Об  одной ошибке в описании строения атома.

 

Вишневский Р.П.

 

              В статье рассматривается порядок чередования оболочек многоэлектронного атома, основанный на экспериментальных данных. Установлено, что описание электронного строения большинства химических элементов с позиций квантовой механики трактуется неверно. Приводится упрощенное описание спирально – планетарной модели атома и предлагается новая форма таблицы химических элементов, электронное строение которых приведено в соответствие с экспериментом.

 

          Квантовомеханической теорией строения атома  допущена серьезная ошибка в описании порядка заполнения электронных оболочек. Речь идет о чередовании уровней энергии  в многоэлектронном атоме. Считается, например, что уровень 4s предшествует уровням энергии 3d.[1]

          Это не соответствует действительности и порождает ложные толкования физико-химических свойств элементов периодической системы Д.И. Менделеева с позиций квантовой механики.[2]  И, хотя сами свойства элементов от этого не меняются, представлению о строении вещества наносится существенный ущерб.

          Статья посвящена устранению этого недостатка.

          Для выяснения истинного порядка чередования уровней в многоэлектронном атоме, следует уточнить физический смысл энергии ионизации.

          Известно, что для  ионизации атома необходимо совершить работу по «отщеплению» электрона[3]. Эта энергия численно равна потенциалу ионизации и обычно выражается в электронвольтах. Так, например, для иона гелия Не⁺ эта величина составляет 54,4 эВ. В нейтральном атоме гелия для любого из двух  электронов она  равна 24,6 эВ, т.ч. суммарная энергия,   необходимая для полного разрушения системы пары электронов атома гелия составляет 79эВ. Иными словами, общая энергия системы пары электронов Т равна:

                   Т = I₁  + I₂,

где I₁  и I₂ – энергия однократной и двукратной  ионизации пары соответственно. Это касается любой пары многоэлектронного атома. Здесь и далее пара означает два электрона на одной орбите.

Если рассматривать два спаренных электрона как единую систему, то можно допустить, что энергия последней T  складывается из двух одинаковых значений энергии уровня пары Т_ур и энергии связи между ними Т_св:

        Т = Т_св + 2Т_ур.

В процессе первой ионизации пары компенсируется только энергия связи пары, т.е.

        Т_св = I₁.

Электроны  отрываются друг от друга, но при этом энергия уровня одного из электронов сообщается оставшемуся. Это можно объяснить так. Поскольку электроны пары вокруг ядра атома движутся в противоположных направлениях, то в процессе однократной ионизации один из электронов тормозится ионизирующим полем, а другой – в той же степени ускоряется. Тот же процесс происходит и при ударной ионизации: остающийся с ядром электрон становится носителем всей энергии уровня пары.

В момент второй ионизации атома компенсируется удвоенная энергия уровня пары:

I₂ = 2Т_ур.

Приведенные рассуждения можно распространить на любую пару электронов многоэлектронного атома, в том числе и на атомы с одиночным электроном во внешней оболочке. В этом  случае одиночный электрон можно рассматривать как однократно ионизированную пару. Первым потенциалом ионизации такого атома является величина, численно равная энергии «сродства к электрону», а сама эта энергия – энергией первой ионизации данного атома. Например, для атома водорода первый и второй потенциалы ионизации равны соответственно:

I₁ = 0,747 B  и  I₂ = 13,605 В.

Из сказанного можно сделать вывод: значения ионизационных потенциалов для любого атома характеризуют собой чередующиеся значения энергии связи Т_св и удвоенной энергии уровня 2Т_ур соответствующей пары электронов.

В общем случае, для атомов с четным атомным номером удвоенная энергия уровня n-ной пары численно равна 2n-кратному потенциалу ионизации. Для атомов с нечетным атомным номером, удвоенная энергия n-уровня численно равна (2n-1) – кратному потенциалу ионизации.

По приведенным в справочной литературе[4] данным потенциалов ионизации построен график зависимости энергии уровня пары от атомного номера элемента. Для этого по оси абсцисс расположены последовательно атомные номера элементов, а по оси ординат – значения удвоенной энергии уровней соответствующего атома.

Соединенные между собой точки на графике, относящиеся к первому от ядра уровню, образуют кривую зависимости энергии первого уровня пары от номера элемента. Эта кривая начинается от точки 13,6 эВ для атома водорода и продолжается далеко за пределы графика, достигая значения 1,15×10⁵ эВ в районе 92-го элемента. Следующая за первой кривая отражает изменение второго от ядра уровня пары и т.д. В результате образуется семейство кривых, приведенное на рис.1. (Следует отметить, что ход кривых зависимости полной энергии пары T от номера элемента повторяет ход кривых по рис.1. Отличие состоит лишь в наклоне кривых).

