Вход через социальные сети

  • 19.11.2017, 01:50
    0 up down
    Сообщение

    В настоящей работе показано неприменимость принципа Паули к химической связи, и предлагается новая теоретическая модель химической связи на основе принципа неопределенности Гейзенберга.

    See pp. 88 - 104 Review. Benzene on the Basis of the Three-Electron Bond. (The Pauli exclusion principle, Heisenberg's uncertainty principle and chemical bond). http://vixra.org/pdf/1710.0326v1.pdf

    1. Принцип неопределенности Гейзенберга и химическая связь.

    Для дальнейшего анализа рассмотрим комптоновскую длину волны электрона

    λк.е. = h/(me*c) = 2.4263 * 10^(-12) m

    Комптоновская длина волны электрона эквивалентна длине волны фотона, энергия которого равна энергии покоя самого электрона (ниже приведен стандартный вывод):

    λ = h/(m*v),   E = h*γ,   E = me*c^2,    c = γ*λ,  γ = c/λ

    E = h*γ,    E = h*(c/ λ) = me*c^2, λк.е. = h/(me*c)

    где λ — длина волны Луи Де Бройля, me — масса электрона, с, γ — скорость и частота света, h — постоянная Планка.

    Более интересно рассмотреть, что происходит с электроном в области с линейными размерами меньшими за комптоновскую длину волны электрона. Согласно неопределенности Гейзенберга в данной области мы имеем квантово-механическую неопределенность в импульсе не менее m*c и квантово-механическую неопределенность в энергии не менее me*c^2 :

    Δp ≥ mе*c и ΔE ≥ me*c^2

    что достаточно для рождения виртуальных электрон-позитронных пар. Поэтому в такой области электрон уже не может рассматриваться как «точечный объект», так как он (электрон) часть своего времени проводит в состоянии «электрон + пара (позитрон + электрон)». В результате вышеприведенного, электрон на расстояниях меньших чем комптоновская длина представляет собой систему с бесконечным числом степеней свободы и его взаимодействие должно описываться в рамках квантовой теории поля. Что особенно важно, переход в промежуточное состояние «электрон + пара (позитрон + электрон)» осуществляется за время ~ λк.е./c

    Δt = λк.е./c = 2.4263 * 10^(-12)/(3*10^8) = 8.1*10^(-20) s

    Теперь попытаемся все вышеприведенное использовать для описания химической связи применяя теорию относительности А. Ейнштейна и принцип неопределенности В. Гейзенберга. Для этого сделаем одно предположение: допустим, что длина волны электрона на боровской орбите (атома водорода) это та же комптоновская длина волны электрона, но в другой системе отсчета, и как следствие этого есть большая в 137 раз длина волны (за счет эффектов теории относительности):

    λк.е. = h/(me*c) = 2.4263 * 10^(-12) m

    λб. = h/(me*v) = 2*π*R = 3.31*10^(-10) m

    λб./λк.е. = 137

    где R = 0.527 Å, Боровский радиус.

    Так как длина волны Де Бройля в атоме водорода (по Бору) в 137 раз больше комптоновской длины волны электрона, то вполне логично можно предположить, что энергетические взаимодействия будут слабее в 137 раз (чем больше длина волны фотона, тем меньше частота а значит и энергия). Отметим, что 1/137.036 это постоянная тонкой структуры, фундаментальная физическая постоянная характеризующая силу электромагнитного взаимодействия, введена в науку в 1916 году немецким физиком Арнольдом Зоммерфельдом в качестве меры релятивистских поправок при описании атомных спектров в рамках модели атома Н.Бора.

    Для описания химической связи применим принцип неопределенности Гейзенберга:

    Δx* Δp ≥ ћ/2

    Учитывая ослабление энергетического взаимодействия в 137 раз принцип неопределенности Гейзенберга можно записать в виде:

    Δx* Δp ≥ (ћ * 137)/2

    Согласно последнему уравнению квантово-механическая неопределенность в импульсе электрона в химической связи должна быть не меньше mе*c, а квантово-механическая неопределенность в энергии не меньше me*c^2, что также должно быть достаточным для рождения виртуальных электрон-позитронных пар. Поэтому в области химической связи, при таком рассмотрении, электрон не может рассматриваться как «точечный объект», так как он (электрон) часть своего времени будет проводить в состоянии «электрон + пара (позитрон + электрон)», и поэтому его взаимодействие должно описываться в рамках квантовой теории поля.

    Данный подход дает возможность объяснить как при многоэлектронных химических связях (двухэлектронных, трехэлектронных и т.п.) преодолевается отталкивание между электронами: так как химическая связь представляет собой фактически «кипящую массу» из электронов и позитронов, то виртуальные позитроны «помогают» преодолеть отталкивание между электронами. Такой подход предполагает, что химическая связь фактически является замкнутым пространственным мешком (потенциальная яма в энергетическом смысле), в котором происходит «кипение» из реальных электронов а также из виртуальных позитронов и электронов, причем «объем» этого потенциального мешка является фактически «объемом» химической связи а также пространственной мерой квантово-механической неопределенности в положении электрона.

    Строго говоря при таком рассмотрении электрон уже не имеет определенной энергии, импульса, координаты, и не является больше «точечной частицей», а фактически занимает «весь объем» химической связи. Можно утверждать, что в химической связи одиночный электрон обезличивается и теряет индивидуальность, фактически его нет, а есть «кипящая масса» из реальных электронов и виртуальных позитронов и электронов, которые флуктуируя сменяют друг друга. То есть, химическая связь это фактически отдельная частица, как уже упоминалось, полу-виртуальная частица. Более того, данный подход можно распространить на структуру самих элементарных частиц типа электрона или позитрона: элементарная частица в таком рассмотрении есть флуктуирующий вакуум замкнутый в определенном пространственном мешке, который является потенциальной ямой для данных флуктуаций.

