О притяжении атомов

Несмотря на определённые успехи в изучении структуры молекул, базовые физические процессы, определяющие эти структуры, до сих пор остаются неопределёнными и подчас противоречиво описанными.
По современным представлениям: «Химическая связь имеет единую природу. Причиной единства всех типов и видов химических связей служит их одинаковая физическая природа — электронно-ядерное взаимодействие» {1}. Исходя из квантово-механических представлений «коллективные свойства (а как раз с ними чаще всего имеют дело химики-экспериментаторы) определяются суммарным, общим распределением электронной плотности, а не одним каким-либо электронным облаком (орбиталька) .или группой облаков. В этом случае не столь существенно, какую форму будут иметь эти отдельные электронные облака, главное —правильно определить распределение суммарной электронной плотности в пространстве молекулы. «Разложить» же эту суммарную плотность по атомам и связям можно очень многими способами, подобно тому как при решении физических задач можно многими способами разложить какой-либо вектор на компоненты» {2}. В свою очередь, в рамках этого представления «Молекулярная орбиталь φi определяется обычно как собственная функция некоторого одноэлектронного гамильтониана, в качестве которого в принципе должен использоваться оператор Хартри – Фока (фокиан), так как именно он оптимальным образом учитывает согласованное взаимодействие электронов в молекуле» {2, с. 205} «Конечно, тут открывается большой простор для фантазии теоретика (деформируй отдельные электронные облака атомов молекулы так, или почти так, как хочешь, (благо математика это позволяет!). Можно сосредоточить (локализовать) электронную плотность частично на атомах (в виде электронных пар внутренних оболочек атомов или неподеленных электронных пар валентной оболочки), а частично на химических связях (локализация электронов в поле двух ядер отвечает двухцентровому взаимодействию атом — атом, которое описывается классической символикой валентного штриха), а можно пользоваться и делокализованными орбиталями, охватывающими в принципе все атомные ядра молекулы. Разумный теоретик стремится воспользоваться этой свободой для того, чтобы построить модель, приемлемую для химика и пригодную для описания данного класса свойств» {2, с. 210}.
Иными словами, при всей самомнении в том, что квантово-механические подходы корректно описывают взаимодействия, в действительности, все расчёты сводятся к искусственному определению плотности электронных облаков, зависящее от разумности теоретика. В результате, например, получают образование искажённого октаэдрического фрагмента кластера в виде, представленном на рис. 1.
Из приведенного построения несложно убедиться, что вследствие активного отталкивания между собой, концентрация электронов внутри некоторого окружения положительных ионов не будет устойчивой, а следовательно само построение искусственно и не удовлетворяет принципу отталкивания электронных пар Гиллеспи — Найхолма: «Электронные пары принимают такое расположение на валентной оболочке атома, при котором они максимально удалены друг от друга, т.е электронные пары ведут себя так, как если бы они взаимно отталкивались» {4}. Причём, не как бы, а именно отталкивались, обладая зарядом. И чем ближе друг к другу расположены одноименные заряды, тем сильнее отталкивание.
Тем более ограничено представление жёстких сфер, согласно которому «длина ковалентной связи d равна сумме радиусов двух атомных остовов и диаметра связывающей электронной пары:
(1)
где re — радиус связывающей электронной пары (рис. 2)» {5}
В этой модели вообще неизвестно каким образом устанавливается связь. Более информативное представление даёт теория изогнутой связи Л. Полинга, согласно которой «изгиб химической связи вызван электростатическим отталкиванием электронов, образующих химическую связь. Под действием кулоновских сил отталкивания электронов, происходит смещение последних с линии, соединяющих ядра молекулы» {6}. Вид данного представления для молекулы водорода показан на рис. 3.
Но это представление уже нельзя строго относить к квантово-механическому представлению, поскольку в ней в опровержение принципа неопределённости Гейзенберга уже появляется детерминированная диаграмма распределения сил, которая позволяет определить направленность изгиба устойчивой связи в молекуле. Расплывчатость орбиталей только уменьшает информативность модели, не добавляя ничего существенного в неё. Значительно информативней и непротиворечивей является классический аналог, представленный на рис. 4.
В отличие от рис. 3, здесь уже чётко прослеживается принцип Гиллеспи — Найхолма, силы взаимодействия приобретают детерминированные источники, хотя они и на рис. 3 уже без желания сторонником квантовых подходов тоже вынужденно определялись через детерминированные заряды. При этом, влияние электронов приводит не только к удержанию ядер, но и к их раскачиванию в такт вращений электронов по орбите. Возникающие вследствие этого колебания ядер неминуемо влияют на орбиты электронов, а значит, и на устойчивость связей, что невозможно описать никакой вероятностью и неопределённостью. Неопределённость орбиталей только запутывала схему, а вместе с чем выпадают из поля зрения важные нюансы физического процесса, связанные также с влиянием внешнего воздействия на молекулу, прецессию и нутацию орбит. Так что, хотя детерминированная модель сложнее, но она и более информативнее. Последнее закономерно, поскольку, чем более сложным по точности является описание, тем больше нюансов физического процесса оно учитывает.
