Баллистическая


Свойства атомов и периодический закон Менделеева



жүктеу 8.2 Mb.
бет45/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   41   42   43   44   45   46   47   48   ...   99

Свойства атомов и периодический закон Менделеева

Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости (или, выражаясь алгебраически, образуют периодическую функцию) от их атомных весов.



Д.И. Менделеев
Считается, что химические свойства атомов, характер движения и размещения в них электронов никак не связаны со строением атомных ядер. А между тем многое говорит о наличии такой связи. Её всячески замалчивают, поскольку она противоречит квантовой физике и лишь классическая магнитокристаллическая модель атома Ритца вскрывает эту связь.

В планетарной квантовой модели атома полагали, что на строение электронных оболочек атома влияет лишь заряд ядра, но не его структура. А какую роль играет электричество, заряд ядра в магнитной модели? Если поле осей крестовины задаёт расположение электронов, то поле ядра – их число в атоме. В самом деле, положительный заряд ядра должен уравновешиваться отрицательным зарядом электронов, иначе атом, имеющий заряд, будет отталкивать или притягивать электроны, пока не станет нейтральным. Но хотя заряд ядра и определяет равновесное число электронов в атоме, вовсе не он ответственен за их удержание там. Именно поэтому существуют отрицательные ионы – атомы с избытком электронов, невозможным по теории Бора. Ведь, если электроны удерживает электрическая сила, то как же сможет нейтральный атом удержать лишний электрон, а тем более два или три? Даже поляризованному атому это не по силам. Но для магнитной модели анионы не проблема. Нейтральный атом может легко удержать лишний электрон в одном из узлов сетки (§ 4.14.). Для захвата многих электронов есть и другой механизм – магнитное поле крестовины. На лишний внешний электрон, влетающий в атом, действует сила Лоренца, способная удержать его на орбите, даже при отталкивании внутренними электронами (Рис. 100).

Как же расположены эти внутренние электроны в атоме? Оказывается, строение и заполнение электронных слоёв определяется строением ядра – не одним его зарядом, как в квантовой физике, а именно структурой. Она же задаёт периодичность свойств элементов. Напомним, что числа элементов в периодах таблицы Менделеева образуют следующий ряд: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32. Это удвоенные квадраты целых чисел k вида 2k2: 2=2·12, 8=2·22, 18=2·32, 32=2·42. Ещё до теории атома Бора многие учёные – Дж. Томсон, Дж. Льюис, И. Ленгмюр – поняли, что периоды связаны с последовательным заполнением электронами неких слоёв, уровней, оболочек в атоме [49]: в первом слое 2 места, во втором – 8 и т.д. Когда электроны полностью займут один слой, уровень, начинает заполняться следующий, открывая новый период, словно яичные ячейки, укладываемые по мере заполнения яйцами одна над другой, или пушечные ядра, складываемые пирамидой. У инертных газов, расположенных в конце периодов, слои заполнены целиком и потому крепко связывают электроны, отсюда их инертность.

Но по квантовой механике ёмкости оболочек для периодов с 1-го по 7-й иные: 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98, что не соответствует числу элементов в периодах. Поэтому даже к концу периода оболочки остаются не заполнены, утрачивая свой смысл, ибо заполняются непоследовательно. Да и сама идея оболочек, способа их заполнения выглядит в квантовой механике весьма натянуто, хотя бы потому, что произвольно вводятся четыре квантовых числа, задаваемых искусственно подобранными правилами, существование которых ниоткудла не следует. Поэтому обратимся к забытым идеям Джильберта Льюиса. Как и Ритц, он считал причиной атомных спектров способность электрона занимать в атоме различные равновесные положения, которым соответствуют свои частоты колебаний. А оболочки и число электронов в них Льюис связывал с наличием у атома определённой пространственной структуры – некоего правильного геометрического объёма, послойно заполняемого электронами, занимающими при переходе к новым периодам новые уровни [49]. Функция ядра в том и состоит, чтобы задавать эту пространственную структуру, кристаллизуя вокруг себя электроны. Осталось найти тело, дающее нужную конфигурацию слоёв и числа электронов в них.

