ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КОНДЕНСАТА РИДБЕРГОВСКИХ МОЛЕКУЛ ВОДЫ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ФИЗИКА (PHYSICS)

УДК 539.1.04

Сухоносов В.Я.

канд.физ.-мат. наук [email protected]

(г. Обнинск, Россия)

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА КОНДЕНСАТА РИДБЕРГОВСКИХ МОЛЕКУЛ ВОДЫ

Аннотация: конденсат ридберговских молекул воды представляет собой метастабильное парамагнитное ридберговское вещество. Фундаментальным свойством ридберговского вещества является его чрезвычайно низкая плотность, равная ~ 10-8 г/см3. Конденсат формируется в виде сфероида со структурой: оболочка - ядро. Ядро сфероида представляет собой водный аэрозоль ридберговских молекул с водностью ~1г/м3. Показано, что оболочка сфероида имеет двумерную структуру с толщиной в один молекулярный слой и содержит ~1013 ридберговских молекул. Двумерность оболочки является вторым фундаментальным свойством ридберговского вещества.

Феноменальность оболочки сфероида, как двумерной структуры, состоит в том, что она, имея низкую плотность и являясь конденсированным веществом, обладает упругими свойствами твердого тела и изменяющейся структурой, характерной для жидкости. Оболочка сфероида обладает электропроводящими свойствами, поэтому сфероид является не только источником светового излучения, но и источником тока. В рамках такой модели возможно объяснить многие свойства долгоживущих светящихся образований, наблюдаемых в экспериментах.

Ключевые слова: ридберговский вещество, конденсат, ридберговский сфероид, двумерная оболочка, электропроводность.

ВВЕДЕНИЕ.

В предыдущей работе [1] была рассмотрена единая схема возникновения, эволюции и гибели ридберговского сфероида. Рождение сфероида протекает в условиях многоканальных скользящих разрядов в жидкой

1676

воде в результате протекания безэлектродных электрохимических реакций. В разрядном канале образуются гигантские ридберговские молекулы воды (РМ), которые при большой их концентрации образуют конденсат в виде ридберговского сфероида.

При обычных условиях плотность вещества в конденсированном состоянии составляет (0,1 - 20) г/см3. Плотность вещества зависит от массы и объема молекул, входящих в структуру и связанных между собой межмолекулярными силами. Обычно размеры молекул и средние расстояния между ними оказываются одного порядка. Казалось бы, что существование конденсированного вещества с газовой плотностью невозможно.

Цель настоящей работы заключается в том, чтобы показать, что такое вещество принципиально может существовать на основе гигантских ридберговских молекулы воды. Оно возникает в виде ридберговского сфероида и обладает рядом феноменологических свойств. Одно из поразительных свойств заключается в том, что сфероид способен самопроизвольно трансформироваться в другие геометрические структуры [2].

ВОДОРОДОПОДОБНАЯ МОДЕЛЬ РИДБЕРГОВСКИХ МОЛЕКУЛ ВОДЫ.

При облучении воды электромагнитным излучением или быстрыми электронами в спектрах характеристических потерь наблюдали гигантские пики, соответствующие возбуждению колебаний плазмонного типа, а также были обнаружены ридберговские состояния. Возбуждение таких состояний характерно для различных конденсированных сред таких, как металлы, полупроводники, полимеры и жидкая вода. Существование плазмонов и ридберговских состояний в воде является надежно установленным экспериментальным фактом [3-4].

Под действием электрического или электромагнитного поля возбужденные электроны жидкой воды отклоняются от положения равновесия и совершают продольные колебания. Частота собственных колебаний юр1 этого

1677

коллектива электронов зависит только от их плотности N и определяется из формулы [5]:

4п¥Л

®рг =

V т

(1)

где е, т - соответственно заряд и масса электрона. Расчетные данные энергий плазмона и ридберговского уровня воды, а также экспериментальные энергии приведены в табл. 1 .

Таблица 1. Экспериментальные и расчетные энергии плазмона и ридберговского состояния воды.

Количество возбужденных электронов Плотность электронов N е Эксперим ентальная энергия Расчетная энергия

Плазмон 10 3,34-1023 21,4 21,47

Ридберговское состояние 4 1,34-1023 14,1 13,42

Расчетная энергия возбуждения плазмона хорошо совпала с экспериментальным значением. Для ридберговского состояния также получено удовлетворительное согласие. Это объясняется тем, что приближение электронного газа является хорошим приближением как для плазмонов, так и для ридберговского состояния с энергией Е=14,1 эВ.

