Отец кванта - резонанс
Сто лет назад, когда всемирно знаменитые физики - Нильс Бор, Эрнест Резерфорд, Вернер Гейзенберг и другие - познавали тайны атома, наука сделала огромный скачок вперёд. Конечно, предположения об устройстве природных элементов выдвигали ещё древние философы, но их формулировки были не слишком практичны. Боровская полуклассическая модель атома оказалась достаточно понятна и детальна, чтобы открыть для нас удивительный век атома, электроники и вычислительной техники.
Физика двигалась вперёд гигантскими шагами и предлагала настолько широкое поле для новых исследований, что учёным не хватило времени отточить теоретический аппарат. Так, в предложенной Резерфордом и улучшенной Бором планетарной модели атома (электрон движется вокруг ядра, испытывая силу центробежную и противодействующую ей силу электростатического притяжения) оставались неловко решённые проблемы. Какие именно? Если считать электрон точечным отрицательным зарядом, который вращается вокруг положительно заряженного атомного ядра, тогда электрон всё время движется с ускорением, следовательно, по законам электродинамики он должен терять энергию в виде электромагнитного излучения и тормозиться, всё время приближаясь к ядру. Другими словами, атом должен быстро схлопнуться. Поэтому Бор был вынужден постулировать, что атом может находиться только в особенных состояниях.
Модель электрона как точечного заряда, имеющего спин, тоже вызывала скепсис. Магнитное поле не может возникать при вращении точки вокруг собственного центра - для объяснения магнитного момента электрона нужно удалить от центра вращения хотя бы часть заряда.
Следующий пункт, который требовал уточнения, - чем определяется количество поглощаемой атомом электромагнитной энергии, необходимой для того, чтобы электрон перескочил на более высокую орбиту? Было также неясно, как электрон перескакивает с одной орбиты на другую и почему он никогда не оказывается между ними.
Физики неловко затушевали эти неувязки постулатами квантовой механики, отменив траектории движения частиц и превратив электрон из точечной частицы в облако.
В начале 1990-х американский учёный Рэнделл Миллс предложил новое классическое представление об устройстве атома - по сути уточнил модель Бора. Идея Миллса проста: рассматривать электрон в атоме не как движущийся точечный заряд, а как совокупность круговых токов, протекающих в «орбитосферах» (этот термин Миллс использует вместо слова «орбитали» из квантовой теории) с учётом спина электрона. Модель получилась вполне наглядной: атом состоит из отрицательно заряженных сферических электронных оболочек нулевой толщины и положительно заряженного ядра в их центре.
заряженную сферу, окружающую ядро
Известно, что поле от равномерно распределённого по сфере заряда точно такое же, как от расположенного в её центре точечного заряда. Так что предложенный Миллсом подход удобен для электростатических расчётов. Кроме того, по модели Миллса легко объяснить стабильность атома.
Нельзя сказать, что в этом направлении больше никто не работал. Устойчивость электронов на определённых энергетических уровнях подтверждается в статье американского физика Джорджа Годески «Неизлучающие движения зарядов и возможные выводы для квантовой теории», опубликованной в 1964 году. Другой американский физик, Герман Хаус, продолжая исследования Годески, в 1986 году показал, что ускоряющиеся заряды не излучают энергию, «если разложенное по Фурье распределение электрического тока не имеет светообразных компонентов».
Казалось бы, особой разницы между моделью Бора и моделью Миллса нет, но последняя предоставила возможность уйти от положений квантовой механики, ограничившись формулами электродинамики. Каким образом? Орбитосфера атома рассматривается Миллсом как сферическая резонансная камера, настроенная на электромагнитные волны определённой длины. Именно благодаря явлению резонанса атом поглощает строго определённое количество электромагнитной энергии (квант), в результате чего электрон переходит на более высокий энергетический уровень. В этот момент орбитосфера увеличивается в диаметре, её резонансная частота уменьшается, а потому приём энергии атомом прекращается. Поступившая с фотоном энергия оказывается заперта в ловушке сферической камеры (в ней возникает стоячая электромагнитная волна). Взгляните, как это выглядит.
