Единое окно доступа к образовательным ресурсам

"Сверхпроводимость электричества" как понятие о сверхъестественном явлении, тогда как в действительности, оно есть метастабильное сверхдианамагничивание веществ

Голосов: 2

Выполнен анализ основных экспериментов, их интерпретаций и множества теорий так называемой "сверхпроводимости электрического тока" в металлах и других твердых телах при низких (криогенных) температурах. Показана ошибочность представлений о "сверхпроводимости". Доказывается, что явление, названное Камерлинг-Онессом сверхпроводимостью, не является таковым и оно не обусловлено невероятной сверхтекучестью электронов в теле. Утверждается, что обнаруженное К-Онессом явление есть метастабильная диаполяризация электронной структуры атомов и, как следствие этого, сверхдианамагниченность всего тела. Изложена оригинальная модель микроскопической теории сверхмагнетизма. Разрабатываемый автором подход к созданию новой теории сверхдианамагничиваемости веществ при низких закритических температурах представляется более адекватным физической природе этого явления, что очевидно позволит решить многие принципиальные вопросы науки и практики использования сверхдиамагнетизма в технике будущего. Для инженерно-технических, научных работников, аспирантов и студентов, занимающихся или интересующихся проблемами физики и технологий производства новой техники.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
         Уравнение Шредингера составлено для случая водородопо-
добных атомов, когда предположительно, что электрон вращает-
ся вокруг ядра по круговой орбите и взаимодействуют исключи-
тельно только с центральным полем ядра. В уравнении Шредин-
гера взаимодействие электронов между собой не учитывается, а
волновая функция Ψ не определена.
     Следует отметить и еще одно достижение планетарной мо-
дели атома.
     Бесспорно, что орбиты движущихся электронов в атоме не
произвольны, не хаотичны, а строго определены. Орбиты элек-
тронов группируются по слоям (пространственно-энергетическим
уровням). Энергии электронов каждого слоя практически равны
друг другу. Энергии электронов, орбиты которых относятся к
разным слоям (уровням), существенно разнятся. «На каждой ор-
бите может одновременно находиться не более двух электронов»,
отличающихся спинами (от англ. слова spin – веретено), т.е.
должны отличаться направлениями своих вращательных движе-
ний [30, т.II. стр. 127]. С другой стороны, утверждается в [33, стр.
316], что «в определенном стационарном состоянии атома ника-
кие его два электрона не могут находиться в одном и том же со-
стоянии». Это утверждение квантовой теории атома получило на-
звание принципа Паули. Так как на орбитах электроны в свобод-
ных водородоподобных атомах не могут иметь одинаковые со-
стояния то, следовательно, они не могут находиться на одной ор-
бите. Значит, на каждой орбите должно быть по одному электро-
ну. По Паули в водородоподобном атоме количество электронов
в стационарном состоянии равно N=2n2, где n – главное кванто-
вое число. При n=1, как у водородоподобного гелия, на стацио-
нарных орбитах электронной оболочки находятся два электрона.
Но так как на одной орбите может быть только один электрон, то,
очевидно, у каждого электрона гелия своя орбита (нет коллек-
тивной орбиты для многих электронов определенного простран-
ственно-энергетического уровня).
     Если для двухэлектронного атома гелия планетарная модель
противоречива, то для многоэлектронных атомов она не подхо-
дит вовсе. Если электроны, находясь каждый на своей орбите, от-
талкиваются друг от друга, то их наиболее устойчивые круговые


                                 61


орбиты должны расходиться и смещаться относительно ядра, т.е.
становиться нецентристскими. Однако ученым еще долгое время
трудно было отказаться от привычной планетарной модели ато-
ма.
     Так, например, в обобщенной атомной теории Н. Бора со-
хранена планетарная модель – электроны в атомах по-прежнему
совершают движения вокруг ядра под действием кулоновских
сил. Поэтому теория Бора не могла описать все возможные ста-
ционарные состояния движущихся электронов. Известно, что
кроме круговых орбит возможны еще и эллиптические, но все
они являются центролистскими, в которых движениям электро-
нов задаются траектории с центром, где находится ядро атома, но
на самом деле электроны вовсе не обязаны двигаться именно так.
Вероятно, возможны и другие конфигурации стационарных ор-
бит движения электронов в атомах. В подтверждение этого «вы-
яснилось, что электронам присущи свойства, не согласующиеся с
представлением о планетарном их движении» [33, стр. 287].
     Непланетарные (нецентристские) модели электронных ор-
бит атомов предложены нашими соотечественниками В.К. Гри-
горовичем [19-21] и М.М. Протодъяконовым [50-51].