Электрон в возбужденном состоянии п движется в поле потенциала ионного остатка У(г) и его энергия равна Еп. На больших расстояниях от

е2

ионного остатка потенциал имеет кулоновский вид У(г) =--. Ридберговские

г

молекулы являются водородоподобными в силу того, что при п >> 1 внешний электрон почти все время удален от ионного остатка на очень большие расстояния. Внешний электрон движется в поле положительно заряженного остатка с энергией

1678

гу2 4

Е = Z эфф тее (2)

Еп " 2Ъ\п + 5У ' (2) где 5 - поправка Ридберга (квантовый дефект, который отражает отклонение поля от кулоновского на малых расстояниях). Главная особенность ридберговских состояний состоит в их универсальном характере для атомов и молекул. Их характеристики определяются в основном главным квантовым числом п. Из табл.1 следует, что расчетная энергия, равная 13,42 эВ, очень близка к энергии диссоциации ридберговского состояния 13,6 эВ. Поэтому, можно считать, что для состояния с экспериментальной энергией 14,1 эВ будет Ъ эфф ~ 1. Из формулы (2) следует, что наиболее приемлемая величина энергии равна 13,56 эВ. Тогда энергия связи равна ДЕ = 13,56 эВ -13,6 эВ =

- 0,04 эВ. Энергия теплового движения Етепл даже для кипящей воды равна Етепл ~ кТ = 0,02 эВ. Следовательно, РМ могут существовать при обычных условиях.

Зная энергию связи электрона с остовом Е п, можно по формуле Бора определить главное квантовое число РМ:

п =

( е4 т Р

V8*0Ъ2 ЕпJ

(3)

где £0 = 8,85-10-12 Кл2/(нм2) - электрическая постоянная, И - постоянная Планка. Оценочное значение равно п = 18. Характеристический радиус орбиты электрона равен гп = ам • п2 = 4,9-10-6 см, где ам = 1,5-10-8 см - радиус молекулы воды (взят вместо боровского радиуса аБ = 0,53-10-8 см). Время жизни РМ равно тп = т 1- п3 = 5,8-10-5 с, где Т1= 10-8 с.

Области высоковозбужденных состояний молекул. Свойства ридберговских молекул существенно зависят от степени их возбуждения. Высоковозбужденная молекула рассматривается как квантовый линейный осциллятор с небольшой амплитудой. При дальнейшем возбуждении молекулы она оказывается в квазиклассической области. В этой области молекула может проявлять как квантовые, так и классические свойства.

1679

При возбуждении молекулы в области предела энергий возбуждения, равного энергии Ридберга Яу = 13,6 эВ, имеем классическую область. В этой области имеет место неограниченное сближение состояний молекулы и, как следствие, резкое увеличение плотности состояний в сравнении с квазиклассической областью. Если ширина линий состояний молекулы становится равной расстоянию между линиями, то происходит слияние линий. Такая картина наблюдается в спектрах звезд.

В классической области высоковозбужденные состояния молекулы можно рассматривать как классический линейный осциллятор. В реальных системах возмущения гармонических колебаний могут стать столь большими, что возникает нелинейность. Частота свободных колебаний системы становится зависимой от их амплитуды. В этом случае молекула рассматривается как классический ангармонический осциллятор, либо как квантовый ангармонический осциллятор. В квантовом ангармоническом осцилляторе не выполняются правила отбора.

В нашем случае РМ находится в состоянии п = 18. Будем считать, что находимся в квазиклассической области, где молекула может проявлять как квантовые, так и классические линейные свойства.

Парамагнитность ридберговской молекулы воды. При комнатной температуре молекула воды находится в основном синглетном состоянии Б0. Все ее электроны спарены, каждая пара электронов занимает одну молекулярную орбиталь. Молекула воды диамагнитна. При возбуждении молекулы имеет место синглет - синглетный переход Б0 ^ . Время жизни молекулы Д1:, например, в состоянии с энергией возбуждения Е = 8,4 эВ, определяется из принципа неопределенности Гейзенберга ДЕ Д1 > % и равно Д1 ~ 8-10-13 с. Затем молекула с высокой вероятностью спонтанного перехода ^ Б0 безызлучательно возвращается в основное состояние Б0.

В отличие от молекулы воды, ридберговская молекула воды имеет чрезвычайно большое время жизни, равное 5,8 10-5 с. Такое состояние молекулы возможно только при условии, что она находится в триплетном

1680

состоянии. При возбуждении молекулы валентный электрон с основного уровня переходит на возбужденный. Поскольку молекулярные орбитали молекулы воды заняты, то ридберговский электрон будет переходить на верхнюю свободную орбиталь. При этом ориентация спина электрона может измениться на противоположную с изменением мультиплетности. Спин ридберговского электрона становится ориентированным в том же направлении, что и у оставшегося на нижней орбитали валентного электрона. Высоковозбужденное состояние молекулы становится триплетным Н 2 0**(ТТ).

Рассмотрим более подробно механизм возникновения триплетного состояния, представленного на рис. 1.

Рисунок 1. Схема энергетических уровней молекулы воды. Бо - основное состояние, Б1 - высоковозбужденное синглетное состояние, Т - триплетное состояние.