Нестабильность возбуждённого состояния атома Миллс объясняет радиальным дипольным моментом. Через доли секунды после возбуждения электрон возвращается на более низкий энергетический уровень, атом излучает фотон, длина волны которого согласована с диаметром орбитосферы (точнее, частота колебаний которого согласована со скоростью вращения заряда в орбитосфере. – Прим. ред.). Не вдаваясь в излишние подробности скажем, что по методологии Миллса через уравнения электродинамики можно вывести постоянную Планка.
Рэнделл Миллс составил модели двадцати первых элементов таблицы Менделеева. Результаты расчётов по частотам поглощения и излучения электромагнитных волн точно совпали с известными спектральными характеристиками этих элементов. Лучшего подтверждения для новой теории не придумать. С её использованием был создан программный инструментарий для молекулярного моделирования Millsian (на сегодня выпущена версия 2.0).
таблицы Менделеева
Многие инженеры, изучавшие физику в университетах, при первом знакомстве с квантовой механикой испытали шок. После других разделов почтенной науки, где во главе угла стоят интуитивно понятные законы, правила и модели (одним словом, физический смысл), квантовая механика воспринимается как противоестественная система, лишённая всякой логики. Сегодня, знакомясь с учебником «Большая общая теория классической физики» Миллса (загрузите его, щёлкнув здесь), люди вздыхают с облегчением: «Как хорошо, что здравый смысл восторжествует!»
Когда Рэнделл Миллс убедился, что теория работает, он с её помощью предсказал экзотические состояния атома водорода, которые назвал словом «гидрино». Ниже самого нижнего (в понимании квантовых систем) энергетического уровня у водорода обнаружилось 137 новых уровней. Миллс обозначил их дробными числами: H(1/2), H(1/3), H(1/4) и так далее. Грубо говоря, у гидрино H(1/2) диаметр орбитосферы вдвое меньше, чем у обычного водорода, у гидрино H(1/3) - втрое и так далее. Теория предсказала, а эксперименты подтвердили, что гидрино химически инертно, причём его электрон не может перейти в возбуждённое состояние. Что это значит? Гидринный газ H2(1/N) не горит и не имеет спектра в традиционном понимании этого слова.
Водород превращается в гидрино с выделением лучистой энергии (экстремального ультрафиолета), когда вступает в резонансное взаимодействие с подходящим катализатором (ионом, атомом или молекулой), способным забрать ровно 27,2 электрон-вольта или кратное количество энергии. (Подробнее об условиях реакции вы можете прочесть, щёлкнув мышью здесь.) Гидринный газ очень текуч и быстро улетучивается в атмосферу, но его можно задержать с помощью необычных неорганических полимеров. На момент публикации этой статьи команда Миллса в компании Brilliant Light Power (BrLP) отработала 23 различных способа идентификации гидрино.
При преобразовании водорода в гидрино выделяется на два порядка больше энергии, чем при сжигании того же количества этого газа. Плотность мощности крайне высока - мегаватты на литр объёма зоны реакции, так что не удивляют технические трудности, которые возникли при создании новых генераторов энергии. Мы уже отмечали в «Энерговекторе», что инженеры из BrLP блестяще решили проблему испарения поджигающих вольфрамовых электродов, применив самовосстанавливающиеся жидкометаллические электроды - струйки расплавленного галлия, олова или серебра. Однако напрямик превратить мощнейшее экстремальное ультрафиолетовое излучение в электрический ток непросто. Проще изготовить водогрейные и паровые котлы.
Судя по темпам разработки инновационных энергоустановок в BrLP, гидринная генерация пополнит перечень первичных источников энергии примерно к 2035 году.
При подготовке статьи использованы материалы компании BrLP и книга Бретта Холверстотта «Рэнделл Миллс и поиск энергии гидрино».
Читайте другие наши материалы