Легко видеть, что этим телом должна быть бипирамида – две четырёхгранных пирамиды, вроде пирамид Хеопса, соединённых вершинами (Рис. 104). Эти пирамиды послойно от вершины заполняются электронами, как блоками реальных пирамид, или как упоминавшиеся уже пирамиды из пушечных ядер. Уже то, что числа электронов в слоях – это удвоенные квадраты чисел 1, 2, 3, 4, должно говорить о том, что и слои имеют форму постепенно растущих квадратов – последовательных сечений пирамиды. Ну а то, что слои дублируются, означает, что пирамид этих две. Они имеют общую вершину – слой с числом мест равным 2, потому он и не дублируется. Интересно, что к подобной бипирамидальной форме ядра пришёл и В. Мантуров, но уже из соображений ядерной физики [79]. Более того, ещё в Древней Греции Платон предложил считать элементарные частицы, атомы имеющими вид многогранников, пирамидок (§ 5.3.) [63]. Так же и первый атомист, древний грек Демокрит, предлагал считать атомы геометрическими телами, "формами", заполняемыми по семи уровням элементарными частицами - амерами (электронами). Наконец и сам Менделеев связывал открытую им периодическую зависимость свойств элементов от веса атомов с их формой.

Рис. 104. Бипирамидальная модель ядра, схема расположения в нём электронных слоёв, их ёмкости и номера (отвечают номеру периода).

Электроны в слоях должны, во избежание отталкивания, перемежаться расположенными в шахматном порядке позитронами – теми самыми, которые, будучи в протонах избыточными, придают положительный заряд ядру. Тогда в каждом слое будет поровну электронов и позитронов, а всего частиц: 2k2+2k2=(2k)2. Итак, любой слой – это квадрат со стороной в 2k частиц. В крайних слоях, как на шахматной доске, как раз 8×8=64 места: 32 чёрных клетки – для электронов и 32 белых – для позитронов (Рис. 105). Слои уложены один над другим так, что над позитронами лежат электроны и наоборот (Рис. 106): чередование зарядов как в ионных кристаллах той же соли NaCl. Легко понять, как задаётся эта структура слоёв. Ядро атома должно представлять собой два пирамидальных раструба, вроде рупорных антенн, соединённых вместе. В этих рупорах, как в кульках, и уложены слоями электроны вперемежку с позитронами. Столь чёткая укладка электронов на каждом уровне вызвана периодичным размещением электронов и позитронов в опорных слоях. Электроны с позитронами уложены в слои, словно ионы в кристалле соли, в шахматном порядке. Каждый электрон прилипает к слою возле позитрона.

Рис. 105. Схема электронных слоёв разной ёмкости и порядок их заполнения.

Электроны и позитроны – это тот строительный материал, из которого, словно снежинки, выкристаллизуются ядра. Но если снежинки разные, то ядра одного типа идентичны, поскольку образованы равным числом частиц, одинаково выстроенных их же электрическими и магнитными полями. Как показал Ритц, частицы – это не только элементарные заряды, но и магнитики, слипающиеся единственным оптимальным способом, задающим минимум энергии. Именно так и плавающие магниты в опытах Майера составляли всегда одни и те же правильные конфигурации (§ 3.1.). Именно это стремление к минимуму энергии системы магнитных частиц (электронов, позитронов, протонов и нейтронов) и даёт ядро в форме двух четырёхгранных пирамид, соединённых вершинами. Этот двойной рупор, бипирамида в форме песочных часов, и задаёт все свойства атомов и ядер.

Рис. 106. Целиком заполненные слои в ядрах инертных газов.