Поглощение молекулой воды кванта света переводит ее из основного энергетического состояния Б0 на один из колебательных уровней высоковозбужденного синглетное состояния с энергией й®1 = 14,1эВ. В процессе колебательной релаксации квант колебательной энергии молекулы переходит в тепловое движение окружающих молекул, и она занимает более низкий колебательный уровень энергии. Происходят безызлучательные переходы в пределах данного электронного состояния . Ниже энергии состояния находится триплетное возбужденное электронное состояние

1681

молекулы Т1, которое также имеет колебательные уровни. Нюанс состоит в том, что высокий колебательный энергетический уровень состояния Т1 может находиться на одном уровне с колебательным уровнем состояния (область перекрывания колебательных уровней). Тогда появляется возможность самопроизвольного безызлучательного перехода ^Т1 с изменением мультиплетности (интеркомбинационная конверсия, волнистая линия на рис.1). Процессы колебательной релаксации и интеркомбинационной конверсии протекают очень быстро за время ~ 10-12 с. Вероятность такого перехода резко возрастает в случае энергетической близости электронных состояний и Т1.

Однако переходы между состояниями различной мультиплетности запрещены правилами отбора, т.е. вероятность такого перехода очень мала.

Именно поэтому время жизни молекулы в триплетном состоянии очень большое. Эксперименты по излучению света молекулами показали, что правила запрета имеют приближенный характер. Запрет снимается вследствие спин-орбитального взаимодействия, и реализуется переход в основное состояние Т1 ^ Б0, при котором молекула очень медленно излучает свет. Триплетные состояния являются метастабильными.

ОБРАЗОВАНИЕ КОНДЕНСАТА РИДБЕРГОВСКИХ МОЛЕКУЛ.

Пока концентрация РМ мала, молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга и взаимодействием между ними можно пренебречь. Энергия такого разреженного газа равна сумме энергий отдельных молекул. При увеличении концентрации газа расстояния между молекулами начинают уменьшаться и, когда волновые функции станут перекрываться, между молекулами возникает водородная связь. Возбужденные электроны, находясь почти все время вдали от своих ионных остатков, будут проникать в соседние ионные остатки и притягиваться не только своими ионами, но и чужими.

Для образования конденсата РМ необходимо иметь пар достаточно высокой концентрации для создания условия его насыщения. Такую концентрацию можно получить в условиях именно скользящего электрического

1682

разряда в приповерхностном тонком слое воды при формировании канала с низкотемпературной плазмой [1]. Второе необходимое условие состоит в том, чтобы молекулы имели достаточно большое время жизни, чтобы стало возможным накопление молекул достаточно большой концентрации. Именно

РМ, имеющие аномально большое время жизни, равное т18 = 5,8-10-5 с, позволяют выполнить это условие. Из визуального наблюдения экспериментов следует, что вскипания приповерхностного слоя воды не происходит. Наблюдается только возмущение поверхности воды. Будем считать, что происходит локальный разогрев воды с температурой Xв ~ 90°С. В разрядном канале, наряду с частицами плазмы, также образуются РМ. Поток РМ диффундирует в атмосферный воздух около поверхности воды с Хв ~ 20°С. Разница температур поверхности воды и окружающего воздуха создает одно из необходимых условий для конденсации паров РМ.

Кроме того, атмосферный воздух около водной поверхности содержит центры конденсации паров РМ. Основными центрами являются твердые частички пыли, которые находятся в воздухе во взвешенном состоянии. Эти частички имеют органическое или минеральное происхождение. Средний диаметр пыли равен ~ 4 мкм, а концентрация в рабочем помещении ~ 150 частиц/см3. Как правило, они имеют положительный заряд.

Для увеличения проводимости воды при импульсном разряде в воду добавляется хлорид натрия. В момент разряда в воздух происходит выброс микрочастичек, содержащие ионы натрия и хлора, а также другие активные микрочастицы, которые также являются центрами конденсации паров.

Таким образом, конденсация паров РМ будет иметь нефлуктуационный характер и представлять собой гетерогенную конденсацию пара. Этот тип конденсации включает в себя две стадии: образование пересыщенного пара и конденсацию пара РМ на центрах конденсации в виде капель.

Плотность насыщенного пара воды при температуре 20 °С равна рНо =

17,3 г/м3 или рНо = 5,8-1017 /см3. Следовательно, плотность пара РМ должна быть порядка ррМ ~ 1018 /см3. Необходимым условием конденсации потока

1683

паров РМ является пересыщение. Процесс возникновения конденсации в присутствие центров конденсации следует из уравнения Кельвина:

ln(p/ps) = 2ажгУм/(гКТ), (4) где ps и p соответственно давление насыщенного пара над плоской и искривленной поверхностями, ажг поверхностное натяжение жидкости на границе с газовой средой, VM = M/p - мольный объем, М - молярная масса,

p - плотность, г - радиус кривизны поверхности, R - универсальная газовая постоянная, Т - температура среды. Степень пересыщения у = p/ps создается за счет искривления поверхности г частиц, образующихся на центрах конденсации. Чем выше кривизна и меньше размер этих частиц, тем выше пересыщение у.

С выходом водяного пара РМ, температура которого равна 1:в ~ 90°С, в воздух около поверхности воды становится насыщенным. При дальнейшем охлаждении пара до температуры окружающего воздуха tв ~ 20°С его плотность становится выше плотности насыщенного пара. Избыток влаги начинает адсорбироваться на центрах конденсации. Состояние пересыщения пара имеет низкую степень, близкую к насыщенному пару у = 1,1 - 1,2.