       3.2. Непланетарные модели атома и магнетизм

     С помощью планетарной модели атомов невозможно объяс-
нить их взаимосвязи в молекулах, в кристаллических решетках, в
разнообразно структурированных и аморфных твердых телах.
Поэтому начиная, по-видимому, с В. Гейтнера и Ф. Лондона
(1927 г.) вплоть до наших дней предпринимались многочислен-
ные попытки преодоления вышеназванной трудность на пути от-
каза от планетарной модели атома.
     Если исходить из широко распространенного представления
о металлах, то, естественно, необходимо признать, что взаимо-
действие коллективизированных электронов с ионами в металли-
ческих решетках является ненаправленным и, при сферической
симметрии внешних электронных оболочек ионов, должно при-
водить к плотным кристаллическим упаковкам. Однако большин-
ство металлов имеют неплотные структуры и расстояния между
соседними ионами не всегда одни и те же. По утверждению В.К.

                              62


Григоровича это «свидетельствует о наличии направленных свя-
зей и требует введения представлений о несферической симмет-
рии ионов» [6, стр. 204].
     Попытки связать только внешние электроны попарно в ва-
лентные связи предпринимались Л. Полингом, В. Юм-Розери и
другими. Однако эти попытки не дали достаточно убедительного
объяснения связи кристаллической структуры металлов с их
электронным строением. Кроме того, это в корне подрывало
представление о «свободных электронах» – электронах проводи-
мости, и поэтому всерьез не принималось.
     В последние годы В.К. Григорович предположил теорию, в
значительной степени устраняющую многие противоречия и не-
достатки укоренившихся представлений об электронной структу-
ре металлов.
     Так, например, В.К. Григорович, исследовав микрострукту-
ры металлов и сплавов и их свойства, предложил принципиально
новый подход «построения квантово-механической теории, объ-
ясняющей структуру металлов, основанную на объединении мо-
дели коллективизированных валентных электронов, взаимодей-
ствующих с решеткой, с представлениями об образовании ва-
лентных σ – связей между подвалентными электронами внешних
оболочек ионов». Сущность «такого подхода заключается в со-
хранении за валентными электронами в металле функции осуще-
ствления металлического взаимодействия с решеткой и элек-
тронных свойств металла и в привлечении к образованию на-
правленных связей, определяющих структуру металла, ранее не
учитывающихся подвалентных электронов внешней оболочки
металлических ионов. Такая модель позволяет дополнить элек-
тронную теорию металлов представлениями квантовой химии о
валентных связях».
     Исходя из анализа уравнения Шредингера В.К. Григорович
пришел к выводу, что «для всех ρ – состояний электронов,
…независимо от главного (квантового – В.Ф.) числа n, волновые
функции представляют гантели, вытянутые вдоль осей прямо-
угольных координат… Гантелеобразную форму имеют и d-
орбитали… Главными типами валентных связей в молекулах и



                             63


ковалентных кристаллах являются двухэлектронная двухцентро-
вая обменная σ-связь и двухэлектронная π-связь» [20, стр. 44-45].
     Устойчивая связь между атомами, по представлению В.К.
Григоровича, обеспечивается частичным перекрытием крайней
части гантелеобразных орбит валентных электронов взаимосвя-
занных атомов. На рис. 12 приведены электронные структуры от-
дельных молекул водорода, фтора, кислорода и азота [20, стр.
46].




    Рис. 12. Образование σ- и π-связей в молекулах водорода, фтора,
                           кислорода и азота

     Приведем структуры некоторых типов кристаллов. На рис.
13 показана кубическая (а) и объемноцентрическая кубическая
структура (б) кристаллической решетки [20, стр. 94].




                                  64


               а)                               б)

       Рис. 13. Металлические связи в кристаллических структурах:
  а – кубическая и б – объемноцентрическая кубическая (ОЦК) решетки

      Представление об электронной структуре атомов, развивае-
мое В.К. Григоровичем и другими, в значительной степени оп-
равдано и во многих случаях хорошо согласуется с эксперимен-
тальными данными. Однако и такое представление не решает
полностью проблему межатомной связи, ибо остается не выяс-
ненным сам механизм этой связи – механизм взаимодействия
электронов, орбиты которых пересекаются. Пересечение траекто-
рий частиц (электронов) не требует однозначно их взаимодейст-
вия, обеспечивающего устойчивую, постоянную связь между ни-
ми, стабильность межатомной связи, устойчивость кристалличе-
ской решетки. Все это привносится, постулируется и считается
само собой разумеющимся.
      Радикальным в гипотезе В.К. Григоровича является то, что
межатомное, структурообразующее взаимодействие металлов пе-
реносится на второй электронный уровень, оставляя внешний
электронный уровень свободным от участия в кристаллообра-
зующихся межатомных связях, «при этом полностью сохраняется
теория свободных электронов…, поскольку внешние валентные
электроны не привлекаются к объяснению направленных связей»
[18, стр. 213]. Но остаются ли эти внешние, свободные от уста-
новления направленных связей, электроны при своих атомах или
обобществляются? Вопрос можно сформулировать несколько
иначе. Возникает ли электронный газ в момент начала передачи
электрической энергии через металл или свободные электроны