В месте соединения рупоры имеют сквозное отверстие, по типу песочных часов. Через него, как песчинки, проходят электроны (Рис. 104). Там же расположен общий для пирамидок слой из двух позитронов и двух электронов. Бипирамида, её раструбы и будут ядром – той структурой, что задаёт все свойства атома. Отметим, что бипирамида получается из крестовой магнитной модели атома Ритца (§ 3.1.), если соединить две крестовины, повёрнутые в пространстве на 90º. Ведь противоположные рёбра бипирамиды как раз перпендикулярны друг другу, подобно магнитным стержням каждой крестовины. Ну а стенки раструбов (грани пирамид) образованы всё тем же строительным ядерным материалом – позитронами и электронами, составляющим частицы (возможно протоны) правильной формы (Рис. 102, Рис. 107) (§ 3.2.). А частицы в форме прямых уголков (Рис. 103) могут входить в ядро в качестве перегородок, делящих пирамидальные полости пополам. В узлах на гранях и перегородках пирамид и размещаются электроны, генерирующие спектр. Энергия возбуждения атомов идёт на придание электрону колебаний и на вырывание его из слоя. Может удивить, как возникают столь сложные и правильные формы ядер. Но здесь не больше странного, чем в идеально правильной форме снежинок, в точном подобии и симметрии кристаллов – причина в упорядоченном выстраивании частиц. Ещё Ритц говорил, что нельзя понять атомные законы, иначе как допустив у атома и ядра сложную пространственную структуру, напоминающую, пожалуй, структуру сложных ажурных органических молекул, типа белков и фуллеренов.

Рис. 107. Построение граней и перегородок бипирамиды ядра из протонов и нейтронов в форме квадратов и треугольников.

Выше видели, как электрон генерирует спектры атомов на электрон-позитронном уголке-треугольнике (§ 3.2.). Таких треугольных граней достаточно в бипирамиде, на них и сидят электроны, генерирующие спектр. При этом каждый электрон генерирует излучение лишь одной частоты, отвечающей его положению в атоме и магнитному полю в этой точке. Поэтому один атом не способен генерировать весь набор спектральных линий элемента: каждый генерирует свои линии и лишь большой коллектив атомов высвечивает весь спектр элемента. Возбуждение колебаний происходит, скажем, от столкновений атомов.

Итак, атом – это кристалл: кристаллическое ядро, возле которого в правильном порядке уложены электроны. Само ядро составлено из протонов и нейтронов, в свою очередь образованных электронами и позитронами. Поэтому основа, скелет, остов атома – атомное ядро – это в конечном счёте кристаллический комплекс из упорядоченно расположенных электронов и позитронов, которых почти поровну, как поровну ионов Na+ и Cl в кристалле соли NaCl. Отрицательно заряженные электроны соединяются с положительно заряженными позитронами и наоборот, взаимно нейтрализуясь. И лишь небольшой избыток позитронов придаёт ядру положительный заряд.

Заметим, что подобную модель строил ещё Ф. Ленард, считавший, что ядро имеет ажурную структуру [74] и образовано из динамид – попарно связанных элементарных отрицательных и положительных зарядов – электронов и позитронов по-нынешнему. Масса атома пропорциональна числу образующих его динамид – складывается из их масс. Наличие в ядре в равной пропорции электронов и позитронов доказывают многие факты. Так, известно, что стабильны ядра с определённым соотношением числа протонов и нейтронов. При избытке протонов обычен β+-распад – ядро покидают избыточные положительные позитроны, находящиеся в протонах. Если же протонов недостаток, то ядро испытывает β-распад: ядро покидают избыточные электроны, а содержавшие их нейтроны становятся протонами. Как видим, число электронов и позитронов должно быть сбалансировано. Электрон с позитроном могут покинуть ядро и вместе при облучении гамма-лучами, вырывающими из ядра пару e+e. Как тут не вспомнить динамиды Ленарда – попарно связанные заряды в ядрах? Нет ничего удивительного, что подобным же образом представлял атом и другой физик и химик - Ленгмюр, являющийся основателем науки о плазме - газе из ионов и электронов. Да и автор первой модели атома Дж. Томсон, считал, что атом и его масса складывается из тысяч электронов, а не только из электронов оболочки [139].

