31. Механизм выделения энергии при химических и ядерных реакциях

31. Механизм выделения энергии при химических и ядерных реакциях

  Рассмотрим сущность механизма выделения энергии, возникающей при взаимодействии квантовых микрочастиц. Для того чтобы различать микрочастицы введем следующие два понятия:

- фундаментальные микрочастицы,

- базовые микрочастицы.

Фундаментальные микрочастицы – это кварки и электроны.

Базовые микрочастицы – это ядра атомов, атомы и молекулы.

Базовые микрочастицы состоят из фундаментальных микрочастиц. Ядра атомов состоят из кварков, атомы и молекулы – из ядер атомов и электронов.

Выделение энергии может происходить, в частности, при ядерных и химических реакциях. Для этого необходимо чтобы предварительно в пространстве происходило столкновение соответствующих, именно, базовых микрочастиц:

-при химических реакциях – атомов и молекул химических элементов;

-при ядерных реакциях – ядер атомов.

Но не при каждом столкновении происходит выделение энергии. Столкновения могут носить упругий и не упругий характер.

  Упругие столкновения – это такие, при которых после столкновение тип базовых микрочастиц не изменяется. При таких столкновениях выделение энергии не происходит, если исключить из рассмотрения тепловые эффекты. Сущностью упругих столкновений заключается в следующем. И ядра атомов и атомы представлены аналогичными конструкциями. Это совокупность фундаментальных микрочастиц, которые вращаются вокруг центров масс базовых микрочастиц. В ядрах атомов – это кварки, в атомах – это электроны. Такая модель базовых микрочастиц названа планетарной. Орбитальная скорость вращения фундаментальных микрочастиц настолько велика, что базовые микрочастицы в первом приближении можно представить в виде шариков с гладкой поверхностью, где поверхность представлена соответствующими внешними орбитальными фундаментальными микрочастицами. Таким образом, при упругом столкновении базовых микрочастиц происходит вдавливание их внешних оболочек, что уменьшает объёмы базовых микрочастиц, занимаемого ими пространства. В них происходит накопление внутренней потенциальной энергии. Это приводит к уменьшению скорости движения сталкивающихся базовых микрочастиц, т.е. происходит переход кинетической энергии базовых микрочастиц в их внутреннюю потенциальную энергию. При столкновении базовых микрочастиц начинает расти сила отталкивания, действующая между сталкивающими микрочастицами от нулевого до некоторого максимального значения. Скорость их движения уменьшается от исходной до некоторой минимальной величины. Затем сила отталкивания начинает преобладать над кинетической силой сталкивающихся базовых микрочастиц и микрочастицы разлетаются в пространстве, восстанавливая свои исходные обьемы, т.е. те, которые они имели до столкновения. При таких столкновениях выделение энергии не происходит.

  Но существует и второй тип столкновения базовых микрочастиц – не упругий. Здесь представляет интерес такой тип неупругого взаимодействия, который изменяет природу микрочастиц. При ядерных взаимодействиях изменяется тип ядер, а при химических, происходит всевозможные химические реакции. Такие взаимодействия возникают, если энергия сталкивающихся микрочастиц превосходит некоторое пороговое значение.

Отметим еще одно чрезвычайно важное обстоятельство, характеризующее энергетическое состояние базовых микрочастиц представленных нерадиоактивными ядрами и атомами. В свободном состоянии конфигурация базовых микрочастиц такова, что они находятся в таком стационарном состоянии, при котором внутренняя энергия этих микрочастиц минимальна. При этом состоянии из базовых микрочастиц невозможно выделение свободной энергии, т.е. они способны находиться в таком состоянии неограниченно долгое время.

В отличие от состояния с минимальной величиной внутренней энергии существуют два энергетически возбужденных состояния:

1. С увеличенным объёмом базовых микрочастиц.
2. С уменьшенным объёмом базовых микрочастиц.

Энергетическое состояние с увеличенным объёмом – это состояние, когда фундаментальные микрочастицы, представляющие данную базовую, переходят на вращение на более удаленные от точки центра массы данной микрочастицы орбиты. В этом случае, внешняя энергия затрачивается на перемещение фундаментальной микрочастицы на более высокие орбиты.

В целом энергетическое состояние фундаментальных микрочастиц, входящих в состав базовых, определяется:

- величиной их релятивисткой массы,

- кинетической энергией,

- потенциальной энергией,

- энергией орбитального вращательного движения.