Ещё одним существенным недостатком квантово-механического подхода является то, что, опираясь на концепцию дискретных квантов-фотонов, этот подход принципиально не видит, а значит, не может описать наблюдающееся многообразие взаимодействия между атомами. В то же время, ещё в конце 19 века было установлено, что «спектры газов можно наблюдать исключительно в гейслеровских трубках, пропуская через них электрические искры. Но при этом, конечно, давление и температура опять-таки оказывают значительное влияние на спектры. Сильное давление, сближая молекулы, ограничивает свободу их колебаний и, присоединяя к световым тонам, обычно свойственные молекулам, в первую очередь ближайшие тона, расширяет линии спектра в более или менее обширные полосы; в результате этого линейный спектр превращается в полосатый. Аналогичным образом действуют и температурные изменения» {7, с. 331}. Как отметил Плюккер, «от одного и того же вещества можно получить спектры различного вида и что поэтому, раньше, чем ставить вопрос о надёжности спектрального анализа, следует установить зависимость спектров от температуры. Затем на основании более обширной работы, произведенной совместно с Гиторфом, он же указал, что для водорода, азота, паров серы и некоторых газов можно при желании получить два вида спектров: один слабый, сплошной с затенёнными участками, другой – состоящий из ряда светлых линий с тёмными промежутками. Первый вид спектров, получающийся в гейслеровских трубках при слабом давлении от тока небольшой катушки Румкорфа, Плюккер назвал спектрами первого порядка; второй вид, легко получающийся при включении лейденской банки в цепь тока, он назвал спектрами второго порядка. Так как включение лейденской банки даёт лишь кратковременное прохождение через трубку значительных зарядов электричества, следовало полагать, что причиной превращения спектров первого порядка в спектры второго является возникающая при этом высокая температура» {7, с. 331}.
За Плюкером последовал Вюлльнер. «В 1866 году он случайно заметил, что для водорода, кроме линейного и полосатого спектров, существует ещё и третий вид спектра… Он наблюдал, что ток начинал проходить при 135 мм давления; при 70 мм был уже ясно виден сплошной спектр; при 30 мм он был виден наиболее ясно, затем начинал ослабевать, причём одновременно выступали три светлые линии линейного спектра; между 3-2 мм давления сплошной спектр совершенно исчезал; указанные же линии сохраняли свою ясность. При дальнейшем понижении давления и они тускнели; под конец же вновь становилась видной часть сплошного спектра, а именно, зелёная его часть» {7, с. 331-332}.
Указанную зависимость перехода от непрерывного спектра к дискретному и обратно в зависимости от давления и температуры квантово-механический подход принципиально неспособен описать, как, впрочем, и теория Нильса Бора. Возможно, именно указанная неспособность описания, отразившаяся в качестве моделирования физических процессов, сделала невозможным распространить Нильсу Бору результаты на не водородоподобные атомы. И квантово-механический подход не преодолел эту проблему, зациклившись на квантах Планка, дискретных спектрах и искусственном уравнении Шрёдингера, до сих пор не имеющем строгого вывода.
Это опускание нюансов приводит к тому, что искусственное моделирование не видит того факта, что схема, показанная на рис. 4, является не единственным устойчивым взаимодействием в зависимости от параметров модели. В частности, автор под ником yulai-b {8} попытался описательно проанализировать взаимодействие атомов водорода, показанное на рис. 5.
Несложно видеть, что данная схема тоже устойчива. При этом в модели автор, воспользовался квазистатическим приближением и принципом Гиллеспи — Найхолма, заложив в постановку задачи: «электроны держатся подальше друг от друга, позволяя разноименным зарядам притягиваться друг к другу» {8}.
Вполне естественным был его вывод, что «теперь у нас есть отрицательно заряженный электрон, находящийся между двумя положительно заряженными ядрами атомов. Ядра обоих атомов притягиваются к этому электрону. Таким образом, электрон в данный момент связывает два атома.
Расстояние между ядрами атомов больше, чем расстояние от каждого из ядер до электрона, находящегося между ними. А мы помним, что сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Поэтому, в данный момент, сила притяжения ядер к электрону больше, чем взаимное отталкивание ядер.
Но электроны постоянно перемещаются, и поэтому через некоторое время первый электрон покидает место между ядрами, зато туда перемещается второй электрон. В этот момент роль связующего переходит электрону второго атома» {8}.
В отличие от модели Л. Полинга, в схеме yulai-b‘а электроны не постоянно находятся между ядрами, а как бы сменяют друг друга, что характерно не только для химической связи, но и для случая газообразного состояния вещества, когда расстояния между атомами значительно превосходит радиусы орбит. При этом модель как с точки зрения орбиталей приобретает вид, показанный на рис. 6.