Объясняет бипирамидальная модель ядра и открытую Планком связь энергии E=MV2/2=hf и скорости V электрона с частотой f его обращения в атоме. Магнитный момент, как нашли выше (§ 3.2.), проявляется лишь на краях, рёбрах структур. Поэтому рёбра бипирамиды аналогичны магнитным стержням. И при соответствующей ориентации (Рис. 108) их магнитное поле в плоскости орбиты с центром в вершине O пирамид будет перпендикулярно этой плоскости и равно B0μ/πar2, где a - расстояние между электронами в стержне, равное их классическому радиусу r0=e2/4πε0Mc2, μ=πeh/M - их магнитный момент (§ 3.1.). На электрон, летящий по орбите радиуса r с центром O, действует сила Лоренца F=eVB=e2fμ0μ/ar (с учётом значений B и V=2πrf), направленная в O и равная MV2/r. Откуда MV2/2=feμ0μ/a, где eμ0μ/a=h. Именно эти электроны, запертые в магнитной ловушке атома, вылетают из него при облучении светом частоты f. Это объясняет фотоэффект (§ 4.3.), эффект Комптона (§ 4.7.) и планковский спектр излучения (§ 4.1.). Итак, в атоме три типа электронов: одни сидят на гранях ядра и генерируют линейчатый атомный спектр, другие уложены слоями в раструбах ядра, задавая химические свойства, а третьи, как на катушку, наматывают на ядро витки орбиты, отвечая за тепловой спектр и фотоэффект. Электроны легко переходят между этими тремя состояниями.



Рис. 108. Движение электрона в магнитном поле бипирамиды ядра с частотой f=MV2/2h.

Даёт модель и такие свойства, которые не объяснила даже квантовая теория. Рассмотрим заполнение слоёв и связанные с этим физико-химические свойства. В первом периоде всё просто: в атоме водорода электрон занимает в слое №1 одно из двух мест и потому атом может отдать электрон, либо принять на вакантное место чужой, проявляя валентности +I и –I. Гелий, в котором весь слой заполнен двумя электронами, не может ни отдать их, ни поглотить новые. То же во 2-м и 3-м периоде: электроны заполняют второй и третий слой, имеющие по 8 мест, а атомы проявляют валентности, соответствующие числу электронов в слое.

В последующих – 4-м и 5-м периодах важен уже порядок заполнения слоя. Сперва электроны заполняют слой по периметру, где они удерживаются крепче (совсем как лёд начинает кристаллизоваться сперва по краям водоёма). Таких крайних мест всего 10, соответственно и элементов этого типа в периодах по 10 - с калия по никель и с рубидия по палладий. Когда периметр заполнен, прочно связанные в нём электроны уже не способны отрываться (Рис. 109). Поэтому с началом заполнения середины слоя отсчёт групп и валентностей начинается заново, подобно тому, как это происходит во 2-м и 3-м периодах.

В 6-м и 7-м периодах возникают группы лантаноидов (La–Lu) и актиноидов (Ac–Lr), содержащие по 15 химически подобных элементов с валентностью +III, разом помещаемых в IIIБ группу своего периода [145]. Такое число элементов есть следствие того, что электроны из периметра слоя крепко связаны и мало влияют на свойства атома. А потому элементы, у которых идёт заполнение 14-ти мест этого периметра (у La периметр пустой) химически подобны. После того, как периметр заполнен, дальнейшее заполнение слоя идёт так же, как у слоёв 4-го и 5-го периодов.