    Особо стоит отметить, что в таком рассмотрении электроны являются сильновзаимодействующими частицами и поэтому принцип Паули неприменим к химической связи (более подробно см. раздел «Принцип Паули и химическая связь») и не запрещает существование тех же трехэлектронных связей с кратностью 1.5.

    Вышесказанное легко продемонстрировать на примере химической связи длиной в 1 Å. Тогда длину волны Де Бройля запишем в виде (длина химической связи равна L=2*Δx):

    λ = 2*π*Δx

    и соотношение неопределенностей Гейзенберга примет вид:

    Δx* Δp ≥ (ћ * 137*2*π)/2

    откуда получим:

    L* Δp ≥ ћ * 137*2*π

    где L — длина химической связи, а Δp — квантово-механическая неопределенность импульса каждого электрона в данной химической связи.

    Откуда, получим формулу для определения неопределенности импульса в химической связи:

    Δp ≥ (ћ * 137*2*π)/ L

    Сделав необходимые расчеты при длине в 1 Å получим:

    Δp ≥ (ћ * 137*2*π)/ 10^(-10)

    Δp ≥ 9.078*10^(-22) кг*м/с

    То есть, неопределенность в импульсе больше, чем mе*c (mе*c = 2.73*10^(-22) кг*м/с) (ясно, что неопределенность скорости электрона будет больше скорости света), что и должно быть исходя из наших предположений.

     

    2. Принцип Паули и химическая связь.

    Принцип Паули — это фундаментальный принцип квантовой механики, который утверждает, что два и более тождественных фермиона (частицы с полуцелым спином) не могут одновременно находится в одном и том же квантовом состоянии. Вольфганг Паули, швейцарский физик-теоретик, сформулировал данный принцип в 1925 году [1]. В химии именно принцип Паули часто рассматривают как запрет на существование трехэлектронных связей с кратностью 1.5, но можно показать, что принцип Паули не запрещает существование трехэлектронных связей. Для этого проанализируем принцип Паули более подробно.

    Согласно принципу Паули в системе состоящей из одинаковых фермионов, две (или более) частицы не могут находится в одинаковых состояниях [2]. Соответствующие формулы волновых функций и детерминант приведены в ссылке (это стандартное рассмотрение системы фермионов), мы же сконцентрируем внимание на выводе: «...Конечно, в такой формулировке принцип Паули может применяться только к системам слабовзаимодействующих частиц, когда можно говорить (хотя бы приближенно о состояниях отдельных частиц)» [2]. То есть, принцип Паули можно применять только к слабовзаимодействующим частицам, когда можно говорить о состояниях отдельных частиц.

    Но если вспомнить, что любая классическая химическая связь образуется между двумя ядрами (это принципиальное отличие от атомных орбиталей), которые как-бы «натягивают» электроны друг на друга, логично предположить, что при образовании химической связи электроны уже нельзя рассматривать как слабовзаимодействующие частицы. Данное предположение подтверждается раннее введенным понятием о химической связи как о отдельной полу-виртуальной частице (естественно, составляющие частицу «части» не могут быть слабовзаимодействующими).

    Представления о химической связи приведенные в главе «Принцип неопределенности Гейзенберга и химическая связь» категорически отвергают утверждения о химической связи как о системе слабовзаимодействующих электронов. Наоборот, из вышеприведенного описания однозначно следует, что в химической связи электроны «теряют» свою индивидуальность и «занимают» всю химическую связь, то есть электроны в химической связи «максимально сильно» взаимодействуют между собой, что прямо указывает на неприменимость принципа Паули к химической связи. Более того, квантово-механическая неопределенность по импульсу и координате, фактически строго указывает на то, что в химической связи электроны представляют собой систему «максимально» сильновзаимодействующих частиц, а вся химическая связь представляет собой отдельную частицу, в которой нет места понятию об «отдельном» электроне, его скорости, координате, энергии и т. п. описанию. Это принципиально не верно. Химическая связь представляет собой отдельную частицу, названную нами «полу-виртуальной частицей», это составная частица, которая состоит из отдельных электронов (сильновзаимодействующих), и пространственно расположенная между ядрами.

    Таким образом, введение трехэлектронной связи с кратностью 1.5 обоснованное с химической точки зрения (просто объясняет структуру молекулы бензола, ароматичность, структуру органических и неорганических веществ и т.п.) находит свое подтверждение при анализе принципа Паули и логическим предположением о химической связи как о системе сильновзаимодействующих частиц (фактически отдельной полу-виртуальной частицы), и как следствие неприменимостью принципа Паули к химической связи.

    1. Pauli W. Uber den Zusammenhang des Abschlusses der Elektronengruppen in Atom mit der Коmplexstruktur der Spektren,— Z. Phys., 1925, 31, 765—783.

    2. А.С.Давыдов. Квантовая механика. Издание второе. Издательство «Наука». Москва, 1973 г., стр. 334. 

    See pp. 88 - 104 Review. Benzene on the Basis of the Three-Electron Bond. (The Pauli exclusion principle, Heisenberg's uncertainty principle and chemical bond). http://vixra.org/pdf/1710.0326v1.pdf

    http://vixra.org/author/bezverkhniy_volodymyr_dmytrovych

     

    Сообщение было отредактировано chemist908 в 19.11.2017, 01:16.

     

    Сообщение было отредактировано chemist908 в 19.11.2017, 01:39.

     

    Сообщение было отредактировано chemist908 в 19.11.2017, 01:50.