                                 65


присутствуют в металле и в то время, когда в нем нет электриче-
ского тока?
     Из модели Григоровича и зонной теории, действительно,
следует вывод о том, что внешние электроны атомов металлов
должны быть «почти свободными», т.е. с относительно малой
энергией взаимосвязи с ядром. При воздействии на эти электроны
разности потенциалов электрического поля происходит:
1) отрыв электронов (внешних, «почти свободных») и
2) их движение в направление действия силы.
     Так появляется ток проводимости. В этом случае внешние
электроны действительно коллективизируются, но при возникно-
вении электрического тока, а не до этого.
     Для решения проблемы «сверхпроводимости» в ее прежнем
названии, т.е. для объяснения сверхнамагничиваемости, модель
электронного строения атомов и тел по В.К. Григоровичу не под-
ходит, так как в ней нет места пространственным диполям (атом-
ным микромагнитикам) и поэтому нет наглядного (модельного)
представления о природе магнетизма: ферромагнетизма, пара-
магнетизма, диамагнетизма и сверхмагнетизма.
     В модели В.К. Григоровича электроны в атоме двигаются
независимо друг от друга, т.е. электроны будто бы не взаимодей-
ствуют между собой, а должны отталкиваться как одноименные
(отрицательные) электрические заряды.
     Кроме оригинального представления В.К. Григоровича о
внутренним строении атомов и металлов, есть и другая неплане-
тарная модель атомов и твердых тел М.М. Протодъяконова. В
своих работах [50-52] М.М. Протодъяконов вкорне порывает с
идеей свободных, обобществленных электронов в металлах нахо-
дящихся в непроводящем (нормальном) состоянии. Кроме того,
он показал, что волновое уравнение Э. Шредингера написано для
одного электрона в атоме, т.е. только для водорода, в котором
электрон по теории должен вращаться вокруг ядра. Но и в этом
случае планетарная модель не вполне годится. Спутники планет
вращаются по одной фиксированной для них орбите, а не само-
произвольно, тогда как считается, что электрон в атоме водорода
и электроны в водородоподобных атомах вращаются по самопро-
извольно меняющимся в пространстве положениям круговых ор-
бит. Однако М.М. Протодъяконов показал, что в одноэлектрон-

                              66


ном решении уравнения Э. Шредингера волновая функция сим-
метрична и наибольшие вероятности прохождения круговой ор-
биты электрона вытянуты вдоль трех произвольных осей прямо-
угольных координат x, y и z. Уравнение Шредингера составлено
для случая таких водородоподобных ядер, в которых электроны
взаимодействуют только с центральным полем ядра. В уравнении
Шредингера взаимодействие электронов между собой не учиты-
вается. Однако ясно, что даже в случае двух электронов в атоме
каждый электрон движется в нецентральном поле и поэтому его
орбита не является сферической и центральной – сказывается по-
ле электронов.
     В уравнение Шредингера, вообще говоря, необходимо вве-
сти дополнительные члены, учитывающие нецентральность поля,
в котором вынуждены двигаться электроны всех атомов за ис-
ключением водорода. Но даже само «…уравнение Шредингера
для системы трех тел не может быть точно проинтегрировано.
Тем более это относится к последующим атомам, содержащим 4,
5, 6 и т.д. частиц» (М.В. Волькенштейн). Учет нецентральности
поля, в котором движется уже второй электрон и последующие,
делает решение уравнения Шредингера невозможным. В тепе-
решнем его виде найти решение для атома с Z=100 невозможно,
«даже если покрыть всю поверхность Земли электронными вы-
числительными машинами и заставить их непрерывно работать
столько времени, сколько существует наша галактика» [50, стр.
7].
     Но, оказывается, существует другой метод, позволяющий
построить электронную модель атомов, не противоречащую
квантово-волновой механике. Собственно именно такой метод
разработан профессором М.М. Протодъяконовым.
     В основание электронной модели атомов М.М. Протодъяко-
нова положено представление о том, что, отталкиваясь друг от
друга, электроны стремятся к такому динамическому взаимному
расположению, при котором каждый из них был бы в наимень-
шей степени экранирован от ядра зарядами прочих электронов.
Это возможно только при некотором симметричном расположе-
нии электронов [51].
     При моделировании структур атомов и их соединений М.М.
Протодъяконов рассматривал структуры только внешних (ва-

                              67


лентных) орбит электронов в виде тороидов, аналогичных пока-
занным на рис. 11. Изображения атомов с двумя и тремя торои-
довидными орбитами валентных электронов показана на рис. 14
[51].