В отличие от кварков, которые не способны покидать окрестности тех ядер, которые они представляют, электроны способны отделяться от атомов и существовать в свободном состоянии. Для таких электронов относительно тех атомов, которые они покинули, их энергетическое состояние определяется:

- величиной их релятивисткой массы,

- кинетической энергией,

- потенциальной энергией.

  У таких электронов исчезает энергия их орбитального вращательного движения. Для общего анализа энергетического состояния микрочастиц этот фактор не носит принципиального характера.

  Итак, увеличенное энергетическое состояние базовых микрочастиц может быть только при изменении их объёма либо в сторону его уменьшения, либо в сторону его увеличения. Рассмотрим, каким образом этот фактор относится к ядерным и химическим реакциям с энергетической точки зрения.

  Как было сказано выше, если при столкновении базовых микрочастиц энергия их столкновения превосходит некоторое пороговое значение, то происходит либо ядерное, либо химическое изменение их состояния. Поскольку энергия столкновения высока, то при столкновении происходит весьма бурная перестройка их структуры, представленная фундаментальными микрочастицами.

  При ядерных столкновениях исходные ядра могут либо объединяться в более крупные, либо делиться на более мелкие.

 При химических реакциях аналогичная ситуация возникает с взаимодействующими молекулами, в процессе которого образуются новые химические вещества. Но вот что здесь чрезвычайно важно, это изменение совокупной массы базовых микрочастиц до и после их столкновения, а точнее, ее уменьшение. Так вот, если после столкновения базовых микрочастиц их совокупная масса стала меньше, то только в этом случае происходит выделение энергии. При столкновении в ходе образования базовых микрочастиц, в продуктах столкновения фундаментальные микрочастицы срываются с их исходных стационарных орбит, и они хаотично переходят на вращение, как на более низкие, так и на более высокие орбиты их движения. На следующем этапе, в базовых частицах продуктах столкновения происходит упорядочивание орбит, т.е. их переход в стационарное, стабильное орбит вращение. При этих переходах происходит излучение избыточной энергии в виде фотонов. Это первый тип выделяемой энергии.

 Второй тип, это рост кинетической энергии результирующих базовых микрочастиц, родившихся при столкновении первичных базовых микрочастиц. Рассмотрим, почему возникает этот эффект.

 Стабильность стационарной структуры базовым микрочастицам обеспечивается уравновешенностью действия сил притяжения – отталкивания. В ядрах такими силами являются кварковые силы притяжения и центробежная сила отталкивания, вызванная вращением кварков вокруг центров масс ядер. В атомах такими силами являются электрические силы притяжения и те же центробежные силы отталкивания, действующие на вращающиеся вокруг центров масс атомов, электроны. Отметим, электрические силы является чрезвычайно мощными силами, например, именно за счет действия электрических сил отталкивания происходит выделение энергии при распаде ядер тяжелых химических элементов.

  Отметим, во вселенной выполняется закон сохранения энергии при протекании химических и ядерных реакций.

Во вселенной действует также закон релятивистского изменения массы. Это изменение массы физических объектов при изменении скорости их движения. В частности, при приближении скорости движения, как фундаментальных, так и базовых микрочастиц к скорости света, неограниченно растет величина их массы.

Как было сказано выше, выделение энергии происходит при протекании реакций:

- химических,

- ядерных.

Выделение энергии при ядерных реакциях происходит при:

- делении тяжелых ядер химических элементов,

- слиянии ядер легких химических элементов.

При делении тяжелых ядер выделение энергии происходит за счет электрической силы отталкивания, действующей между осколками делящихся ядер.

При слиянии легких ядер химических элементов выделение энергии происходит за счет чрезвычайно мощных кварковых сил притяжения, действующих между кварками.

При химических реакциях выделение энергии происходит за счет изменения величины электромагнитных сил, действующих между ядрами атомов и электронами (экзотермические реакции).

   Возникает вопрос, как конкретно действует механизм выделения энергии на микроуровневом организации материи вселенной?