Несмотря на то, что график отражает, в основном, только внешний относительно ядра срез уровней энергии (до 200 эВ) для большинства атомов, этого оказывается достаточно, чтобы определить общее количество уровней и порядок их следования для любого элемента, вплоть до урана. Для этого необходимо провести прямую из точки с атомным номером элемента так, чтобы она пересекла все кривые, расположенные слева от этой точки. Например, как это сделано на рис.1 для элемента с атомным номером 18. Эта прямая пересекает 9 кривых, расположенных группами: 1-4-4, считая слева - направо. Такой срез дает качественное представление о расположении энергетических уровней атома аргона. В квантовой механике этому порядку уровней атома аргона сопоставляется следующее чередование квантовых оболочек: 1s,2s,2p,3s,3p.

Анализируя график, легко идентифицировать каждую кривую, начиная от 1s и кончая 6d. Для удобства на графике обозначены периоды системы элементов, приведено количество элементов в каждом периоде. С целью различения отдельных кривых в группе между собой, на графике они пронумерованы. Так, три кривые, соответствующие оболочке 2p обозначены последовательно 2p₁, 2p₂, 2p₃ и т.д.

Результаты анализа семейства кривых зависимости энергии уровня от атомного номера элемента позволяют сделать следующие выводы:

1. Фактический порядок следования уровней энергии в многоэлектронном невозбужденном атоме опровергает положение квантовой механики о порядке чередования, выраженном в неравенстве:

1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f …

Ошибочность данного неравенства легко установить, обратившись к графику кривых уровней пар. Например, у атома меди (точка 29 графика) уровень 4s¹ составляет –7,7 эВ, а ближайший уровень пары 3d₅ того же атома равен –38,5 эВ, т.е.

                   4s>3d.

Это же самое можно сказать и об уровнях 4d  и 5s.

          Еще один пример. У атома скандия (атомный номер 21) согласно графику уровень 4s вообще отсутствует, а квантовая механика утверждает, что его электронное строение выражается формулой[5]

                   1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s².

          2. Энергия уровней пар электронов в одной и той же оболочке возрастает по абсолютной величине по мере приближения уровня к ядру атома. Это противоречит положению квантовой  механики, согласно которому все электроны одной оболочки имеют равные энергетические уровни (т.н. эквивалентные электроны).

          3. Квантовая механика допускает наличие свободных уровней энергии в невозбужденном атоме. Считается, например, что атомы калия и кальция имеют свободную оболочку 3d, а следующая за ней оболочка 4s занята электронами. В действительности ни у одного атома периодической системы элементов внутренних свободных уровней нет.

4. Электронное строение большинства химических элементов с позиций квантовой механики трактуется неверно.

          Указанные выше недостатки позволяют предположить, что чередование оболочек d и f также ошибочно.

          Среди данных ионизационных потенциалов химических элементов в справочной литературе [4] отсутствуют данные для построения кривых в районе 55-68 точек графика по рис. 1. По имеющимся данным на графике изображены лишь отрезки этих кривых (сплошные линии). Однако общая закономерность семейства кривых позволяет предположить, что недостающие кривые следуют так, как это показано на рис.1 пунктирными линиями. Другими словами  вслед за группой кривых 5p следуют пять кривых оболочки 5d, а две последние пунктирные кривые примыкают к пяти последующим (область 69-79 точек графика), образуя вместе с ними  группу из семи кривых оболочки f. Последние имеют тот же наклон, что и кривые групп 5s, 5p, 5d, поэтому на графике они обозначены как группа 5f.

          Семейство кривых по рис. 1 в целом указывает на структуру единого силового поля, источник которого находится в ядре атома. Предполагается, что этим полем является гравиротационное (GR) поле, описанное в другой работе автора [6].

          В этом случае речь идет о спирально-планетарной модели атома, представляющей собой по сути дела гравиротационную систему, которую можно характеризовать так: 

          -в атоме существуют одна или несколько силовых линий поля ядра;    

          -в невозбужденном состоянии атома электрон находится только на силовой линии и вращается вместе с полем;

           -переход электрона с одной орбиты на другую осуществляется только по спиральной траектории, испытывая тангенциальное ускорение.

       По форме GR-модель атома напоминает двояковыпуклый диск, подобный «летающей тарелке», на одной из поверхностей которого расположены орбиты нечетных электронов, а на другой - четных. Два электрона, составляющих пару (например, 1s¹ и 1s²) имеют одинаковые по радиусу, но разнесенные в пространстве орбиты: Один вращается правым R-полем ядра, а другой – левым, находящимися по разные стороны от ядра. Соответственно первый электрон имеет левый спин, а второй – правый. Парные электроны всегда находятся в противофазе.