При зарождении и образовании частиц жидкой фазы в пересыщенном паре при □□□ 1 изменяется химический потенциал который возникает на поверхности раздела и характеризуется избыточной поверхностной энергией AG. Работа образования жидкой среды Wж в процессе конденсации определяется работой, затрачиваемой на образование частиц Wпов. =Ожг4лх2 и работой переноса определенного числа молей РМ из газовой фазы в жидкую W пер. Изменение свободной энергии будет равно:

AG = ажг 4пг2 + П ^жлЫ (5)

3 VM у J

Пересыщенный пар подчиняется законам идеального газа, поэтому химический потенциал пара можно представить в виде

^И (р) = ^п(рэ) + RTln(p/ps) (6).

1684

Химический потенциал жидкости равен:

^ж (р) = ^ж(рs) + Vж(р - рs), (7)

где Vж - молярный объем жидкости, который значительно меньше молярного объем паровой фазы. Из соотношений (6) - (7) следует, что степень

пересыщения определяется разностью химических потенциалов пара и жидкости ^ = - ЯТ1п(р/р s).

Как следует из (5), процесс конденсации определяется изменением химического потенциала Д^г = ^ж - ^г, которое характеризует перенос определенного числа молей РМ из газовой фазы в жидкую. Образование жидкой фазы возможно, когда химический потенциал РМ газовой фазы будет превышать химический потенциал РМ жидкой среды . Поэтому пересыщение объемной фазы служит необходимым условием самопроизвольного процесса конденсации, которое сопровождается уменьшением свободной энергии ПО < 0. При этом формируется водный аэрозоль.

Процесс укрупнения капель аэрозоля. Приращение энергии Гиббса ДО = 2 ажг Vм/r увеличивается с уменьшением размера капель г. Это значит, что химический потенциал для более крупных капель будет меньше, чем для капель меньшего размера ^мал, т.е. ^мал > ^кр. Давление насыщенных паров и их концентрация над каплями меньшего размера будет больше, чем над крупными. Избыток пара будет перемещаться в сторону крупных капель и конденсироваться на них. Пополнения пара над маленькими каплями будет происходить в результате их дальнейшего испарения вплоть до их исчезновения. В результате конденсационного роста водяные капли РМ наслаиваются друг на друга и формируют капли более крупных размеров.

Динамика возникновения аэрозоля и самопроизвольного формирования структур. Динамика возникновения аэрозоля и формирования конденсационных структур хорошо видна визуально в ходе проведения экспериментов[2, 6-7], которая представлена в табл. 2. Специфика образования

1685

аэрозоля в данных экспериментах заключается в том, что со временем наблюдается рост плотности аэрозоля.

Таблица 2. Визуальное наблюдение формирования водного аэрозоля и конденсационных структур в зависимости от времени.

Время

наблюден 2 8 12 80 - 90 100

ия, мс

Объекты Разрядн пленка Куполообра Грибовидна Шарообразна

наблюден ые на зная я структура, я структура

ия лидеры катоде, структура, плотный (сфероид),

дымка рост аэрозоль, капли

аэрозоля плотности лидеров не аэрозоля

около аэрозоля видно втягиваются

лидеров около лидеров в сфероид

Рост плотности аэрозоля объясняется диффузией РМ из приповерхностного слоя воды в разрядном канале в атмосферу воздуха. РМ, диффундируя с теплой водной поверхности разрядного канала, охлаждаются в приповерхностном воздухе и конденсируются, что обеспечивает рост водности аэрозоля. Чем выше начальная плотность пересыщенного пара, тем меньшее охлаждение требуется для конденсации и образования аэрозоля.

Как видно из табл.2, через 2 мс после электрического разряда в приповерхностном слое воды возникают лидеры. Ко времени 8 мс около катода образуется дымка, окрашенная в голубоватые и синеватые тона. РМ имеет диаметр 9,8 10-6 см. Размер одной такой молекулы соизмерим со среднедисперсной частицей. Для образования фазы необходимо, по крайней мере, 10 молекул. Поэтому наименьший комплекс РМ имеет размер порядка ~ 1 мкм. Такие капельки преимущественно рассеивают более короткие световые волны. На просвет дымка имеет красноватый оттенок, т.к. наблюдатель видит

1686

световые волны, не испытавшие рассеяния на капельках, а потому сдвинутые в красную область спектра длин волн. Дымка представляет собой аэрозоль с оценочной водностью ~ 0,2 г/м3.

Одновременно часть аэрозоля в трубке катода конденсируется в тонкую пленку, из которой в дальнейшем формируется оболочка сфероида. Можно заключить, что в условиях многочисленных экспериментов процесс конденсации РМ протекает очень легко. Именно визуальное появление частиц, рассеивающих видимый свет, служит доказательством возникновения конденсата.

Через 12 мс наблюдается уплотнение аэрозоля около лидеров за счет притока РМ. Оценочный средний диаметр частиц становится равным 4 - 7 мкм. Отражающая способность частиц с ростом диаметра падает, и они практически одинаково рассеивают свет во всем интервале длин волн. Аэрозоль окрашивается в бело-матовый цвет. Пленка на трубке катода принимает выпуклую форму. РМ обладают большим поверхностным натяжением, поэтому часть аэрозоля конденсируется в куполообразную структуру. В экспериментах хорошо видно, что со временем концентрация аэрозоля интенсивно нарастает, но он не улетает в воздушное пространство, а стелется вдоль водной поверхности. Это происходит потому, что конденсация сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования. Слой аэрозоля становится более холодным, чем слой воздуха, находящийся над ним и, следовательно, более тяжелым.

Ко времени 80 - 90 мс образуется аэрозоль с максимальной водностью ~1г/м3, который уже скрывает разрядные лидеры от наблюдателя. Аэрозоль является полидисперсным со средним размером частиц ~ 10 мкм. Искривленная пленка на трубке катода отрывается от периметра трубки и медленно поднимается вверх. Аэрозоль частично конденсируется в грибовидную структуру. По нашему мнению, аэрозоль конденсируется в сферический конус, похожий на грибовидную структуру.

1687

На заключительном этапе ко времени 100 мс сферический конус скачком трансформируется в сфероид с выделением тепловой энергии в виде звукового хлопка. Возможно, что именно случайная тепловая флуктуация стимулирует образование сфероида. Такой переход с выделением энергии характерен для фазового перехода 1 - го рода и обуславливает образование твердой оболочки сфероида. Оставшаяся часть аэрозоля втягивается в сфероид в виде струи, формируя ядро сфероида. Ядро в виде облачка очень хорошо видно в момент гибели сфероида при разрыве оболочки. Облачко удается заметить благодаря рассеянию отраженного света на каплях аэрозоля. Детальный механизм заключительного этапа формирования сфероида неизвестен и требует специального исследования.

В момент звукового хлопка происходит разрыв электрической цепи разрядного канала. Сфероид становится автономным термодинамически нестабильным объектом, который характеризуется конечным временем жизни. По физическому смыслу время жизни сфероида является мерой стабильности его структуры.

Образование сфероида можно зафиксировать в эксперименте по спектрам излучения. Сначала наблюдаются узкие линии излучения отдельных ридберговских молекул, а затем возникает широкая полоса излучения. Спектральная полоса конденсата оказывается уширенной и сдвинутой в красную область. Сам факт появления широкой полосы по сравнению с молекулярными линиями и сдвиг ее в красную область свидетельствуют об образовании конденсата РМ.

СВОЙСТВА КОНДЕНСАТА РИДБЕРГОВСКИХ МОЛЕКУЛ.

Значительный объем экспериментальных данных по процессу возникновения, эволюции и гибели сфероида получают с помощью фото и скоростной видеосъемки. С легким хлопком из трубки катода установки вылетает в воздушную атмосферу поток РМ, и от него отделяется ослепительно светящийся прозрачный сфероид. Гладкая оболочка плывущего сфероида имеет

1688

резкую границу с газовой средой. Она настолько пластична, что похожа на жидкое состояние. Сфероид медленно поднимается вертикально вверх со скоростью 0,7 - 1,5 м/с. Интенсивность его светового излучения монотонно изменяется от ослепительного в первые милисекунды до едва заметного. На заключительном этапе жизни сфероида наблюдается всплеск светимости. При этом его шаровая форма со временем постепенно искажается до полного исчезновения сфероида. На заключительной стадии жизни сфероида также часто наблюдается его распад на части, которые постепенно угасают. Наиболее вероятное время жизни сфероида равно 500 мс. Наблюдатель воспринимает сфероид как объект исключительной красоты. Видеосъемка сфероида выполняется на фоне масштабной плоской сетки, которая позволяет определить начальный диаметр сфероида, его эволюцию во времени, скорость вертикального перемещения и другие параметры.

Ридберговская оболочка - самое легкое твердое вещество. Плотность является важнейшей и универсальной физической характеристикой для любого агрегатного состояния вещества. Величина плотности вещества зависит от соотношения диаметра молекул и их веса.

Диаметр ридберговской молекулы воды равен ёРМ = 9,8-10-6 см, что значительно больше диаметра молекулы воды, который равен ё воды =

Следовательно, плотность ридберговского вещества воды будет в

(ёРМ/ёводы)3 раз меньше плотности воды. Плотность ридберговского

воздуха равна 1,22 10-3 г/см3.

Столь низкая плотность вещества позволяет заключить, что оболочка сфероида должна иметь толщину в одну молекулу (монослой). Средний диаметр сфероида равен 14 см. Тогда число РМ, образующих оболочку, будет равно N = Vсф/ Урм = 1,2-1013 , где Vсф = 6-10-3 см3 и Урм = 4,93-10-16 см3 соответственно объем сфероида и объем РМ.

0,276 нм = 0,276 10-7 см. Отношение диаметров равно ёРМ/ё

355.

вещества равна ррв

2,2-10-8 г/см3. Для сравнения плотность

1689

Вес молекулы воды равен тно = 3-10-23 г. Тогда вес оболочки будет равен Шобол = 1,2-1013 тно = 3,6-10-1° г, а плотность ридберговского вещества

т

равна рРВ = = 6-10-8 г/см3. По порядку величины это значение совпадает с

^сф

полученной ранее плотностью, равной 2,2 10-8 г/см3. Следовательно, можно заключить, что предположение о монослое оболочки является справедливым.

Зададимся вопросом: что представляет собой оболочка, содержащая

N = 1,23-1013 молекул воды, которые находятся в высоковозбужденном состоянии [И20**^ , и толщина которой равна 9,8-10-6 см? Капля воды весит 0,05 мг и содержит 1,67 1018 молекул. Следовательно, оболочка сфероида в ~105 раз легче капли воды.

Таким образом, ридберговский сфероид представляет собой трёхмерный объект с двумерной оболочкой. Двумерность оболочки является фундаментальным свойством, которое обуславливает другие ее качественно новые свойства, многие из которых являются феноменальными.

Все молекулы оболочки являются поверхностными и способны к высокой химической активности и к модификации поверхностности за счет нескомпенсированных водородных связей.

Топологические свойства оболочки. Одним из фундаментальных свойств оболочки является ее чрезвычайно низкая плотность. Следующее феноменальное свойство оболочки состоит в том, что оболочка сфероида является двумерной и обладает топологическими свойствами. Это проявляется в том, что имеет место самопроизвольная трансформация оболочки в другие геометрические структуры.

Многочисленные эксперименты показывают, что вначале всегда возникает сфероидальная структура. Оболочка имеет только поверхностные молекулы, которые менее связаны, чем молекулы в объеме. Они имеют высокую подвижность и подвержены тепловым флуктуациям. Поэтому, тепловые флуктуации в двумерном материале все время возмущают поверхность в виде ряби или бугристых образований. Эти возмущения

1690

вызывают асимметрию, которая подавляется поверхностным натяжением молекул.

При достаточно большой амплитуде флуктуаций, либо за счет возбуждения капиллярных волн на поверхности смещения молекул могут быть столь большими, что с поверхности могут вылетать светящиеся частички [2]. По нашему мнению вылетающие частички представляют собой кластеры РМ. В результате инжекции кластеров с поверхности оболочки может образоваться даже дырка. При образовании дырки в оболочке возможна как гибель сфероида, так и трансформация оболочки в другие флуктуационные структуры. Именно большие флуктуации вызывают асимметрию, изменчивость и эволюцию сфероида. Топологические свойства оболочки проявляются в том, что при образовании дырки в сфероидальной оболочке она трансформируется в тор.

Такое сложное преобразование структур возможно только в результате самопроизвольных плавных непрерывных деформаций, которые являются гомеоморфными. Можно предсказать, что с образованием в оболочке сразу двух дырок произойдет преобразование оболочки в двойной тор (крендель). Наименее реальная ситуация, но возможная - это образование в оболочке сразу трех дырок. В этом случае оболочка в результате высокоэластичных непрерывных деформаций перейдет в тройной тор. Трансформация флуктуационных структур происходит с понижением их симметрии, что является фундаментальным законом природы.

При определенных условиях в одном и том же эксперименте наблюдали трансформацию сфероидальной оболочки в тор и обратное преобразование тора в сфероидальную оболочку [2]. Следовательно, можно заключить, что оболочка сфероида, имея низкую плотность и являясь конденсированным веществом, обладает упругими свойствами твердого тела и изменяющейся структурой с большим поверхностным натяжением, характерным для жидкости. Это единство противоречивых свойств сфероида особо ярко проявилось в эксперименте с прохождением сфероида диаметром около 100 мм через отверстие в картоне с диаметром 50 мм [8].

1691

Эффект контактной разности потенциалов. Можно предположить, что оболочка сфероида, имея слабосвязанные ридберговские электроны, будет легко отдавать их окружающей среде. Рассмотрим работы выхода электронов У0 из жидкой воды и щелочных металлов, которые представлены в табл.3. Щелочные металлы имеют на внешней оболочке только б - электроны, низкие потенциалы ионизации и низкие работы выхода порядка У0 ~ 2 эВ. Именно поэтому они обладают ярко выраженными свойствами металлов. Жидкая вода имеет наименьшую работу выхода, равную У0 =

1,3 эВ, среди всех щелочных металлов. Следовательно, жидкая вода, а тем более конденсат высоковозбужденных молекул, будут очень легко отдавать электроны. Будем считать, что работа выхода сфероида равна Усф = 1,3 эВ.

Таблица 3. Работа выхода электронов У0 из жидкой воды и щелочных металлов.

Среда Жидкая вода сб ЯЬ К № ы

Внешняя оболочка 6б 5б 4б 3б 2б

Потенциалы ионизации, эВ 8,76 3,89 4,17 4,34 5,14 5,4

Работа выхода У0, эВ 1,3 1,94 2,13 2,25 2,28 2,49

Рассмотрим контакт оболочки сфероида с кончиком нихромовой проволоки по ее сечению. Нихромовая проволока имеет работу выхода, равную Ум-Сг = 5,03 эВ. В соответствие с законами Вольта, из-за различной величины работ выхода в контактной области электроны сфероида с меньшей работой выхода будут перетекать в нихром с большей работой выхода. Из-за разности

1692

работ выхода оболочки и проволоки возникает нескомпенсированный заряд. Электроны начинают перетекать в ту область, где им энергетически выгоднее находиться. Между проводниками формируется контактная разность потенциалов, препятствующая дальнейшему перетеканию электронов:

V - V

ик = - сф Ум-°г, (8)

е

где е - заряд электрона. Процесс формирования контактной разности потенциала представлен на энергетической диаграмме на рис.2.

Рисунок 2. Возникновение разности потенциалов между сфероидом

и нихромовой проволокой. Х о - граница контакта сфероид - сечение проволоки. Уф - уровень Ферми, V вак - уровень вакуума.

В области контакта образуется двойной электрический слой, который можно представить в виде плоского конденсатора, одна из плоскостей которого является частью поверхности оболочки сфероида, а другая - поверхность сечение проволоки с диаметром 0,3 мм. Считаем, что обе плоскости имеют плотность заряда а, тогда напряженность электрического поля между

1693

плоскостями конденсатора будет равна Е = —, где е0 - электрическая

постоянная. Утечка заряда со сфероида на металл будет происходить на среднее расстояние ё ~ 10-8 см, равное среднему межатомного расстоянию металла. Разность потенциалов на обкладках конденсатора будет равна и =

|Е(х)йх = . Отсюда найдем поверхностную плотность электронов,

о ^0

перетекающих с оболочки на проволоку:

N = — = ^ = 2,06-1014 -Хт . (9)

е ей см

Стекающий нескомпенсированный заряд с поверхности Б будет равен q = eNS = 23,4-10-9 к. Это важный параметр, т.к. он может быть измерен в эксперименте.

Нескомпенсированный заряд был измерен в работе [9] с помощью сетчатого цилиндра Фарадея. Методика измерения состояла в следующем: летящий сфероид поднимался к цилиндру и касался его сетки. В результате контакта оболочки сфероида и сетки цилиндра происходило перетекание заряда со сфероида на сетку. Максимум амплитуды импульса тока утечки 1(1) был

т

равен 2^А. Оценка стекающего заряда определялась как цэксп = 11(г)йг, где т ~ 12

0

мс - время стекания (релаксации) заряда. Измеренный заряд был равен qэксп. = (8-12) -10-9 к, что очень близко к расчетному значению

q = 23,4-10-9 к.

Из расчетных и экспериментальных данных следует, что оболочка сфероида обладает электропроводящими свойствами. На границе раздела проводящей оболочки сфероида и нихромовой проволоки действительно возникает контактная разность потенциала и нескомпенсированный заряд. Таким образом, ридберговский сфероид является не только источником света, но и источником тока.

В работе [9] также было отмечено, что чем большая доля заряда оболочки сфероида стекает на проводник, тем меньше время его светового

1694

излучения. Таким образом, экспериментально была установлена связь между электрическими и оптическими свойствами сфероида. В нашей модели оболочки как ридберговского вещества такая связь очевидна. Электрические процессы приводят к автоионизации РМ и к разрушению оболочки сфероида.

Сфероид, как источник тока, подобен заряженному конденсатору. При плохом контакте оболочки сфероида с проводником возникает искрение, которое сопровождается всплесками интенсивности светового излучения. Сфероид с диаметром 14 см содержит ~ 20 Дж энергии в виде электронного возбуждения. При контакте нихромовой проволоки, диаметром 0,3 мм, с оболочкой на разогрев проволоки длиной 3 мм от комнатной температуры

20 °С до температуры плавления проволоки X = 1400 °С потребуется энергия

Ораз = стДТ =1,13 Дж, где с и ш - соответственно удельная теплоемкость нихрома и масса проволоки. На плавление проволоки потребуется энергия

Оплав = Хш = 0,55 Дж, где X - удельная теплота плавления. Таким образом, энергии, запасенной в сфероиде, достаточно, чтобы оплавить кончик провода. Частичное оплавление колечка из нихромовой проволоки наблюдали в эксперименте [10] с помощью контрольного взвешивания. Очевидно, что при контакте оболочки с полоской бумаги, ее воспламенение не будет происходить. По аналогии с конденсатором, не будет происходить его разряд при замыкании клемм полоской бумаги.

Металлоидные свойства оболочки. Оболочка сфероида обладает промежуточными свойствами между неметаллами и металлами и является металлоидом. Она, являясь твердым веществом, с одной стороны проявляет характерные свойства диэлектрика: имеет низкую плотность, большое поверхностное натяжение и высокую способность к пластическим деформациям. С другой стороны, оболочка проявляет металлические свойства: имеет квазикристаллическую структуру с шестиугольными и пятиугольными

1695

гранями [11], хорошо отражает свет и обладает способностью отдавать электроны, т.е. является электропроводящим материалом.

Металлические свойства оболочки обусловлены высокой степенью делокализации ридберговских электронов. Эти электроны, будучи квазисвободными, все же испытывают потенциал ионного остатка посредством водородной связи. Поэтому, степень делокализации ридберговских электронов не достигает состояния электронного газа, характерного для металлов. Конденсат РМ имеет двойственные свойства. Ридберговские электроны в конденсате продолжают вести себя как неспаренные электроны, которые сохраняют свой спин, формируя парамагнитные свойства оболочки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Конденсат ридберговских молекул воды формируется в виде ридберговского сфероида со структурой: оболочка - ядро. Ядро сфероида представляет собой водный аэрозоль с водностью ~1г/м3. Основная особенность сфероида состоит в том, что он имеет двумерную оболочку в один молекулярный слой. Фундаментальным свойством ридберговского вещества является чрезвычайно низкая плотность.

Двумерность оболочки обуславливает способность сфероида под действием тепловых флуктуаций трансформироваться в такие геометрические структуры, как тор, крендель, тройной тор. Такие сложные преобразования возможны благодаря парадоксальному сочетанию свойств оболочки. Являясь конденсированным веществом, оболочка имеет низкую плотность и обладает упругими свойствами твердого тела с изменяющейся структурой, характерной для жидких сред. Оболочка сфероида является электропроводником.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1696

1. Сухоносов В.Я. Возникновение, эволюция и гибель ридберговского сфероида. Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ» //2024 г. № 9 (78) Том 3. С.641 - 670

2. Ким Д.Ч., Семенов А.С., Бебихов Ю.В., Спиридонов В.М., Татаринов П.С. Разработка и испытание установки для изучения лабораторного аналога шаровой молнии // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К, Аммосова. 2020.№6 (80). С.34-47

3. Heller J.M., Hamm R.N., Birkhoff R.D., Painter L.R. Collective oscillation in liquid water//J.Chem.Phys. 1974.V.60.P.3483-3486

4. Kutcher G.J., Green A.E.S. A model for energy deposition in liquid water //Radiat. Res. 1976.1976.V.67.P.408 - 425

5. Пайнс Д. Элементарные возбуждения в твердых телах // 1965. М. Мир. 382 с.

6. Zhao Shixin, Yuan Chengxun, Кудрявцев А.А., Жеребцов О.М., Шабанов Г.Д. Исследование динамики формирования плазмоидов в гатчинском разряде // ЖТФ 2021. Т.91.Вып.7.С.1108 - 1123

7. Черемисин А.А., Исаков В.П., Шишкин Е.А., Онищук А.А., Пармон В.Н. Водный аэрозоль в искусственном аналоге природной шаровой молнии //Вестник Российской академии наук 2023. Т.93. №2. С. 171-178

8. Шабанов Г.Д. О возможности создания природной шаровой молнии импульсным разрядом нового вида в лабораторных условиях. УФН 2019. Т. 189. №1.С.95 - 111

9. Егоров А.И., Степанов С.И. Свойства короткоживущих шаровых молний, полученных в лаборатории. ЖТФ 2008. Т.78. вып.6. с.15 - 19

10. Егоров А.И., Степанов С.И., Шабанов Г.Д. Демонстрация шаровой молнии в лаборатории. УФН 2004.т.17.№1. с.107 - 109

11. Сухоносов В.Я. Самоорганизация выпуклой оболочки ридберговского сфероида в виде сферического квазикристалла. Международный научный журнал «ВЕСТНИК НАУКИ» //2024 г. № 3 (72) Том 2. С.356 - 377

1697

Sukhonosov V.Ya.

Dr. Chem.Phys. [email protected]

(Obninsk, Russia)

BASIC PROPERTIES OF THE CONDENSATE OF RYDBERG WATER MOLECULES

Abstract: a condensate of Rydberg water molecules is a metastable paramagnetic Rydberg substance. The fundamental property of the Rydberg substance is its extremely low density, equal to ~ 10-8 g/cm3. The condensate is formed as a spheroid with a shell-core structure. The core of the spheroid is an aqueous aerosol of Rydberg molecules with a water content of ~1 g/m3. It is shown that the shell of the spheroid has a two-dimensional structure with a thickness of one molecular layer and contains ~1013 Rydberg molecules. The two-dimensionality of the shell is the second fundamental property of the Rydberg substance.

The phenomenality of the spheroid shell, as a two-dimensional structure, is that, having a low density and being a condensed substance, it has the elastic properties of a solid and the changing structure characteristic of a liquid. The shell of the spheroid has electrically conductive properties, so the spheroid is not only a source of light radiation, but also a source of current. Within the framework of such a model, it is possible to explain many properties of long-lived luminous formations observed in experiments.

Keywords: Rydberg substance, condensate, Rydberg spheroid, two-dimensional shell, electrical conductivity.

1698