О каком перераспределении плотности вероятности при этом может идти речь? В то же время, как было показано выше, ещё в конце 19 века была установлена определённая связь характера излучения газов от давления и температуры, свидетельствующая о взаимном влиянии атомов, расстояние между которыми превышает диаметр орбиталей.
Можно даже сказать больше, что если свести атомы на рис. 6 до пересечения орбиталей, как показано на рис. 7, то вообще не стоит ожидать дискретных спектров, которыми манипулирует квантовая механика.
Да, в этом случае плотность вероятности возрастает в области между атомами, но и спектры теперь уже конденсированных сред при этом существенно изменяются. Полосы переходят в ИК-область и уже характеризуют колебания в целом атомов, молекул и их кластеров, а не орбиталей: «При пропускании инфракрасного излучения через вещество происходит возбуждение колебательных движений молекул или их отдельных фрагментов. При этом наблюдается ослабление интенсивности света, прошедшего через образец. Однако поглощение происходит не во всём спектре падающего излучения, а лишь при тех длинах волн, энергия которых соответствует энергиям возбуждения колебаний в изучаемых молекулах» {9}. При этом, описание становится исключительно классическим: «Колебания молекул могут быть описаны при помощи моделей гармонического и ангармонического осциллятора» {9}. Таким образом, и при образовании связи квантово-механическое описание уже теряет свою исключительность, сводясь к режимам колебаний самих атомов и молекул, описываемых классическими методами.
Следует отметить и то, что в детерминированной модели на рис. 5 влияние орбитальных электронов, как и антисимметрия их вращения существенно влияют на саму связь в протяжение всего процесса взаимодействия, не ограничиваясь нахождением электронов между ядрами. Тепловые колебания атомов, столкновения атомов в газовой фазе могут существенно влиять на это взаимодействие, нарушая и разрушая связь. Всё это не может быть учтено вероятностными методами, закономерности которых отличаются от классических форм описания взаимодействия зарядов, какими бы поправками ни пользовались сторонники квантовой механики. Не удивительно, что при первой же проблеме в описании квантовики сами переходят к классическим взаимодействиям, противоречащим «размазыванию» электронов по орбите.
На это накладывается и то, что исходя из принципа отталкивания электронов, плотность вероятности нахождения электронных облаков в области между ядрами должна даже уменьшаться, а не возрастать. Это по самой своей сути должно приводить к обратному эффекту, чем пытаются это моделировать сторонники квантовой механики, формируя схему не на основе физики процессов, а на своё усмотрение, прикрываясь при этом заявлениями о том, что физика процессов на данному уровне нарушается в пользу их измышлений. Не физика процессов нарушается. Просто проявляется неспособность определённого рода исследователей корректно подходить к моделированию, а потому предпочитающих прятаться за статистические методы.
Как результат, полное игнорирование даже того факта, что методы квантовой механики теряют объективность описания при отсутствии наложения вероятностей. Для квантово-механического подхода, взаимодействие разнесённых в пространстве атомов, должно отсутствовать. В то же время, классический формализм показывает {10}, что сам атом даже в невозбуждённом состоянии постоянно излучает спиральную волну в том самом ИК-диапазоне, которая и обеспечивает связь и взаимную ориентацию между далеко расположенными атомами и даже прохождение механических волн в межгалактических туманностях, где плотность атомов и молекул составляет всего 1-4 единицы на см3. Вид этой спиральной волны показан на рис. 8.
Подводя итоги анализа, следует отметить, что при вероятностном описании орбитальных электронов, предпринимаемое квантовой механикой, теряются принципиально важные нюансы взаимодействия как орбитальных электронов с ядром, так и межатомного взаимодействия, которые сохраняются исключительно при детерминированном описании процессов, где опускаемые вероятностной статистикой нюансы приводят к абсолютно иному, некорректному описанию физических процессов, искусственно притягиваемому к наблюдаемому самими теоретиками. Это преимущество детерминированного подхода с особой силой проявится во второй части, где будет предпринято рассмотрение взаимодействия атомов на основе рис. 5 с учётом комплексного запаздывания и принципа Гиллеспи — Найхолма.

Литература:
1. Виды, характеристики и механизмы образования химической связи - /
2. И.С. Дмитриев Электрон глазами химика в Справочник химика 21
3. Golart Ориентация диполей двухатомных молекул и образование
искажённого октаэдрического фрагмента кластера при конденсации паров щелочных металлов
4. Концепция гибридизации
5. Размеры электронных облаков электронных пар
6. Теория изогнутой химической связи
7. Ф. Розенбергер. История физики за последнее (XIX) столетие, М.-Л., «Научно-техническое издательство НКТП СССР» 1936 год.
8. Модель соединения атомов в молекулы
9. Инфракрасная спектроскопия – Википедия
10. С.Б. Каравашкин Поле синхронно движущихся источников ч. 9. Внешнее поле вращающегося диполя // блог «Classical Science».