Фундаментальные законы физики и теория асимметрии пространства (стр. 3 из 5)

Очевидно также, что для более сложных атомов элементов, где число пар «протон-нейтрон» больше 1, орбитальная сфера ядра приобретает значительно более сложную структуру и большие размеры. В сложных орбитальных системах количество орбитальных фокусов в одном диапазоне частот может быть различным, более единицы, кратным 1,…2,…3, и более, как и пространственное расположение фокусов. При увеличении уровня энергии (скорости движения) пространственное расположение орбитальных ядерных фокусов может меняться в пространстве ядерной сферы в пределах равновесного состояния системы для данного уровня энергии.

Известные агрегатные состояния вещества – газ, жидкость, твердое тело и плазма должны характеризоваться различным уровнем энергии ядра атома химического элемента, следовательно, эти состояния напрямую зависят от пространственного расположения орбитальных ядерных фокусов, соответствующих данному уровню энергии.

Например, у водорода три состояния – жидкость, газ и плазма. Для этих состояний должны быть всего 3 уровня атомных частот элемента.

У более сложных элементов, имеющих твердую фазу, количество ядерных частот должно быть больше: – различные формы твердого состояния, расплавленная (жидкая) фаза, газообразная (испаренная) фаза и плазма. В твердой фазе тела на его структуру и свойства непосредственно влияет уровень энергии ядра и соответствующая ему форма пространственного расположения фокусов орбитальной ядерной сферы.

2.3.2 Строение и разновидности атома углерода

Рассмотрим это на наиболее известном примере углерода, С (carboneum), неметаллического химического элемента IVA подгруппы (C, Si, Ge, Sn, Pb) Периодической системы элементов.

Строение атома углерода. Ядро наиболее стабильного изотопа углерода массой 12 (распространенность 98,9%) имеет 6 протонов и 6 нейтронов (12 нуклонов), расположенных тремя квартетами, каждый содержит 2 протона и два нейтрона аналогично ядру гелия. Другой стабильный изотоп углерода – ¹³C (ок. 1,1%), а в следовых количествах существует в природе нестабильный изотоп ¹⁴C с периодом полураспада 5730 лет, обладающий β-излучением. В нормальном углеродном цикле живой материи участвуют все три изотопа в виде СO₂.

У углерода три аллотропические модификации – алмаз, графит и фуллерен. В алмазе каждый атом углерода имеет 4 тетраэдрически расположенных соседа, образуя кубическую структуру (рис. 6,а). Такая структура отвечает максимальной ковалентности связи, и все 4 электрона каждого атома углерода образуют высокопрочные связи С–С, т.е. в структуре отсутствуют электроны проводимости. Поэтому алмаз отличается отсутствием проводимости, низкой теплопроводностью, высокой твердостью; он самый твердый из известных веществ (рис. 2). На разрыв связи С–С (длина связи 1,54 Å, отсюда ковалентный радиус 1,54/2 = 0,77 Å) в тетраэдрической структуре требуются большие затраты энергии, поэтому алмаз, наряду с исключительной твердостью, характеризуется высокой температурой плавления (3550°C).

Другой аллотропической формой углерода является графит, сильно отличающийся от алмаза по свойствам. Графит – мягкое черное вещество из легко слоящихся кристалликов, отличающееся хорошей электропроводностью (электрическое сопротивление 0,0014 Ом×см).

Поэтому графит применяется в дуговых лампах и печах, в которых необходимо создавать высокие температуры. Графит высокой чистоты применяют в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов. Температура плавления его при повышенном давлении равна 3527°C. При обычном давлении графит сублимируется (переходит из твердого состояния в газ) при 3780°C.

Структура графита (рис. 6,б) представляет собой систему конденсированных гексагональных колец с длиной связи 1,42 Å (значительно короче, чем в алмазе), но при этом каждый атом углерода имеет три (а не четыре, как в алмазе) ковалентные связи с тремя соседями, а четвертая связь (3,4 Å) слишком длинна для ковалентной связи и слабо связывает параллельно уложенные слои графита между собой. Именно четвертый электрон углерода определяет тепло- и электропроводность графита – эта более длинная и менее прочная связь формирует меньшую компактность графита, что отражается в меньшей твердости его в сравнении с алмазом (плотность графита 2,26 г/см³, алмаза – 3,51 г/см³). По той же причине графит скользкий на ощупь и легко отделяет чешуйки вещества, что и используется для изготовления смазки и грифелей карандашей. Свинцовый блеск грифеля объясняется в основном наличием графита.

Волокна углерода имеют высокую прочность и могут использоваться для изготовления искусственного шелка или другой пряжи с высоким содержанием углерода.

При высоких давлении и температуре в присутствии катализатора, например железа, графит может превращаться в алмаз. Этот процесс реализован для промышленного получения искусственных алмазов. Кристаллы алмаза растут на поверхности катализатора. Равновесие графит ↔ алмаз существует при 15 000 атм и 300 K или при 4000 атм и 1500 K. Искусственные алмазы можно получать и из углеводородов.

К аморфным формам углерода, не образующим кристаллов, относят древесный уголь, получаемый нагревом дерева без доступа воздуха, ламповую и газовую сажу, образующуюся при низкотемпературном сжигании углеводородов при недостатке воздуха и конденсируемую на холодной поверхности, костяной уголь – примесь к фосфату кальция в процессе деструкции костной ткани, а также каменный уголь (природное вещество с примесями) и кокс, сухой остаток, получаемый при коксовании топлив методом сухой перегонки каменного угля или нефтяных остатков (битуминозных углей), т.е. нагреванием без доступа воздуха. Кокс применяется для выплавки чугуна, в черной и цветной металлургии. При коксовании образуются также газообразные продукты – коксовый газ (H₂, CH₄, CO и др.) и химические продукты, являющиеся сырьем для получения бензина, красок, удобрений, лекарственных препаратов, пластмасс и т.д.

Различные виды угля и сажи отличаются развитой поверхностью и поэтому используются как адсорбенты для очистки газа, жидкостей, а также как катализаторы. Для получения различных форм углерода применяют специальные методы химической технологии. Искусственный графит получают прокаливанием антрацита или нефтяного кокса между углеродными электродами при 2260°\up6 (процесс Ачесона) и используют в производстве смазочных материалов и электродов, в частности для электролитического получения металлов.

В 1980-х годах физиками США был обнаружены очень интересные соединения углерода, в которых атомы углерода соединены в 5- или 6-угольники, образующие молекулу С₆₀ по форме полого шара, имеющего совершенную симметрию футбольного мяча. Поскольку такая конструкция лежит в основе «геодезического купола», изобретенного американским архитектором и инженером Бакминстером Фуллером, новый класс соединений был назван «бакминстерфуллеренами» или «фуллеренами» (а также более коротко – «фазиболами» или «бакиболами»). Фуллерены – третья модификация чистого углерода (кроме алмаза и графита), состоящая из 60 или 70 (и даже более) атомов, – была получена действием лазерного излучения на мельчайшие частички углерода. Фуллерены более сложной формы состоят из нескольких сотен атомов углерода. Диаметр молекулы С₆₀ ~ 1нм. В центре такой молекулы достаточно пространства для помещения большого атома урана.

Сейчас их интенсивно изучают в лабораториях разных стран, пытаясь установить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов – фуллерен-60 (C₆₀) (его называют иногда бакминстер-фуллерен), в котором углеродные атомы образуют многогранник, напоминающий футбольный мяч. Известны также фуллерены C₇₀ и C₈₄. Фуллерен С₆₀ получают испарением графита в атмосфере гелия. При этом образуется мелкодисперсный, похожий на сажу порошок, содержащий 10% углерода; при растворении в бензоле порошок дает раствор красного цвета, из которого и выращивают кристаллы С60. Фуллерены обладают необычными химическими и физическими свойствами. Так, при высоком давлении С₆₀ становится твердым, как алмаз. Его молекулы образуют кристаллическую структуру, как бы состоящую из идеально гладких шаров, свободно вращающихся в гранецентрированной кубической решетке. Благодаря этому свойству C₆₀ можно использовать в качестве твердой смазки. Фуллерены обладают также магнитными и сверхпроводящими свойствами.

Очевидно, что для этих таких разных состояний одного и того же элемента должны быть 3 различных пространственных формы ориентации и радиусов орбит ядерных фокусов. Именно по этим фокусам и формируются ядерные связи, определяющие форму кристаллической решетки и свойства твердых тел.

У металлов различные ядерные частоты и пространственное расположение фокусов оболочки ядра дают различные кристаллические решетки и свойства металла, например, α- и β- кристаллические решетки олова, железа.

Само состояние и физические свойства кристаллической решетки напрямую зависят от расположения фокусов ядерных орбит адронов атома. Вращение нейтрона и протона по своим орбитам со свойственной атомам частотам вызывают колебания атомов кристаллической решетки, и чем выше энергия движения, тем выше амплитуда этих колебаний. При превышении порога устойчивости, характерного для данного орбитального состояния адронов, происходит перефокусировка их ядерных орбит в иное состояние динамической устойчивости на более высоком уровне энергии. Происходит плавление или испарение кристалла. Вот так просто объясняются тепловое расширение и плавление кристаллов – все дело в пороге равновесного состояния орбит адронов и их ядерных фокусов.