В лице лантаноидов и актиноидов квантовая физика имеет массу нерешённых проблем. Так, известно, что элементы эти способны проявлять помимо валентности +III и другие, совершенно необъяснимые. А с позиций пирамидальной модели они естественны: электроны периметра, хоть и с трудом, всё же могут отрываться, тогда атом проявляет соответствующие степени окисления. Кроме того, если полость каждой пирамиды разделена перегородкой пополам (Рис. 107), и периметр заполняется сначала в одной полости, а затем в другой, то электроны периметра можно разбить на две равных группы по 7 электронов в каждой. Электроны, занявшие все семь мест, оказываются крепко связаны и потому не влияют на химические свойства. Соответственно элементы образуют два подпериода, расположенные один под другим в таблице Менделеева (Рис. 109). Именно такую форму придал некогда таблице Менделеева его друг и коллега – чешский химик Браунер [145]. Его таблица сразу объясняет, как элементы Ce и Tb могут иметь валентность (+IV), а Eu и Yb – валентность (+II): они просто попадают в 4-ю и 2-ю группы. Элементы же La, Gd и Lu, стоящие в третьей группе, проявляют всегда только валентность +III. Впрочем, из-за того, что электроны могут образовывать в атоме разные конфигурации, валентность может быть различной (§ 4.14.).



Рис. 109. Расположение лантаноидов и актиноидов в таблице Менделеева по Браунеру и Прандтлю с соответствующим порядком заполнения электронами слоёв 6-го и других чётных периодов.

Другое важное свойство этой формы таблицы в том, что она позволяет выделить элементы с ферромагнитными свойствами. Если рассмотрим элементы второй строки 6-го периода – Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, то увидим, что или они сами, или их соединения – сильные ферромагнетики. Такое подразделение сразу позволяет выявить выделенные элементы с ферромагнитными свойствами и в других чётных периодах таблицы. Так, во втором периоде периметр слоя содержит 6 электронов. Разделяя их и соответствующие элементы на две равных группы и беря элементы из второй – C, N, O, найдём, что именно их соединения обладают ферромагнитными свойствами. То же и в четвёртом периоде, где периметр слоя содержит 10 электронов, вторая половина соответствующих элементов – Cr, Mn, Fe, Co, Ni (Рис. 109) – сами, либо в соединениях – яркие ферромагнетики. Итак, пирамидальная модель сразу выделяет те редкие элементы, что наделены ферромагнитными свойствами. По сути, это атомы, в которых идёт заполнение мест возле граней правого отсека нижней пирамиды (Рис. 107). А элементы, у которых идёт заполнение электронами мест в углах пирамиды у краёв перегородки - Cr, Ti, Nd, Er, Tm, Yb - обладают уникальными оптическими свойствами, находя применение в качестве активных ионов в лазерах.

То же, что у лантаноидов построение таблицы применимо и к 7-му периоду с актиноидами (Рис. 109). Таблица и пирамидальная модель атома снова объясняют, почему многие актиноиды проявляют вместо 3-й нетипичные для себя валентности: Md – (+I); No – (+II); Th, Bk – (+IV); Pa – (+V); U – (+VI); Np – (+VII) [145], чего не может объяснить квантовая физика.

Ещё на заре становления учения о строении атома такие учёные, как Томсон, Льюис, Ленгмюр, Ритц, Ленард, разработали модели атома в форме геометрически правильных тел, образованных субатомными частицами, чем объяснили многие атомные свойства [49]. С приходом квантовой механики эти модели забыли, хоть они и объясняли эффекты загадочные в рамках квантовой физики. Бипирамидальная кристаллическая модель позволит не только наглядно и классически истолковать все свойства атомов и ядер, глубже понять суть таблицы Менделеева, но и открыть новые закономерности и свойства элементов, научиться находить новые соединения с заданными свойствами, включая ферромагнитные сплавы, полупроводниковые материалы, высокотемпературные сверхпроводники. Квантовая же теория объясняет по большей части лишь уже известные свойства, да и то ограниченно. В своём стремлении спасти ошибочную планетарную модель атома творцы квантовой физики, во главе с Бором, предпочли уничтожить механику, нежели отказаться от своего идола. А идеи Ритца, Дж. Томсона, Ленарда, Льюиса, Лэнгмюра, Циолковского, которые пытались построить альтернативную модель атома в рамках классической механики, были отвергнуты и забыты. В итоге вот уже век наука не имеет ясных представлений о структуре атома и ядра.



    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   41   42   43   44   45   46   47   48   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет