Шаровая молния облако насыщенного электронного газ

А.Т. Серков
 ООО НИЦ (Научно-инженерный центр) «Углехимволокно», 141 009. Московская обл., г. Мытищи, ул. Колонцова, д. 5. e-mail: arkady07@rambler.ru

                Краткое содержание

Образование и свойства шаровой молнии рассматриваются с позиций гипотезы П.Лапласа о преобразовании гравитационных сил тяготения в молекулярные силы при повышении плотности вещества элементарных частиц до 1012 г/см3 и, выдвинутой на основе этой гипотезы, концепции микрогравитации. Согласно ней взаимодействие элементарных частиц осуществляется за счёт сил взаимного тяготения масс частиц по обратно квадратичному закону. Константа тяготения равна 1,845.1028 с3/г с2. Появление шаровой молнии обусловлено образованием во время грозы электронного газа за счёт  термоэмиссии электронов из атмосферных газов. Вследствие охлаждения скорость электронов снижается ниже параболической. Происходит захват одного электрона другим с образованием «молекулы», состоящей из двух электронов, обращающихся по вытянутым эллиптическим орбитам. Электронный газ переходит при этом в относительно стабильное (секунды) насыщенное состояние, в котором находятся шаровые молнии. Радиус электронных молекул, рассчитанный по красному излучению шаровых молний, равен r = 11,19.10-10см (0,1119;). Если принять, что при переходе электронного газа в жидкое состояние объём уменьшается на три порядка, то температура сжижения по расчёту будет составлять 2,6К.

1. Введение

Начнём с цитаты из известной статьи П.Л. Капицы [1]: «Природа шаровой молнии пока остается неразгаданной. Это надо объяснить тем, что шаровая молния - редкое явление, а поскольку до сих пор нет указаний на то, что явление шаровой молнии удалось убедительно воспроизвести в лабораторных условиях, она не поддается систематическому изучению. Было высказано много гипотетических предположений о природе шаровой молнии, но то, о котором пойдет речь в этой заметке, по-видимому, еще не высказывалось. Главное, почему на него следует обратить внимание, это то, что его проверка приводит к вполне определенному направлению экспериментальных исследований.
          Нам думается, что ранее высказанные гипотезы о природе шаровой молнии неприемлемы, так как они противоречат закону сохранения энергии. Это происходит потому, что свечение шаровой молнии обычно относят за счет энергии, выделяемой при каком-либо молекулярном или химическом превращении, и, таким образом, предполагают, что источник энергии, за счет которого светится шаровая молния, находится в ней самой. Это встречает  принципиальное затруднение».
В предлагаемом сообщении делается попытка на основе вновь выдвинутой гипотезы о механизме возникновения шаровых молний дать объяснение возникающему затруднению.
В предыдущем сообщении [2] подтверждена гипотеза П.Лапласа о преобразовании гравитационных сил тяготения в молекулярные силы при повышении плотности вещества в элементарных частицах до 1012 г/см3. Показано, что сила притяжения между элементарными частицами, включая электроны, определяется взаимодействием масс частиц по обратно квадратичному закону тяготения с константой микротяготения, равной 1,845.1028 см3/гс2. Это явление было названо микрогравитацией. Последовательное применение микрогравитационного закона тяготения позволяет подойти к объяснению феномена шаровой молнии с позиций орбитального [3] механизма агрегатных переходов электронного газа с применением законов молекулярно - кинетической теории. В частности, с этих позиций шаровая молния может рассматриваться как облако насыщенного электронного газа (пара), которое образуется при снижении температуры до температуры насыщения электронного газа или, выражаясь языком фазовой кинетики, перехода через бинодаль на диаграмме фазовых переходов электронного газа.
 В этом случае, естественно встаёт вопрос о возможном переходе к спинодали и жидкому состоянию электронного газа, то есть к электронной жидкости. Понятно, что объём электронной жидкости должен быть на три десятичных порядка меньше объёма электронного газа. Нахождение условий получения электронной жидкости откроет широкие возможности для создания аккумуляторов электрической энергии необычайно большой ёмкости. В этой статье делается попытка найти методологические подходы к решению проблемы.

                2. Агрегатные переходы

Три классических агрегатных состояния – газообразное, жидкое и твёрдое. В зависимости от энергетического взаимодействия между частицами каждое из перечисленных состояний может иметь модификации. Газообразное состояние может быть близким к идеальному газу или быть реальным или насыщенным газом. В последнем случае более подходящим является термин - насыщенный пар. В равной мере в зависимости от энергии взаимодействия меняются свойства жидкости и твёрдого тела. Жидкость может состоять из сольватных соединений (ассоциатов) разного состава, и потому иметь разные свойства. Особенно наглядно это проявляется  в твёрдом состоянии, где при одном и том же химическом составе может наблюдаться несколько кристаллографических модификаций.
Наглядное представление о характере и особенностях состояния получают, если состояние вещества рассматривать с позиций энергетического взаимодействия орбитально движущихся частиц. Как указывалось во введении, между всеми частицами действует сила притяжения прямо пропорциональная произведению масс частиц и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними при необычно большом коэффициенте пропорциональности в уравнении тяготения. С позиций динамики орбитального движения это означает, что во всех состояниях молекулы и атомы находятся в орбитальном движении относительно друг друга.
Исключение представляет идеальный газ, в котором взаимодействие отсутствует, и частицы от одного соударения до другого движутся прямолинейно. Но даже при малейшем взаимодействии молекул или атомов между собой движение осуществляется по гиперболической орбите близкой к прямолинейной. Увеличение энергии взаимодействия частиц сопровождается повышением кривизны гиперболической орбиты и, когда кинетическая энергия частицы становится равной её потенциальной энергии, орбита  становится параболической, и при малейшем снижении скорости превращается в замкнутую эллиптическую. Происходит переход от газообразного состояния с разомкнутыми гиперболическими и параболическими орбитами к газообразному насыщенному состоянию с характерными для него замкнутыми вытянутыми эллиптическими  орбитами. Количественно это выражается равенством потенциальной Ер и кинетической Ек энергии:

Ер = Ек  = gme2/r = mev2/2, (1)

где: g- константа микротяготения, me- масса электрона, r- расстояние между электронами и v- средняя скорость электронов.
Уравнение (1), если его сократить на величину mе, по-существу, является хорошо известным выражением 2-ой космической скорости

v2 = 2gm/r, (2)

когда орбитальный объект переходит на разомкнутую параболическую орбиту и покидает центральное тело или, напротив, происходит захват пролетающего тела, если выполняются условия, задаваемые уравнением (2), то есть если скорость пролетающего тела на расстоянии r меньше v при массе центрального тела m. Этот случай, по-видимому, имеет место при образовании шаровой молнии в естественных условиях. После грозы из-за снижения температуры свободные электроны теряют скорость, и происходит захват одного электрона другим с образованием частицы («молекулы»), состоящей из двух орбитально связанных между собой электронов. Такие частицы имеют большую массу, соответственно, меньшую скорость и вещество изменяет свое агрегатное состояние – переходит в насыщенное состояние.
Для проверки выполнения условий перехода электронного газа в насыщенное состояние в соответствии с уравнением (2) необходимо знать массу m, скорость v и радиус r орбиты электрона.