                   а)                      б)

  Рис. 14. Схемы электронных оболочек атомов с двумя (а) и тремя (б)
                       валентными электронами

     Схема строения графита по М.М. Протодъяконову приведе-
на на рис. 15.




             а)


                                                б)
           Рис. 15. Схемы электронных оболочек графита:
      а – шестиугольное углеродное кольцо; б – решетка в плане

     Приведем, для большей убедительности и наглядности, еще
две структуры кристаллов. На рис. 16 показана структура граней
кубической решетки [50] и структура кристалла льда [51].




                                  68


             а)                                        б)

                 Рис. 16. Схемы электронных оболочек:
       а – на гранях куба; б – структура кристалла льда (в плане)

     Принципиально важным в протодъяконовских моделях яв-
ляется то, что: 1. тороидовидные орбиты имеют все электроны
сложного атома и их расположение не центрировано относитель-
но ядра атома, как это у единственного электрона водорода; 2.
при наличии четного количества валентных электронов в атоме,
два электрона образуют связанные пары (диполи) при этом элек-
троны находятся на противоположных сторонах от центра атома
(ядра); 3. взаимосвязь атомов обеспечивают (осуществляют) кон-
тактирующие электроны посредством своих электромагнитных
полей.
     Однако модели атомов, их электронные структуры не рас-
смотрены М.М. Протодъяконовым в целом, т.е. во всем объеме
атомов, а только с позиций учета внешних валентных электронов
атомов породообразующих минералов и сходных с ними ве-
ществ.
     Далее, в порядке уточнения и развития метода М.М. Про-
тодъяконова попытаемся построить электронные модели атомов,
основываясь на некоторых фактах и соответствующих им пред-
положениях.
     Признаем, что на установление одной устойчивой связи
атомов в твердом теле каждый атом «отдает» («задействует»)
один электрон из своего пространстенно-энергетического уровня


                                   69


электронной структуры, формирующего межатомную структуру.
Поэтому максимальное число электронов структурообразующего
уровня не может быть больше числа возможных непосредствен-
ных связей данного атома с другими атомами. Если обратиться к
кристаллическим структурам и, в частности, к кристаллическим
структурам металлов, то видно, что отдельные атомы в элемен-
тарных (простейших) ячейках имеют следующее количество свя-
зей: в кубической решетке – 6, а в октаэдрической – 8. Все дру-
гие, т.е. сложные кристаллические структуры, состоят из соеди-
нения элементарных ячеек. Так, например, объемно центриро-
ванная кубическая (ОЦК) решета состоит из двух простых куби-
ческих решеток, «вставленных» одна в другую. Гранецентриро-
ванная кубическая (ГЦК) решета есть комбинация четырех про-
стых кубических решеток.
      В вышеназванных элементарных или простых ячейках чис-
ло связей единичного атома равно координационному числу. Ко-
ординационное число К – это количество соседних атомов непо-
средственно окружающих каждый атом в кристаллической ре-
шетке. Но это не значит, что со всеми соседними атомами нахо-
дится во взаимодействии любой конкретно рассматриваемый
атом решетки. В ячейке объемно центрированной кубической
решетке близлежащих к данному атому находятся 8 соседних
атомов и К=8. Но так как в ОЦК решетке две сочлененных куби-
ческих решетки, то каждый атом в ней имеет 6 связей, С=6. В
гранецентрированной кубической решетке координационное
число К=12, но так как в ГЦК решетке соединено четыре кубиче-
ских решеток, то и в ГЦК решетке С=6. Кроме того, в ГЦК ре-
шетке, если соединить атомы находящиеся в центрах плоскостей
(граней) куба, то получается фигура октаидр с С=6. Такой же ок-
таидр можно усмотреть внутри двух соседних объемно центри-
рованных ячеек кристаллической ОЦК решетке. У гексогональ-
ной плотноупакованной решетки, при отношении с/а = 1,633, где
с – наибольшее расстояние между центрами ближайших атомов в
ячейке; а – наименьшее расстояние между соседними атомами
ячейки, получается при подсчетах, что координационное число
равно 12-ти. Но у многих атомов, имеющих гексогональную кри-
сталлическую решетку, отношение с/а находится в пределах 1,57-
1,64. Считается, что если с/а отличается от 1,633 (как, например,

                               70



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика