О СТРУКТУРЕ ПОСТРАНСТВА

О структуре пространства электронных оболочек в атомах

Весь прошлый год, посвящённый периодической таблице Менделеева, мне хотелось написать о том, как устроено пространство в атомах химических элементов, почему элементы именно так выстраиваются в таблице и, отчасти, почему они обладают именно такими химическими (и физическими) свойствами. Но не получилось. Тема очень большая, нужно было много прочитать и изучить.

Но вот наступил следующий год и очередной вопрос van_dakа в предыдущем посту позволил появится на свет следующему, в котором я довольно кратко позволил себе описать структуру и отчасти динамику пространства электронных оболочек в атоме. Пространства сугубо фермионного и что принципиально важно - последнего в цепочке внешних возбуждений. Так что, его возбуждение не вызывет образования никаких дополнительных пространств с дробным зарядом, как это случается в квантовом эффекте Холла, а просто разрушит его компактную структуру и превратит в состояние плазмы.

Представление об орбиталях электрона в атоме это всё-таки упрощенное квази-классическое представление. Я его использовал, чтобы хоть чуть-чуть было понятно, о чём идёт речь. В самой квантовой механике используют основное квантовое число n, орбитальный момент электрона L и его целочисленную проекцию Lm (очень интересное свойство!), меньше или равную по модулю L, на некоторое выделенное направление в окружающем пространстве. Ну, ещё полуцелый спин электрона s. Вот эти четыре величины (числа) определяют возможные (допустимые) состояния электрона (орбитали) в атоме. Даже волновые функции можно выписать для них в явном виде, которые похожи на разные наборы стоячих волн на сфере и в некотором роде "ортогональны" друг другу.

Если мы собираемся описывать "электронные оболочки" в атоме с помощью элементов некоего дискретного пространства, нам придётся со временем убедиться, что

1. невозбуждённые электроны (в пределе нулевой температуры) составляют основное, компактное или плотноупакованное состояние некоторого пространства;

2. это пространство является фермионным, потому что все его элементы являются фермионами, распределение которых по энергиям вполне описывается формулой, которую в своё время получил Э.Ферми.

3. это пространство многомерно, каждый электрон в атоме (даже внутренних "оболочек") добавляет в общее пространство одну дополнительную размерность (об этом нам косвенно говорит также ортогональность всего базового набора волновых функций электрона в атоме);

4. возбуждённые элементы фермионного пространства электронов - тоже фермионы, они могут добавляться друг к другу, группироваться вместе, но никогда не смогут "проникнуть" друг в друга, как "позволяют" это себе бозоны бозонного пространства;

5. именно такое свойство аддитивности фермионов, абсолютно несжимаемых, но вполне деформируемых, позволяет увеличиваться внутреннему пространству "электронных оболочек" при возбуждении не только светом, но и теплом с гораздо меньшей характерной энергией возбуждения;

6. именно несжимаемость, но деформируемость "электронных оболочек" заставляют расширяться кристалл при нагреве, поскольку его нагрев возбуждает в нём колебания его атомов - бозоны, а те, будучи связанными с "электронными оболочками", обмениваются с ними элементами пространства - квантами действия h, что и приводит к увеличению размеров кристалла.

Таким образом, у электронов нет никакого "лишнего" или пустого пространства в атомах. Пространство появляется (увеличивается), когда атом тем или иным способом возбуждается, и пропадает (уменьшается), когда атом вынужден отдавать элементы своего пространства окружению в силу термодинамических причин.

Кстати, плавление кристалла наступает именно потому, что тепловое возбуждение внутреннего пространства в атомах достигает некой критической величины. Выше которой оно увеличиваться не может, и подводимое тепло волей-неволей вынуждено тратиться на образование совершенно нового пространства - жидкого, характеризуемого уже другой структурой и динамикой. И, естественно, симметрией. Но это - совсем новая тема, и об этом как-нибудь в другой раз.

Искренне ваш, Дулин Михаил.