Структура первых химических элементов

87

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Структура первых химических элементов

Химические элементы, расположенные в начале Периодической таблицы Д.И. Менделеева, будем считать первыми химическими элементами.

1.1 Модель атома водорода

Самый большой массив экспериментальной информации об атоме водорода содержится в его спектрах. С анализа этой информации и начнем выявление структуры атома водорода. Для начала рассчитаем энергии фотонов, излучаемых и поглощаемых электроном при его энергетических переходах, и энергии связи электрона с ядром атома (протоном), соответствующие этим переходам.

Для расчета энергий фотонов, поглощаемых или излучаемых электроном при его энергетических переходах, будем использовать выявленный нами закон формирования спектров (20) и данные экспериментальной спектроскопии.

Здесь: - энергии фотонов, излучаемых или поглощаемых электроном; - энергия ионизации атома; - энергия связи электрона с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню; - главное квантовое число или номер энергетического уровня.

Энергию связи электрона с ядром, соответствующую любому энергетическому уровню, будем рассчитывать по формуле (21). Приведем ее повторно:



Учитывая, что энергия ионизации атома водорода равна энергии связи электрона с ядром, соответствующей первому энергетическому уровню и, используя формулы (87) и (88), получим энергии фотонов излучаемых или поглощаемых электроном, и энергии связи электрона с ядром атома, соответствующие энергетическим уровням (табл. 5).

Таблица 1. Спектр атома водорода

Знач.	n	2	3	4	5	6
F(эксп)	eV	10,20	12,09	12,75	13,05	13,22
F(теор)	eV	10,198	12,087	12,748	13,054	13,22
Ec(теор	eV	3,40	1,51	0,85	0,54	0,38

Из закона спектроскопии (20) следует, что энергии поглощаемых и излучаемых фотонов при переходе электрона между энергетическими уровнями и рассчитываются по формуле:

Приведем результаты расчета (табл. 6) по этой формуле энергий фотонов (теор.), излучаемых или поглощаемых электроном атома водорода при межуровневых переходах и в сравнении с экспериментальными (эксп.) данными.

Таблица 2. Энергии межуровневых переходов электрона атома водорода

Уровни	n, n+1	2...3	3...4	4...5	5...6	6...7	7...8
F(эксп)	eV	1,89	0,66	0,30	0,17	0,10	0,07
F(теор)	eV	1,888	0,661	0,306	0,166	0,100	0,065

Отметим, что энергии связи электрона с ядром атома приведены в табл. 2. Остальные энергии излучаемых или поглощаемых фотонов при энергетических переходах электрона, приведены в табл. 5 и 6.

Формула (89) позволяет рассчитать энергии излучаемых и поглощаемых фотонов при любых энергетических переходах электрона. Например, при переходе электрона с 3-го на 10-й энергетический уровень он поглощает фотон с энергией, которая рассчитывается по формуле:

А если электрон переходит, например, с 15-го на 5-й энергетический уровень, то он излучает фотон с энергией:

Посмотрим, как будет меняться энергия свободного электрона при поглощении и излучении фотонов. Поскольку энергия ионизации атома водорода равна то это значит, что при соединении свободного электрона с ядром атома водорода (протоном) он должен излучить фотон с энергией, равной энергии ионизации , и занять первый невозбужденный энергетический уровень. При этом его полная энергия 511100 eV уменьшится и станет равной:

Далее, после поглощения фотона с энергией 10,20 eV и перехода на второй энергетический уровень, полная энергия электрона увеличится и станет равной

Так, по мере перехода на более высокие энергетические уровни электрон, увеличивая свою полную энергию за счет поглощаемых фотонов, приближает ее значение к величине энергии, которую он имеет в свободном состоянии. Это увеличение идет за счет поглощаемых фотонов, а энергия связи электрона с протоном, уменьшаясь, приближается к нулю (табл. 2), и он становится свободным. Так поступают все электроны любого атома и это позволяет всем им приходить в свободное состояние с одной и той же массой и с одним и тем же зарядом. Вот почему масса и заряд всех свободных электронов всегда постоянны.