  Рассмотрим две микрочастицы, тяжелую и легкую, которые взаимодействуют силами притяжения таким образом, что легкая микрочастица вращается вокруг тяжелой по стационарной квантовой орбите. Примем, центральная тяжелая микрочастица способна дискретно изменять свой заряд, которым она взаимодействует с легкой микрочастицей, либо он увеличивается, либо заряд уменьшается в два раза. Что произойдет при этом с легкой микрочастицей? При уменьшении заряда тяжелой микрочастицы легкая - перейдет на вращение по более удаленной квантовой орбите, а при удвоении заряда тяжелой микрочастицы, легкая перейдет на вращение по более близко расположенной орбите к тяжелой микрочастице. После перехода при удалении легкой микрочастицы от тяжелой, линейная орбитальная скорость ее движения уменьшиться, а после перехода на вращение по ближе расположенной орбите линейно-орбитальная скорость ее движения возрастет.

   Согласно действию релятивистского эффекта при этих переходах частица не просто переходит с вращения с одной орбиты на другую, она изменяет величину своей массы. При удалении легкой микрочастицы от тяжелой ее масса уменьшиться, а при приближении к тяжелой частице масса легкой микрочастицы возрастет.

  Теперь представим, легкая частица движется в пространстве самостоятельно по прямолинейной траектории. Что произойдет, если ее масса изменится? Согласно закону сохранения энергии масса не может бесследно исчезнуть, поэтому точно на величину изменения массы в энергетических единицах произойдет соответствующее изменение величины кинетической энергии движущейся микрочастицы. В этом и заключается сущность механизма выделения энергии при протекании химических и ядерных реакций вне зависимости от типов реакций.

   При взаимодействии базовых микрочастиц происходит изменение той структуры этих частиц, которая представлена фундаментальными частичками. Изменение этой структуры может приводить к следующим результатам, а именно, к изменению совокупной массы микрочастиц следующим образом. Если в продуктах реакций фундаментальные микрочастицы в усредненном плане переходят на вращение по более удаленным орбитам, чем те, по которым они вращались до столкновения базовых микрочастиц, то линейная орбитальная скорость их движения уменьшиться. Это приведет к соответствующему уменьшению их совокупной массы. Избыточная энергия преобразуется в излучение фотонов соответствующих энергий и кинетическую энергию базовых микрочастиц, родившихся в результате действий соответствующих реакций. Таким образом, не упругие взаимодействия между фундаментальными микрочастицами могут приводить к тому, что изменится совокупная масса фундаментальных микрочастиц, представляющих данные базовые микрочастицы и, в частности, она может уменьшиться. Если такое произойдет и только в этом случае возникает механизм выделения энергии при реакциях, действующих между базовыми микрочастицами, а именно уменьшится результирующая совокупная масса базовых микрочастиц, которая, в частности, преобразуется в их дополнительную кинетическую энергию, что и определяет величину части выделившейся энергии при протекании химических и ядерных реакций. Возрастает температура вещества. Таким образом, эффект уменьшения массы физических объектов является потенциальной энергией преобразование массы в кинетическую и фотонную энергии.

   Отсюда следует, если бы в природе отсутствовали релятивистские эффекты, то не наблюдался бы и эффект выделения энергии при химических и ядерных реакциях, возникающий при не упругом взаимодействии базовых микрочастиц.

Для атомных неупругих взаимодействий существует и следующий уровень состояния вещества, когда энергия сталкивающихся атомов монотонно растет. При росте энергии столкновения атомов наступает момент, когда целостность электронных оболочек атомов нарушается тем, что траектории орбит электронов начинает пересекаться. Это приводит к непосредственному столкновению электронов. При столкновении квантовые микрочастицы на короткое время преобразуются из квантового волнового состояния в корпускулярное и при этом не важно смотрит на них кто то или нет. А после окончания столкновения микрочастицы снова возвращаются в своё волновое квантовое состояние(дуализм микрочастиц). При наличии таких столкновений не возможно существование устойчивых электронных орбит в атомах, поэтому своими столкновениями электроны выбивают друг друга с атомных орбит. В результате столкновений электроны покидают атомы, таким образом, атомы ионизируются. Вещество переходит в плазменное состояние, представленное ядрами атомов и свободными электронами. Причем, по мере роста температуры вещества, его совокупная масса возрастает, т.е. вещество поглощает подводимую к нему извне энергию, которая накапливается в веществе, в частности, в виде релятивисткой массы.

Валерий Гребенников

8-928-16-00-581

http://gvaleriy.blogspot.ru/2016/03/blog-post.html