                3. Масса электрона               

 Масса электрона относится к числу фундаментальных величин и считается равной 9,109.10-28 г. Эта величина не является непосредственно экспериментальной. Она получена из отношения заряда к массе. В развиваемой нами новой концепции электричества [1] вместо заряда принимается масса частицы, обладающая высокой плотностью и скоростью вращения, которые вызывают такие изменения силовых полей, которые воспринимаются нами, как действие электрических зарядов. В этой связи были проведены расчёты массы электрона благодаря появившимся новым возможностям после установления точного значения константы микротяготения g = 1,845.1028 см3/гс2.
 Расчёты проводили по трём схемам, и все они дали совпадающий результат, существенно отличающийся от приведенного выше «классического» значения массы электрона.
В первой схеме исходили из известного уравнения квантования орбит Бора в атоме водорода:

        me vor = nh/2;, (3)

где me, vо и r-  масса, орбитальная скорость и радиус орбиты электрона, n- квантовое число и h- постоянная Планка. Полагали, что обращение электрона происходит по первой разрешённой орбите ni = 1 согласно уравнению Бальмера-Ридберга:

; = сR(1/ni2 – 1/nj2), (4)

где ;- частота излучения, с- скорость света 2,998.1010 см/с, R- постоянная Ридберга 1,097.105 см-1, ni и nj- квантовые числа разрешённых и излучающих орбит. Согласно уравнению (4) и справочным данным для ni = 1 и nj = ; частота излучения ; = 3,2881 с-1. Одновременно частоту обращения ; можно определить по орбитальной скорости vo и длине орбиты:
             
; = vo/2;r,                (5)

По формулам (2) и (5) находим соответствующие  частоте 3,2881.1015 с-1 радиус орбиты r = 4,167.10-10 см и орбитальную скорость v = 0,8609.107 см/с. Подставив полученные значения скорости и радиуса в уравнение (3), получим для n = 1 величину массы электрона me = 0,294.10-24 г.
           По двум другим схемам расчета использовали уравнения для кинетической и потенциальной энергии атома и были получены значения массы электрона близкие к приведенной выше величине.
  Хорошее совпадение расчётных данных, как по квантовому уравнению Бора, так и по классическим выражениям для кинетической и потенциальной энергии, дает основание использовать в дальнейших расчётах полученную величину массы электрона 0,294.10-24 г. Это в 5,687 раза меньше массы протона (1,672.10-24 г) и в 5,650 раз меньше атомной единицы дальтона (1,661.10-24 г).  Правда, пересмотр такой фундаментальной величины, как масса электрона дело непростое и потребует ещё неоднократного возвращения к вопросу.

                4. Образование электронного газа в атмосфере

В физике понятие электронного газа обычно связывают с теоретической моделью, описывающей поведение электронов проводимости в электронных проводниках. При этом пренебрегают кулоновским взаимодействием между электронами. В соответствии с принятой в настоящей работе концепцией электронный газ рассматривается, как реальный газ, состоящий из индивидуальных частиц - свободных электронов с массой me = 0,2943.10-24 г. Он достаточно точно описывается законами идеальных газов.
Свободные электроны появляются при их отрыве (эмиссии) от металлов (катод в рентгеновской аппаратуре) под воздействием высокого напряжения или при отрыве от внешней орбиты атома при нагреве вещества, металла или газа. Во втором случае при нагреве газа вследствие повышения потенциальной энергии электронов происходит их смещение на внешние орбиты атома, При этом, как это следует из законов динамики орбитального движения, большое влияние на возможность отрыва оказывает возмущающее воздействие «третьего тела» - соседнего пролетающего электрона, атома или молекулы. При удалении от центра атома сила связи электрона с ядром квадратично уменьшается и на границе атома становится настолько малой, что под влиянием даже небольшого внешнего воздействия электрон может перейти в свободный полёт или быть захваченным пролетающим «телом». с сохранением скорости близкой к орбитальной скорости той орбиты, на которой он находился до отрыва. Это означает, что тепловая скорость электрона, определяемая из основного уравнения МКТ, должна быть близка к орбитальной скорости на внешней орбите атома.


 
         
  Рис.1. Зависимость орбитальной скорости электрона от радиуса в атоме азота.

Зависимость орбитальной скорости от радиуса атома для одного из основных компонентов атмосферы - азота представлена на рис.1. На абсциссе даётся радиус атома азота от 0,31.10-10 до 194.10-10 см. Стрелками 1. 2. 3 и 4 показаны радиусы, при которых образуются соответственно тройная (53.10-10 см), двойная ( 60.10-10 см), одинарная (70.10-10 см) и вандерваальсова связь (150.10-10 см).
На ординате приведены орбитальные скорости электронов. Наибольшая скорость 11,8.107 см/с  имеет место на 1- ой орбите при радиусе 0,31.10-10 см. Границей атома принято считать вандерваальсов радиус. Для атома азота он равен 150.10-10 см. Орбитальная скорость при этом радиусе равна 0,5349.107 см/с.
Тепловую скорость электрона для температуры 293К рассчитывали по уравнению:

v = (3RT/M) 0,5,                ( 6)

где v- среднеквадратичная скорость, R- газовая постоянная 8,314.107 эрг/моль.К, М- атомная масса электрона 0,1771, выраженная в атомных единицах массы (дальтонах). Скорость оказалась равной 0,06424.107 см/с, то есть несколько ниже орбитальной скорости на вандерваальсовой орбите, но соизмерима с ней. Следовательно, накопление свободных электронов в атмосфере за счёт отрыва от атомов атмосферных газов и образование электронного газа вполне вероятный процесс.
  Повышение температуры перед грозой приводит к увеличению потенциальной энергии газов, смещению электронов к внешним орбитам и повышенной концентрации свободных электронов в межмолекулярном атмосферном пространстве. По-существу, в данном случае происходит термоэмиссия электронов из атмосферных газов, которая активируется молекулами воды.
Тепловая скорость молекул воды при 200С равна 0,637.105см/с, то есть она сопоставима по порядку величины с орбитальной скоростью электронов. Следовательно, молекула воды может орбитально взаимодействовать с электроном и вызвать его отрыв и образование комплекса, состоящего из молекулы воды и орбитально связанным с ней  электроном е, по схеме:

N2 + H2O = N2+ +  H2O;e                (7)

При последующем охлаждении и конденсации молекулы воды образуют в конденсированном состоянии орбитальные комплексы из 4-х молекул Н2О:

4Н2О;е = (Н2О)4 + 4 е                (8)

Выделяющиеся при этом электроны вытесняются из жидкой фазы, образуя электронный газ, являющийся источником атмосферного электричества, в том числе исходным материалом для образования обычных линейных и шаровых молний.

5. Образование насыщенного электронного газа

При повышении до определённого значения концентрации или давления электронного газа, а также снижении температуры электронный газ скачкообразно переходит в насыщенное состояние. Переход происходит, как отмечалось выше, по орбитальному механизму , когда скорость движения свободного электрона ниже параболической скорости, предписываемой уравнением (2). При этом имеет место захват одного электрона другим и образуется «молекула», состоящая из двух электронов, находящихся в орбитальном движении.
Схема образования такой молекулы, состоящей из двух орбитально движущихся электронов вокруг общего центра масс, показана на рис.2. На первой стадии (рис. 2А), когда происходит захват, электроны (1) и (2) движутся вокруг общего центра масс (3) по вытянутым эллиптическим орбитам (4) и (5). Такие орбиты энергетически невыгодны. Они за счёт излучения преобразуются в круговые (6), которые изображены на рис.2В.





               


               

Рис.2. Схема образования электронной «молекулы» е2, состоящей из двух электронов (1) и (2), движущихся в начальный момент (рис А) по вытянутым эллиптическим орбитам (4) и (5) и в конечной стадии по круговой орбите (6) вокруг общего центра масс (3); r- радиус орбиты (молекулы).

Шаровая молния представляет собой облако насыщенного электронного газа, состоящего из двойных электронных молекул в соответствии со схемой, изображённой на рис.2. В такой молекуле электрон, оставаясь таковым, иммобилизован благодаря орбитальному движению и кинетически больше не является составной частью электронного газа. Увеличение атомной массы в два раза в соответствии с МКТ ведёт к понижению скорости молекулы в 1,41 раза (см. уравнение 6), что в свою очередь приводит к изменению агрегатного состояния газа. В данном случае его переход в насыщенное состояние. Электронная молекула е2 кинетически становится составной частью насыщенного электронного газа. Важной особенностью электронов в состоянии орбитального движения является большая устойчивость и сохранение энергии в виде орбитальной кинетической энергии электронов, движущихся по орбите, что согласуется с отмеченной П.Л. Капицей [1] повышенной продолжительностью высвечивания шаровых молний.
Предложенная модель орбитального взаимодействия электронов объясняет цветность шаровых молний. По оценке [4] в 60% случаев наблюдений шаровые молнии имели красный или оранжевый цвет. Частота красного излучения 0, 443.1015с-1. Зная частоту и массу электрона (me = 0,294.10-24г), можно рассчитать радиус орбиты, то есть размер электронной молекулы е2  по уравнению 3-го закона Кеплера [5]:

; = (g2Мd)0,5/2;r1,5,                (9)

где ;- частота красного излучения 0,443.1015с-1,  g- постоянная микрогравитации 1,845.1028, М- атомная масса электрона 0,1771, d- атомная единица массы, дальтон 1,661.10-24г, r- радиус орбиты (молекулы е2). Подставив в уравнение (9) значения перечисленных величин, получим  величину радиуса электронной молекулы е2 r = 11,19.10-10см (0,1119;), что составляет примерно 10% от радиуса атома водорода.

6. Комментарий к другим характерным свойствам шаровых молний

Шарообразная форма является прямым следствием действия микрогравитационного закона тяготения, который был положен в основу выдвинутой гипотезы. Согласно этому закону электроны притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной массам электронов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними при коэффициенте пропорциональности – константе микрогравитации равной 1,845.1029 см3//гс2.
Появление шаровых молний преимущественно после грозы связано с повышенной термоэмиссией электронов из тёплых атмосферных газов при активирующем действии паров воды. Повышенная концентрация электронов и пониженная температура могут приводить к возникновению насыщенного состояния электронного газа, в котором, благодаря орбитальному движению электронов относительно друг друга, более продолжительное время сохраняется энергия и существование самих шаровых молний.
Преимущественный размер шаровых молний 5 – 20 см, по-видимому, объясняется соотношением сил тяготения между молекулами е2, стабилизирующих размер шаровой молнии, и внешних сдвиговых воздействий (сопротивление воздуха, тепловые потоки, обтекание препятствий), вызывающих её дестабилизацию.
Исчезновение иногда просто испарением, но чаще с взрывом, которому предшествует контакт с проводником, можно объяснить двумя разными механизмами реализации избыточной потенциальной энергии, содержащейся в шаровой молнии. В первом случае происходит распад двойной молекулы на электроны, которые диссипируют в окружающее пространство. Во втором случае электроны реагируют с металлом с выделением энергии, равной энергии ионизации данного металла, что воспринимается, как взрыв.
Шаровые молнии проходят через щели, открытые окна и вентпроводы, так как они являются газами.

7. Возможность получения электронной жидкости

Дальнейший прогресс в раскрытии механизма образования шаровой молнии и возможного практического использования этого явления возможен только при его систематическом воспроизводстве в лабораторных условиях.
 Можно согласиться с А.Куприяновым [6], что наибольшего успеха в этом деле добился С.А. Герасименко. В 70-х годах он целенаправленно вёл работы по лабораторному получению и управлению шаровой молнией. Энергия, которой он располагал, составляла ~320 Дж, при напряжении до 250 кВ. Технология получения молнии была основана на развитии длинного канала разряда с быстрым выталкиванием части разрядного канала импульсным магнитным полем тока разряда, так, чтобы изолировать вытолкнутый участок разрядного канала от основного канала разряда. Вытолкнутая часть разрядного канала представляла собой линейный участок электронного "шнура", радиально расширяющегося наиболее быстро в средней части шнура. В результате чего получалось шарообразное образование. Как результат, получалась светящаяся сфера, секундами сохраняющаяся в воздухе, постепенно уменьшавшаяся в размерах с сохранением светимости и цветности и до полного исчезновения. При провоцировании разряда, образование могло бесшумно втечь в разрядный проводник или взрываться с грохотом - энергия образования составляла  ~100...150 Дж. Размер сферы ~80...100мм.
Можно предположить, что полученная автором «светящаяся сфера» состояла из насыщенного электронного газа. Это первая стадия при переходе электронного газа в жидкое состояние – пересечение бинодали. Далее при  понижении температуры следует область состояний с возрастающей степенью пересыщения, которая заканчивается спинодалью, означающей критическое пересыщение, когда существование газовой фазы невозможно и образуется жидкая фаза. Ниже даётся приближённая оценка температуры, при которой возможен переход электронного газа в жидкое состояние.
Поскольку отсутствуют какие-либо экспериментальные данные о свойствах электронной жидкости, по аналогии с другими веществами принимается, что фазовый переход «электронный газ - электронная жидкость» сопровождается уменьшением объёма в 103 раз. Такое предположение позволяет сделать сугубо приближённую оценку температуры образования электронной жидкости.
Ранее по красному излучению шаровой молнии, используя уравнение 3-го закона Кеплера, был рассчитан радиус молекулы е2 насыщенного электронного газа r = 11,19.10-10 см. В связи с уменьшением объёма при фазовом переходе в 103 раз, радиус молекулы в жидкости уменьшится до 1,119.10-10 см. Частота обращения электронов при таком радиусе рассчитывается по уравнению (9) ; = 0,1401.1015 с-1. Далее по уравнению (5), используя полученное значение частоты, определяем скорость v = 0,9850.105 см/с и по уравнению МКТ (6) рассчитываем температуру, при которой система находится в жидком состоянии Т = 2,624К.Таким образом, для получения электронной жидкости электронный газ необходимо охладить до температуры 2,6К. Напомним, что сжижение водорода происходит при температуре 20,3К.

             8. Выводы

1. Выдвинута новая гипотеза образования шаровых молний, согласно которой они состоят из насыщенного электронного газа, состоящего из двойных электронных «молекул» радиусом r = 11,19.10-10 см, в которых электроны обращаются вокруг общего центра масс. Орбитальное движение электронов придает относительную стабильность шаровой молнии. Электронный газ появляется во время грозы вследствие термоэмиссии электронов из нагретых атмосферных газов благодаря активирующему влиянию молекул воды.
2. Рассчитана по квантовому уравнению Бора атомная масса электрона. Она оказалась равной 0,1771, то есть в 5,7 раза меньше атомной массы протона.
3. Исходя из предположения, что при агрегатном переходе электронного газа из насыщенного состояния в жидкое объём уменьшается в 1000 раз, рассчитана температура сжижения электронного газа, которая оказалась равной 2,6К.
4. С позиций предложенной гипотезы получают удовлетворительное объяснение особые свойства шаровых молний: шарообразная форма, появление шаровых молний после грозы, преимущественный размер 5-20 см, исчезновение шаровых молний испарением или с взрывом, способность проникновения через малые отверстия и щели.

Литература

1. П.Л. Капица, О природе шаровой молнии, ДАН СССР, !955, т.101, №2, с.245-248.
2. А.Т. Серков, А.А. Серков, Микрогравитация, электричество, силы притяжения и отталкивания в атоме, http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/12915.html
3. А.Т. Серков, В.Н. Покровский А.А. Серков, О предстоящей смене научной парадигмы в физике,
http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10375.html
4. Характерные черты шаровых молний, http://kugelblitz.ru/content/view/9/30/1/3/
5. А.Т. Серков, А.А. Серков, Зависимость длины волны характеристического рентгеновского излучения химических элементов от их атомных радиусов и масс (3-ий закон Кеплера в атомных системах),
http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/11885.html
http://www.sciteclibrary.ru/eng/catalog/pages/11886.html