Вихревые модели атомов гелия

В ядре гелия находятся два протона, которые обязаны отталкиваться друг от друга кулоновскими силами. По этой причине, после возбуждения ядро всегда должно возвращаться в состояние, при котором протоны максимально удалены друг от друга. Таких состояний всего два. В первом случае совпадают оси симметрии протонов, во втором случае экваторы протонов расположены в одной плоскости. В обоих случаях взаимное отталкивание протонов экранируется одним (He3) или двумя нейтронами (He4). Протоны притягиваются к нейтронам ядерными силами, не чувствуя друг друга через нейтронный экран. В первом случае возможен только один вариант – все нуклоны с одинаковым направлением спина расположены на одной оси, притягиваясь друг к другу полюсами. Так как с каждым протоном гибкими торцевыми вихрями связан один из электронов электронного облака, то конфигурация атома будет иметь статичный вид в виде двух слипшихся полюсами торов. Каждый электрон вращается в плоскости экватора протона по круговой или эллипсоидальной орбите.

Рисунок 1. Осевой вариант конфигурации атома гелия

Во втором случае стабильна только конфигурация, когда два протона вращаются противофазно вокруг нейтронной оси. А в электронном облаке атома каждый из двух электронов связан гибкими торцевыми вихрями с одним из протонов. Поведение протонов предсказуемо, если известен период их вращения и начальные координаты. Они всегда вращаются только в одну сторону по круговой орбите вокруг нейтронной оси. Гораздо трудней вычислить траекторию движения электронов, особенно, если период их орбитального движения больше периода орбитального движения протонов. В этом случае в атоме будет твориться полнейший хаос, который представить наглядно не представляется возможным. Поэтому рассмотрим только более наглядный случай, когда период орбитального движения электронов намного меньше периода орбитального движения протонов. В этом случае возможны два варианта конфигурации атома. В первом варианте каждый электрон вращается вокруг всего ядра.

Рисунок 2. Первый вариант плоской конфигурации атома гелия

Взаимодействие протона и электрона можно сравнить с взаимодействием хозяина и слуги.

Рисунок 3. Мгновенные снимки траекторий электронов в первом варианте

Слуга бегает вокруг хозяина, куда движется хозяин, туда вынужден двигаться и электрон, не переставая при этом бегать вокруг хозяина. На рисунке выше показано восемь мгновенных снимков траекторий электронов, снятых после каждого поворота протонов на 45 градусов. Точками показаны центры круговых траекторий. Для лучшей наглядности пропорции искажены. В реальности, когда диаметр траекторий электронов на несколько порядков больше диаметра траекторий протонов, картинка имеет совсем другой вид, при котором электроны всегда будут находиться на поверхности атома. В любом случае, как бы электроны не вращались, торцевые вихри будут пересекаться и либо рваться, либо скользить друг по другу. Взаимодействия торцевых вихрей будут дестабилизировать электронное облако до тех пор, пока атом не перейдет во второе состояние плоской конфигурации атома.

Рисунок 4. Второй вариант плоской конфигурации атома гелия

Выше на рисунке показан второй вариант конфигурации атома гелия, в котором электрон вращается не вокруг всего ядра, а только вокруг протона. Так как здесь траектории вообще не перекрываются, то в данном варианте атом гораздо стабильнее. В дальнейшем будем часто использовать этот вариант, потому что он является составной частью более сложных атомов.

Рисунок 5. Мгновенные снимки траекторий электронов во втором варианте

Во втором, более стабильном варианте, большую часть времени электроны находятся не на поверхности, а внутри атома. Такой вариант атома гелия имеет динамическое электронное облако, поверхность которого непрерывно изменяется. Так как поверхность атома не статична, то изобразить ее можно лишь условно.

Рисунок 6. Условное изображение поверхности плоского варианта

Эксперименты показывают, что в нормальных условиях атомы гелия не участвуют в химических соединениях. Но в особых условиях, при действии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на газовую смесь, были получены редкие эксимерные двухатомные молекулы He2, HeF, HeCl. Динамическое электронное облако не в состоянии непрерывно взаимодействовать с электронными облаками любых атомов, поэтому плоский вариант атома гелия должен быть химически инертен в любом случае. Но статическое электронное облако осевого атома гелия способно вступать во взаимодействие с другими атомами, если хотя бы у одного из электронов круговая траектория движения. Так как в нормальных условиях гелий химически инертен, то можно сделать вывод, что в нем совсем отсутствуют атомы осевого типа, содержащие хотя бы один электрон с круговой траекторией движения. Вероятность появления таких электронов увеличивается при уменьшении внешних возбуждений, то есть при уменьшении температуры.

Рисунок 7. Варианты осевой конфигурации атомов гелия

При низкой температуре останутся только осевые варианты атомов с круговой траекторией электронов, которые способны образовывать химические соединения. При этом возможно существование двух вариантов атомов и двух вариантов молекул.

Рисунок 8. Слипание осевых атомов гелия в эксимерные молекулы

Экваториальная молекула He-He имеет принцип строения экваториальной молекулы водорода с атомами орбитальной модели. Такая молекула тоже должна обладать свойством сверхлетучести, то есть ее существование возможно только в газовой фазе. Таким образом, в жидкой фазе могут существовать только частицы двух типов – плоский вариант атома гелия и осевые варианты атома гелия и молекулы гелия, похожие друг на друга по конфигурации. Осевые варианты и атома и молекулы гелия могут существовать в любой фазе, а при приближении температуры к абсолютному нулю полностью теряют кинетическую энергию теплового движения и перестают возбуждать соседние частицы. Перестает возбуждаться и ядро атома, которое при отсутствии возбуждений должно вернуться в основное состояние копактного сферообразного вида с максимальной энергией связи. Это состояние ядра соответствует плоскому варианту атома. То есть, при температурах, близких к температуре абсолютного нуля, нет молекул гелия, а все атомы имеют идентичное строение, отличаясь только по массе ядер Не4 и Не3. Но плоский вариант атома гелия не перестает расталкивать соседние частицы даже при температуре абсолютного нуля, потому что в ядрах этих атомов частота вращения протонов вокруг нейтронной оси не зависит от температуры. Даже если эти атомы полностью потеряют кинетическую энергию теплового движения, то протоны в них по-прежнему будут вращаться. Соответственно, будут вращаться и связанные с ними электронные лепестки атома, расталкивая и возбуждая слишком близко приблизившиеся любые соседние частицы. Можно сделать вывод, что такие атомы не могут существовать в твердой фазе. Даже при температуре абсолютного нуля субстанция из таких атомов будет находиться в жидкой фазе. И действительно, из всех известных веществ при температуре абсолютного нуля остается жидким только гелий, который превращается в твердую фазу лишь при давлении свыше 25 атм. Логично предположить, что при таком давлении все плоские атомы трансформируются в осевые и слипаются друг с другом.

Владимир Яковлев, lun1@list.ru , http://logicphysic.narod.ru , апрель 2010 года