЁВ УЧЕБНИК МИКРОМИРА – подарок Отечеству в день его годовщины www.micro-world.su/.../918-2013-06-12-03-01-01 ФИЗИКА МИКРОМИРА Это первый учебник, посвящённый физике микромира. В нём представлено обоснование параметров и взаимодействий основных обитателей микромира: фотонов, электронов, протонов, нейтронов, ядер, атомов, молекул и кластеров. Учебник адресуется преподавателям и студентам физических и химических фа-культетов университетов, а также всем желающим заниматься самообразованием в полу-чении новых знаний о микромире. It is the first textbook of Physics of a microcosm. In it the substantiation of parameters and interactions of the basic inhabitants of a microcosm is submitted: photons, electrons, pro-tons, neutrons, nucleus of atoms, atoms, molecules and clusters. The textbook is addressed to teachers and students of Physical and chemical faculties of universities and the persons engaged in self-education in reception of new knowledge of a mi-crocosm. Copyright 2013 Kanarev Ph. M. E-mail: kanarevfm@mail.ru http://www.micro-world.su/ СОДЕРЖАНИЕ Содержание………………………………………………………………… 2 Предисловие…...........................................................................……............. 5 Введение……………………………………………………………………… 5 1.Размеры обитателей микромира………………………………………… 7 2. Фотон……………………………………………….................................... 11 2.1. Вводная часть………………………………………………………......... 11 2.2. Корпускулярная теория фотона……………….…..……………………... 12 2.3. Теория движения фотона…………………..………………………… 23 3.Начальные элементы корпускулярной оптики………………............. 30 3.1. Вводная часть……………………………………………………………. 30 3.2 Отражение и поляризация фотонов……………………………………. 30 3.3. Дифракция фотонов………………………………………………………. 34 4. Электрон, протона, нейтрон…………..…………………………………. 43 4.1. Вводная часть …………………………………………………………….. 43 4.2. Радиус электрона ………………………………………………………… 44 4.3. Кольцевая модель электрона…………………………………………….. 46 4.4. Тороидальная модель электрона………………………………………… 50 4.5. О модели протона……………………………………………………….. 55 4.6. О модели нейтрона………………………………………………………. 58 5. Атомная спектроскопия…………………………………..………........... 59 5.1. Вводная часть…………………………………………………………….. 59 5.2. Начало новой теории спектров………………………………………….. 60 5.3. Спин фотона и электрона………………..……………….….………….. 62 5.4. Расчет спектра атома водорода……………………….……..…….......... 63 5.5. Расчет спектров водородоподобных атомов………………..…………. 64 5.6. Расчет спектра атома гелия………………………………..…………….. 66 5.7. Расчет спектра атома лития……………………..…………..……........... 68 5.8. Расчет спектра атома бериллия……………….…………..…………….. 69 5.9. Расчет спектра первого электрона атома бора……………..………….. 72 5.10. Спектры валентных электронов ряда атомов …..……………………. 72 6. Модели ядер атомов ………………………….………………………… 75 6.1. Общие сведения о ядрах…………………………………………………. 75 6.2. Структура ядра атома водорода………………………….……................ 77 6.3.Структура ядра атома гелия………………..……………………………. 78 6.4.Структура ядра атома лития………………………………..……............. 78 6.5.Структура ядра атома бериллия…………………………………............ 79 6.6.Структура ядра атома бора………………………………….……........... 80 6.7.Структура ядра атома углерода………………………………………….. 81 6.8. Структура ядра атома азота……………………………………………… 82 6.9. Структура ядра атома кислорода……………………………................. 82 6.10.Стрктура ядра атома фтора……………………………………………… 83 6.11. Структура ядра атома неона……………………………………………. 83 6.12. Структура ядра атома натрия………………………………………….. 84 6.13. Структура ядра атома магния……………………………….………….. 84 6.14. Структура ядра атома алюминия……………………………................ 85 6.15. Структура ядра атома кремния………………………………………… 85 6.16. Структура ядра атома фосфора………………………………………… 86 6.17. Структура ядра атома серы………………………………….…………. 86 6.18. Структура ядра атома хлора……………………………….…………… 86 6.19. Структура ядра атома аргона………………..…………………………. 86 6.20. Структура ядра атома калия……………………………….……............ 87 6.21. Структура ядра атома кальция…………………………..……………… 87 6.22. Структура ядра атома скандия…………………………………………. 88 6.23. Структура ядра атома титана…………………………………………… 88 6.24. Структура ядра атома ванадия…………………………………............. 88 6.25. Структура ядра атома хрома………………………..…………………... 89 6.26. Структура ядра атома марганца………………….…..………………… 89 6.27. Структура ядра атома железа…………………………..…….................. 89 6.28. Структура ядра атома кобальта…………………………..…….............. 90 6.29. Структура ядра атома никеля………………………………..…………. 90 6.30. Структура ядра атома меди .……………………………….................... 90 6.31. Анализ процессов синтеза атомов и ядер……………………………… 91 6.32. Краткие выводы………………………….……………………………… 98 7. Модели атомов и молекул…………………….…………..……............ 98 7.1. Структура атома водорода………………………….…………............. 98 7.2. Модели молекулы водорода…………………………………………….. 103 7.3.Структура атома гелия …………………………….................... ………. 106 7.4. Структура атома лития………………………………………………….. 116 7.5.Структура атома бериллия….…………………………… ……………. 113 7.6.Структура атома бора……………………………………..………............ 117 7.7.Структура атома углерода………………………………………………. 118 7.8. Структура атома азота……………………….......................................... 122 7.9. Структура атома и молекулы кислорода….………………..................... 124 7.10. Структуры молекул и ………………………………….. 125 7.11. Структура молекулы аммиака…………………………..…………….. 125 7.12. Структура молекулы воды и её ионов………………………………… 126 7.13. Энергетика молекул кислорода, водорода и воды………………….. 131 7.14. Кластеры воды…………………………………………………………. 135 8. Термодинамика микромира…………………………………………….. 139 8.1. Вводная часть……………………………………………………………. 139 8.2. Закон излучения абсолютно чёрного тела…………………………….. 140 8.3. Физический смысл тепла и температуры………………………………. 147 8.4. Температура плазмы…………………………………………………….. 155 8.5. Различия между термодинамиками микро- и макромира…………….. 158 9. Введение в электродинамику и статику микромира………………… 159 9.1. Вводная часть……………………………………………………………... 159 9.2. Плюс-минус, юг-север……………………………………………………. 160 9.3. Электроны в проводе с постоянным напряжением……………………. 163 9.4. Электроны в проводе с переменным напряжением…………………….. 164 9.5. Принципы работы электромоторов и электрогенераторов…………….. 166 9.6. Принцип работы диода…………………………………………………… 168 9.7. Зарядка диэлектрического конденсатора………………………………. 170 9.8. Разрядка диэлектрического конденсатора……………………………… 172 9.9. Конденсатор + индуктивность………………………………..……….. 173 9.10. Электростатика………………………………………………………….. 175 9.11. Физхимия электрической дуги…………………………………………. 180 9.12. Фотоэффект …………………………………………………………….. 184 9.13. Анализ эффекта Комптона……………………………..………………. 189 9.14. Передача и приём электронной информации ……………………….. 194 10. Трансмутация ядер…………………………………………… .. …........ 204 10.1. Альфа – распад………………………………………………………….. 204 10.2. Бета – распад……………………………………………………………. 206 10.3. Искусственная радиоактивность ядер…………………………………. 208 10.4. Трансмутация ядер атомов в Природе…….. 209 10.5. Холодно-ядерный нагрев воды……………………………….. 212 11. Научные проблемы энергоэффетивности………………………………… 216 12. Вода – источник энергии……………………….. 241 12.1. Вводная часть………………………………. 241 12.2. Анализ процесса нагрева воды………………………… 242 12.3. Анализ процесса электролиза воды………………………… 253 12.4. Новая теория электролиза воды и её экспериментальная проверка…………… 255 12.5. Анализ процесса питания электролизёра…………………………. 262 12.6. Низкоамперный электролиз воды …………………….. 265 12.7. Вода, как источник электрической энергии……………….. 270 13. Астрофизические явления и процессы………………..….…............... 275 13.1. Вводная часть…………………………. 275 13.2. Эффект Доплера ……………………………..………………..………… 275 13.3. Спектр излучения Вселенной………………………….….……………. 283 13.4.Анализ опыта Майкельсона- Морли ………………………… 288 13.5. Как родились планеты Солнечной системы…………………………… 290 14.. Главный закон материального мира……………….……………… 301 15. ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………… 308 Литература …………………………………………………………………… 310 Приложение № 1 …………………………………………………..…………. 310 ПРЕДИСЛОВИЕ Физика микромира должна базироваться на надёжных критериях её достоверно-сти. Оценка достоверности процессов и явлений, протекающих в микромире, значительно сложнее оценки достоверности процессов и явлений в макромире. История науки свиде-тельствует, что самыми первыми и самыми надёжными критериями достоверности теоре-тических результатов научных исследований являются аксиомы – очевидные утвержде-ния, не имеющие исключений и не требующие экспериментальной проверки своей досто-верности. Первые аксиомы точных наук сформулировал Евклид в III веке до нашей эры. Они до сих пор играют ведущую роль в точных науках. Однако в списке аксиом Евклида отсутствует главная обобщающая аксиома - аксиома Единства пространства, материи и времени. Совместное существование пространства, материи и времени, как первичных элементов мироздания, и их независимость друг от друга – очевидный факт, не имеющий исключений и не требующий экспериментальных доказательств своей достоверности. Движение материального объекта в пространстве всегда сопровождается течением време-ни. Это научное утверждение имеет все черты очевидности и не имеет исключений, по-этому у нас есть основания назвать, совместное, не отделимое друг от друга состояние первых элементов мироздания, аксиомой Единства и использовать её в качестве критерия при доказательстве достоверности результатов научных исследований. Отметим, человечеству потребовалось более 2-х тысяч лет, чтобы заметить не фи-лософскую, а естественно-научную значимость аксиомы Единства и увидеть её судейские функции в оценке достоверности результатов научных исследований. Формирование знаний о микромире начинается с формирования представлений о структурах и взаимодействиях его обитателей, которые имеют количественные характе-ристики, поэтому перед входом в микромир необходимо иметь четкие представления о масштабе единиц, в которых представляются такие характеристики. Следующей важной особенностью при формировании новых знаний о микромире, является последовательность представления информации о его обитателях. Она формиру-ет логику научного мышления и помогает исключать противоречия, возникающие на пути познания. Главный критерий достоверности знаний о микромире - минимум или полное от-сутствии противоречий в описании структур и - поведения всех его обитателей: фотонов, электронов, протонов, нейтронов, ядер, атомов, молекул и кластеров. Новая научная ин-формация об обитателях микромира уже является, глубоко замкнутой совокупностью но-вых знаний о нём. Это главный критерий их достоверности, который гарантирует неогра-ниченность срока существования фундамента этих знаний и полностью исключает воз-можность его разрушения в будущем. Будущие научные результаты будут углублять но-вую совокупность физических знаний. Изложенные основные принципы построения учебника по физике микромира – необходимые условия для формирования новых, прочных и непротиворечивых знаний о нём. ВВЕДЕНИЕ Под совокупностью понятий «Физика микромира» будем понимать словесно-математическое описание основных обитателей микромира: фотонов, электронов, про-тонов, нейтронов, ядер, атомов, молекул и их кластеров наиболее близкое к реальности. Главными критериями оценки близости к реальности описываемых процессов и явлений являются аксиомы и те постулаты, математические модели которых имеют однозначную связь с результатами экспериментов. Известно обилие статистической экспериментальной и теоретической информации об основных обитателях микромира и об их поведении. Методы формирования такой ин-формации и критерии оценки её достоверности уже давно исчерпали свои возможности в познании глубин микромира. Эти методы приводят к результатам волнового или веро-ятностного характера поведения обитателей микромира. Однако, в любом случае они – локализованные (ограниченные в пространстве) образования, поэтому следующий этап познания микромира – раскрытие законов локализации его обитателей, а также законов формирования их внутренних структур и взаимодействий. Давно существует необходимость разработки новых методов познания микромира, которые позволяли бы получать информацию об индивидуальном поведении всех его уча-стников, но её реализация оказалась не простой задачей. И, тем не менее, она уже решена. В результате появилась новая теория микромира, которая позволяет описывать структуры, а также индивидуальное и коллективное поведение: фотонов, электронов, протонов, ней-тронов, ядер, атомов, молекул и кластеров. Новая информация о микромире является следствием нового анализа физической сути исходных научных понятий, на которых ба-зируются наши знания об окружающем мире. Главным исходным понятием, отображающим суть окружающего нас мира, явля-ется понятие пространство. Не было бы пространства, не было бы ничего. Следующими по важности являются понятия материя и время. Обратим внимание на основные свойства физической сути, заключённой в ис-ходных научных понятиях: пространство, материя и время. Прежде всего, нам известно, что в Природе нет таких явлений, которые бы могли влиять на пространство: сжимать его, искривлять или растягивать. Оно никому не подвластно, поэтому у нас есть все основания считать пространство абсолютным, то есть независимым ни от чего. Утверждение об относительности пространства, на котором базировалась теоре-тическая физика ХХ века, до сих пор не имеет однозначного экспериментального доказа-тельства его достоверности, поэтому мы не принимаем его во внимание. Следующее понятие – материя. Оно относится к понятиям с необозримой смысло-вой ёмкостью и поэтому исключается возможность его однозначного определения. Мате-рией можно назвать всё, что существует в пространстве: от элементарной частицы до га-лактики. Поскольку мы до сих пор не знаем источник, рождающий материальные объек-ты, то у нас нет пока оснований считать материю абсолютной. Понятие время – самое загадочное. Тем не менее, нам известно, что в Природе нет таких явлений, которые могли бы влиять на время, ускорять или замедлять темп его тече-ния. Поэтому у нас есть все основания считать время абсолютным – никому и ничему не подвластным. Утверждение об относительности времени, на котором базировалась теоретиче-ская физика ХХ века, не имеет ни одного прямого экспериментального доказательства его достоверности. Зафиксированное изменение темпа течения времени различными прибо-рами в различных условиях отражает свойства самих приборов, но не факт изменения темпа течения времени. Поэтому мы полагаем, что заблуждение об изменении темпа те-чения времени само собой уйдёт из сферы деятельности ученых в раздел истории науки. Итак, мы определились с содержанием и свойствами первичных научных понятий, на которых мы будем базировать наши научные суждения. Теперь мы обязаны найти не-зависимого судью правильности использования этих понятий в научном поиске. Для это-го ещё раз отметим самые фундаментальные свойства первичных элементов мироздания пространства, материи и времени. Они существуют независимо друг от друга и в то же время - вместе. Их разделить невозможно. Материя не может существовать вне простран-ства. Время может течь лишь в пространстве, содержащем материю. Значит, все три первичные элемента мироздания: пространство, материя и время, проявляя свою независимость, существуют в неразделённом состоянии. Это свойство пространства, материи и времени имеет все черты очевидности и не имеет исключений, поэтому ещё раз подчеркнём, что у нас есть основания назвать неразделимое существование простран-ства, материи и времени аксиомой Единства. Дальше, анализируя результаты экспериментов с участием обитателей микромира, мы увидим, что все они ведут себя в рамках аксиомы Единства, а большинство физиче-ских теорий ХХ века, описывают их поведение, за рамками аксиомы Единства. Это – главная причина сформировавшихся неисчислимых противоречий в описании поведения обитателей микромира, из которых следует ошибочность многих физико-математических теорий ХХ века. А сейчас определим понятия: аксиома, постулат и гипотеза, которыми мы будем пользоваться в нашем научном поиске. Аксиома – очевидное утверждение, не требующее экспериментальной провер-ки своей достоверности и не имеющее исключений. Поэтому достоверность аксиомы абсолютна. Она сама защищает её очевидной связью с реальностью. Научная ценность аксиомы не зависит от её признания, поэтому игнорирование ак-сиомы Единства при теоретическом описании объектов исследования эквивалентно бесплодному теоретическому творчеству. Постулат – неочевидное утверждение, достоверность которого доказывается экспериментально или - совокупностью теоретических результатов, следующих из экспериментов. Достоверность постулата определяется уровнем признания его на-учным сообществом, поэтому его ценность не абсолютна. Гипотеза – недоказанное утверждение, которое не является постулатом. До-казательство может быть теоретическим и экспериментальным. Оба эти доказательства не должны противоречить аксиомам и общепризнанным постулатам. Лишь после этого ги-потетические утверждения получают статусы постулатов, а утверждения, обобщающие совокупность аксиом и постулатов, – статус достоверной теории. Итак, мы имеем критерии для оценки достоверности любого теоретического и экс-периментального результата. Это - аксиомы и постулаты. Если теория или результат экс-перимента противоречат хотя бы одной аксиоме, то их интерпретация автоматически ста-новится ошибочной, и мы не должны тешить себя надеждами на возможность доказатель-ства достоверности такого теоретического или экспериментального результата в рамках сложившихся старых представлений о его физической сути. Если теория или результат эксперимента не противоречат аксиоме, но противоре-чат постулату, признанному научным сообществом, то мы обязаны проявить максималь-ную осторожность при их использовании в научном поиске. Это обусловлено тем, что достоверность постулата может быть относительной. В одних условиях он может давать достоверный результат, а в других - ошибочный. Появление такого случая в научном по-иске – сигнал для всех, кто использует этот постулат в качестве критерия для доказатель-ства достоверности своего научного результата. Обнаруженное противоречие должно не-медленно обсуждаться научным сообществом. В результате этого обсуждения выяснится: или постулат полностью ошибочен или область его действия ограничена. 15. ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ Новая аксиоматика точных наук вооружает исследователей новыми критериями для оценки достоверности любых теорий. Поэтому её можно назвать аксиоматикой Ес-тествознания. Список аксиом возглавляют самые главные аксиомы Естествознания: про-странство и время абсолютны, пространство, материя и время неразделимы, поэтому единство пространства, материи и времени названо аксиомой Единства. Анализ совокупности математических моделей, описывающих поведение фотонов всей шкалы излучений, показывает, что они делятся на две группы: корпускулярные и волновые. Первые описывают фотоны, как корпускулы, а вторые, как волны, поэтому ис-тинная структура фотона оставалась нераскрытой. Поиск причины такого состояния пока-зывает, что математические модели, описывающие поведение фотонов, как корпускул, соответствуют аксиоме Единства, а ортодоксальные математические модели, описываю-щие поведение фотонов, как волн, противоречат этой аксиоме. В реальной действи-тельности фотоны ведут себя в рамках аксиомы Единства, поэтому корпускулярные ма-тематические модели точно описывают их поведение, а волновые математические модели ортодоксальной физики дают лишь статистическую информацию об этом поведении и в ряде случаев полностью искажают её. Чтобы устранить противоречия между волновыми и корпускулярными свойствами фотонов, следующими из математических моделей описывающих их поведение в разных экспериментах, необходимо сформулировать постулат, утверждающий, что фотоны име-ют такую внутреннюю локализованную структуру, у которой радиус вращения фотона равен длине его волны. Если этот постулат соответствует реальности, то из тщательного анализа сущест-вующей совокупности корпускулярных математических моделей, описывающих поведе-ние фотонов, должна следовать структура модели фотона. И это действительно так. Она оказывается состоящей из 6-ти частей. Природа этих частей пока не установлена оконча-тельно. Тем не менее, все давно постулированные математические модели, описывающие поведение фотонов, выводятся аналитически из его локализованной модели, состоящей из 6-ти замкнутых по круговому контуру магнитных или электромагнитных полей. Новыми оказались лишь два параметрических уравнения укороченной циклоиды, описывающие движение центра масс фотона в рамках аксиомы Единства. Если взять одно из этих уравнений, то оно будет работать за рамками аксиомы Единства и из него автома-тически выводятся уравнения Луи Де Бройля и Шредингера, описывающие волновые свойства фотонов. Уравнения Максвелла явно противоречат аксиоме Единства, поэтому они полно-стью искажают все процессы электродинамики, а совпадение некоторых результатов их решения с экспериментальными данными превращается в случайный процесс. Модель фотона проясняет процессы передачи энергии и информации в простран-стве и позволяет получить ответы на многие вопросы микромира, остававшиеся безответ-ными. Согласованность математических моделей, описывающих структуру электрона и его поведение базируется на двадцати константах, которые убедительно доказывают дос-товерность постулатов, положенных в основу при обосновании модели электрона. Модель электрона и закон формирования спектров атомов и ионов значительно из-меняют наши представления о структуре атомов и молекул. Орбитальное движение элек-тронов в атомах автоматически уходит в раздел истории науки. Линейное взаимодействие электронов с ядрами атомов совместно с шестиполюсным магнитным полем нейтрона рас-крывает структуры ядер, а Периодическая таблица химических элементов дополняет-ся периодичностью формирования структур ядер. Химики получают новый инструмент познания структур атомов, ионов и молекул. Значительно упрощаются представления о процессе формирования химических связей и появляется возможность более точного расчета их энергетических показателей. Векторные свойства постоянной Планка автоматически включают его закон излу-чения абсолютно черного тела в число законов классической физики, а закон Вина рас-крывает тайны формирования температуры и существования её абсолютного нуля. Закон излучения абсолютно черного тела и закон Вина, совместно с законом фор-мирования спектров атомов и ионов раскрывают тайны спектра Вселенной. Они убеди-тельно показывают, что максимальный экстремум этого спектра формирует процесс син-теза атомов водорода в окрестностях звёзд, а два других экстремума, с меньшей плотно-стью излучения, формируются процессами синтеза молекул водорода и перехода их в сжиженное состояние. Эйнштейновская формула для расчёта фотоэффекта оказывается эквивалентной формуле для расчёта спектров атомов и ионов. Отсутствие длины волны излучения в формуле Шварцшильда для расчёта радиуса чёрной дыры автоматически переводит идею формирования чёрных дыр в число красивых мифов ХХ века, сочиненных учёными. Закон сохранения кинетического момента (момента импульса) уверенно занимает пьедестал главного закона материального мира. Новое понимание физико-химических процессов микромира стало возможным бла-годаря новому теоретическому описанию элементарных частиц: фотонов, электронов, протонов и нейтронов, которые генерируют эти процессы. Таким образом, новая научная информация о микромире по уровню полноты, глу-бины, детальности, взаимосвязи, достоверности и замкнутости значительно опережает старые представления о микромире, большая часть которых оказалась ошибочной. Путь для использования новой научной информации о микромире при разработке микротехнологий открыт. Он привёл к разработке первых в мире электромоторов-генераторов, которые работая в импульсном режиме, убедительно доказали полную оши-бочность существовавшего ортодоксального закона сохранения энергии и явные перспек-тивы превращения воды в основной экономный и экологически чистый источник энер-гии. Каждый, изучивший физику микромира, будет значительно опережать своих со-временников в понимании микромира и в умении правильно интерпретировать результа-ты любых экспериментов и на основании этого уверенно разрабатывать новое в любом разделе физики. 12.06.2013.
↧