          К периферии орбиты пар электронов сближаются в пространстве, но не совпадают. На одной и той же орбите не могут находиться два электрона!

          Силовые линии ротационного поля ядра представляют собой спиральные кривые, вдоль которых группируются электроны. Линии непрерывны, поэтому в каждом периоде кривых по рис.1 наблюдаются лишь отрезки одних и тех же силовых линий R- поля. Например, кривые 2p₁, 3p₁, 4p₁ и т.д. на рис.1 являются проявлением одной и той же силовой линии p₁ ротационного поля ядра. Само поле кососимметрично и вращает пары электронов с противоположными спинами. Поэтому спираль p₁ является общей для групп электронов с индексами p¹ и p² данного атома.

На рис. 2 показаны несколько периодов расходящейся спирали, обозначенных последовательно символами квантовой механики 1s, 2s, 3s, … и отражающих условно (спираль не логарифмическая) форму силового поля. В начале второго периода происходит перестройка и оно расслаивается. С внешней стороны спирали 2s  по причине, находящейся в ядре, возникает группа из трех спиралей 2p. Эта группа следует вместе  со спиралью s далее  и в третьем периоде к ним с внешней стороны примыкает  новая группа из пяти спиралей 3d. Теперь уже три  группы спиралей продолжают расходиться, а в конце пятого периода к ним с внешней стороны присоединяется очередная группа из семи спиралей 5f и т.д.

Если связывать с каждым периодом группы спиралей соответствующую электронную оболочку атома, то можно установить следующий порядок чередования оболочек многоэлектронного атома: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p,…, который существенно отличается  от порядка, принятого квантовой механикой, но хорошо согласуется с экспериментальными данными пар электронов на рис.1.

          Периодическая система элементов Д.И.Менделеева сыграла исключительно важную роль в развитии научного мировоззрения о строении вещества. Теперь, спустя столетие, становятся ясными недостатки таблицы этой системы.

        Во-первых, она не включает в себя семейства лантаноидов и актиноидов; для них по сути дела создана дополнительная таблица.

 Другим её недостатком является «квадратно-гнездовая» форма, не позволяющая полнее отразить многообразие химических элементов.

          Более естественной для таблицы элементов является форма электронной оболочки атома, плоский вариант которой приведен на рис.3. Периодическая система элементов представлена здесь в виде расходящейся спирали. Она естественно включает в себя элементы групп, не вписавшихся в известную таблицу. Предлагаемая к рассмотрению система содержит в себе периоды, соответствующие слоям электронной оболочки атома. Так первый период включает в себя оболочку 1s; второй - оболочки 2s и 2p; третий период охватывает оболочки 3s, 3p и 3d. По этой причине происходит несовпадение периодов данной «таблицы» с системой Д. И. Менделеева.

На рис 3 приведена только нечетная половина системы, от первого до 115 элемента. Четная половина системы образуется путем увеличения номера каждого элемента на единицу. Соответственно увеличиваются и индексы групп. Так, вместо элемента 113 группы p¹ в четной «таблице» появляется элемент 114 группы p² и т.д.

Элементы системы расположены в порядке возрастания их атомных номеров на расходящейся спирали так, что в каждом периоде последней размещаются элементы соответствующего слоя. Сами элементы группируются в спиральные «рукава», изогнутые в сторону, противоположную основной спирали. Это вызвано изменением крутизны силовых линий ротационного поля по мере удаления от ядра атома: на рис.1 видно, что наклоны групп кривых с каждым последующим периодом уменьшаются. В то же  время рис.3 лишь качественно отражает угловое положение групп элементов на «таблице».

          Предлагаемая система химических элементов полезна тем, что дает некоторое представление о планетарной системе любого атома. Так, вся спираль по рис. 3 отражает структуру системы электронов атома химического элемента №115. Подобно тому, как элементы «таблицы» группируются в «галактические рукава», так и электроны упорядочены силовым GR-полем ядра атома. Радиусы стационарных орбит электронов соответствуют расcтояниям элементов от центра спирали.

          Следует отметить, что структура силового поля атома зависит от заряда его ядра. Например, атом лантана (№57) не имеет силовых линий группы f , что приводит к более свободному размещению оставшихся силовых линий в пределах периода.

В таблице 1 приведены номера периодов, индексы оболочек, количество элементов (электронов в оболочке), атомные номера элементов и порядок заполнения слоев предлагаемой системы химических элементов. Последняя охватывает 114 уже открытых элементов и может быть расширена.

 

© г. Сочи. 2000 г.