Орбиты электрона

   В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул предположение о том, что корпускулярно-волновой дуализм является универсальным свойством материи. По гипотезе де Бройля вещество и, прежде всего элементарные частицы, обладают волновыми свойствами. По идее де Бройля движение любой элементарной частицы связано с волновым процессом. Орбиты электронов в атоме представляют собой  замкнутые стоячие волны с целочисленным значением  числа периодов. 

    Эта идея объясняет стационарность орбит электрона в атоме водорода и их характеристики, увязанные через  значения первой орбиты с номером остальных орбит, на которых может находиться электрон. Радиус орбиты пропорционален квадрату номера орбиты. Для 1-й орбиты (Боровский радиус)  - 0,0529 нм, для 2-й – 0,2645 нм, для 3-й – 0,4761 нм  и  т.д.  Скорость движения электрона по орбите обратно пропорциональна номеру орбиты. Для 1-й  орбиты - 2.186 х 106 м/сек, для 2-й - 1,093, для 3-й - 0,729 и т.д. Период волн  де Бройля соответственно пропорционален номеру орбиты. Для 1-й - 0,3322 нм, для 2-й - 0,6644 нм, для 3-й - 0,9966 нм, для 4-й -  1,3288 нм и т.д.

Электрон используется в исследовании ядер атомов. При этих исследованиях фиксируется наличие  тормозного излучения рентгеновского диапазона. В циклотронах на участке разгона  электронов фиксируется синхротронное излучение также рентгеновского диапазона. При этом электрон меняет свое направление в сторону к центру атома или центру циклотрона. На всех орбитах электронов в атоме водорода волны де Бройля также имеют частоты рентгеновского диапазона.

   Волны де Бройля не связаны с распространением какого-либо электромагнитного поля. Например, с заряженной частицей, движущейся равномерно, не связано распространение электромагнитного поля, в то время как волновые свойства (электрона) проявляются и в этом случае. Волны де Бройля имеют квантовую природу, что определяет резкий переход между полупериодами. Поэтому форма волны де Бройля соответствует  меандру - периодическому сигналу прямоугольной формы, имеющему скважность 2  (коэффициент заполнения 0,5).

   Формы волн для 1-й, 2-й и  3-й орбит в сопоставимых масштабах представлены в левой части рисунка. Вверху в горизонтальной развертке, снизу – свернутые в кольцевую орбиту (в стоячую волну). Темно зеленый цвет соответствует положительному полупериоду, светло зеленый – отрицательному. Радиусы темно зеленой и светло зеленой окружностей отличаются на очень незначительную величину, энергия электрона на этих окружностях тоже должна незначительно отличаться.

    Такая концепция возможна, если принять предположение, что пространство заполнено мельчайшими хаотически перемещающимися  частицами. Электрон гонит перед собой волну этих частиц и в некий момент эта волна частиц отрывается  от электрона и продолжает прямолинейное движение. Энергия совокупности электрон + волна уменьшается, электрон переходит в отрицательный  полупериод. Электрон продолжает движение по окружности, а нижняя часть волны частиц по хорде. В какой-то момент хорда пересечет окружность, добавит энергию электрону и переместит электрон в положительный полупериод. Чем ближе орбита к ядру, тем больше плотность мельчайших частиц. Квантовая природа сброса накопленных электроном мельчайших частиц определяет равенство числа этих частиц при сбросе и увеличение периода волн де Бройля при уменьшении плотности мельчайших частиц на орбите. Движение волны на рисунке обозначено красной стрелкой.

   
   Фотон двигается в пространстве, заполненном мельчайшими частицами.      При движении фотона за ним образуется шлейф из водоворота мельчайших частиц. Этот процесс описан в заметке «Кильватерный поток фотона», размещенной на авторской странице этого сайта. На некотором расстоянии от фотона, шлейф начинает постепенно рассасывается, но, поскольку фотон двигается, образование потока частиц в виде шлейфа продолжается. Энергия фотона равна произведению частоты фотона на значение постоянной планка. Резонно считать, что  мельчайшие частицы тоже пропорциональны постоянной планка, а энергия фотона равна сумме энергии самого фотона  и суммы энергий мельчайших частиц, содержавшихся в кильватерном потоке фотона.

   Неважно, с какого направления фотон натолкнется на электрон. Энергия электрона будет увеличиваться с каждой мельчайшей частицей из кильватерного потока, загоняя электрон на все более высокую орбиту, до тех пор, пока прямолинейная траектория движения кильватерного потока не разойдется с криволинейным движением орбиты электрона. Это произойдет, когда электрон пройдет четверть своей окружности. Остальная часть кильватерного потока пролетит мимо электрона и рассеется в пространстве. Когда фотон столкнется с электроном, он исчезнет, передав свою энергию электрону. Также будут исчезать, сталкиваясь с электроном, мельчайшие частицы кильватерного потока.

   На правой части рисунка красной сплошной линией иллюстрируется переход  под действием фотона электрона со 2-й орбиты на 3-ю орбиту. Красной пунктирной линией – кильватерный поток фотона. Частота излучения возбужденного атома строго определяется стационарной орбитой электрона. Но это совсем не означает, что частота поглощения точно равна частоте излучения. Фотон может загнать электрон на промежуточную орбиту, расположенную между стационарными орбитами. Но сохраниться на этой промежуточной орбите электрон не сможет и перейдет на ближайшую стационарную нижнюю орбиту в течение нескольких оборотов. В то время как на стационарной орбите электрон существует в течение 10^(-8) секунд, совершив за это время несколько миллионов оборотов.

   Фотон, загнавший электрон на промежуточную орбиту, исчезнет, как и любой другой фотон испытавший столкновение с электроном. Расчетный диаметр электрона 2,8 х 10^(-7) нм, поэтому столкновение фотона с электроном событие достаточно редкое.  Нацелить  одиночный фотон  на конкретный электрон невозможно.  Возбуждение атома фотоном определенной частоты производится  когерентным потоком фотонов, и лишь малая часть  этих фотоном столкнется с электроном. Посчитать разницу между числом пролетевших через атом фотонов и числом исчезнувших при столкновении  в настоящее время не представляется возможным.

     Величина обратная радиусу окружности является мерой кривизны. Разность обратных квадратов номеров орбит электрона в формуле Ридберга является разностью кривизны двух орбит. Коэффициент пропорциональности (радиус Бора) вынесен в знаменатель постоянной Ридберга.