Итак, мы условились, что энергия свободного электрона равна его фотонной энергии Следовательно, чтобы рассчитать радиус электрона в момент пребывания его на первом энергетическом уровне в атоме водорода, надо взять энергию свободного электрона и вычесть из нее энергию, которую он излучил в виде фотона. При определении радиуса электрона в момент пребывания его на первом энергетическом уровне эта энергия оказывается равной 511100 - 13,6 = 511086,4 eV. Из этого видно, что энергия, а, значит, и радиус электрона в атоме, изменяются незначительно, и этот факт хорошо согласуется с постоянной величиной комптоновской длины волны электрона, которую мы теперь должны называть комптоновским радиусом электрона.

Мы уже показали, что масса фотона , радиус и частота изменяются так, что их произведение () остается постоянным, так как изменением совокупности указанных параметров управляет закон сохранения кинетического момента. Этот же закон управляет изменением аналогичной совокупности параметров электрона.

Обратим внимание еще на один важный факт. Энергия связи электрона с ядром меняется пропорционально изменению квадрата частоты . Однако, если взять зависимость частоты вращения электрона относительно своей оси симметрии от напряженности магнитного поля электрона, то появляется еще одна причина изменения энергии связи электрона с ядром при его энергетических переходах:

Поскольку угловая частота вращения электрона пропорциональна напряженности его магнитного поля, то, заменив частоту вращения электрона на напряженность его магнитного поля в математическом выражении, определяющем энергию электрона, мы получим тот же самый результат, но с совершенно другим физическим смыслом: энергия электрона кратна не угловой частоте, а напряженности магнитного поля электрона.

Обратим внимание читателей на результат совместного решения соотношений

Не новая ли это константа?

Водоpод является самым простым атомом. Он имеет один электpон, а его ядpо состоит из одного пpотона. Выявленная нами информация о структуре электрона и протона позволяет составить представление о процессе формирования этого атома.

Можно полагать, что магнитные поля и протона, и электрона подобны магнитным полям стержневых магнитов и поэтому имеют магнитные полюса. Поскольку масса протона значительно больше, чем электрона, то образование атома водорода начнется с приближения электрона к протону. Мы уже знаем, что в свободном состоянии электрон также имеет магнитный момент и довольно большую напряженность магнитного поля в его геометрическом центре, поэтому на первой стадии процессом сближения электрона с протоном будут управлять как электрические, так и магнитные силы.

Так как магнитные поля и протона, и электрона имеют наибольшую напряженность вдоль их осей вращения, то при сближении электрон и протон будут вращаться соосно. Если их противоположные магнитные полюса будут направлены навстречу друг другу, то сближать электрон с протоном будут и электрические, и магнитные силы, и протон поглотит электрон и превратится в нейтрон. Именно этот процесс, как показали результаты японских исследователей, реализуется при плазменном электролизе воды. Когда же при сближении электрона с протоном навстречу друг другу будут направлены их одноименные магнитные полюса, то кулоновские силы, действующие не вдоль оси сближения, а нормально к тороидальной поверхности электрона, будут сближать его с протоном, а магнитные - отталкивать их друг от друга.

Между этими силами установится равновесие, и образовавшаяся таким образом структура будет являться атомом водорода (рис. 1). Это явление также подтверждается результатами исследований плазменного электролиза воды.



Рис. 1. Схема модели атома водорода: а) протон, b) ядро атома дейтерия, с) ядро атома трития, d) атом водорода

По данным экспериментальной спектроскопии энергии ионизации, а, значит, и энергии связи первых электронов с ядрами атомов, пропорциональны квадратам количества протонов в ядре. Это послужило основанием для предположения о том, что ядра всех атомов расположены внутри их первых электронов. Однако, при этом возникает проблема объяснения экранирования электроном электрического поля ядра. Чтобы иметь какое-либо приемлемое объяснение этому, возникает необходимость предположить, что ядро атома располагается не в геометрическом центре его первого электрона, а на некотором расстоянии от него.

Тут уместно вспомнить опыты Вирля по выявлению ассимметрии интенсивности между компонентами с более длинной и более короткой волной при электрическом расщеплении бальмеровых линий. Это явление, как отмечает Зомерфельд, в теории Бора объясняется так: компонентам с более длинной волной в начальном состоянии соответствуют орбиты, которые проходят больше позади ядра; компонентам с более короткой волной - орбиты, которые проходят больше впереди ядра. При этом "впереди" и "позади" трактуются относительно направления электрического поля.

Теперь мы знаем, что у электрона в атоме нет орбитального движения. Он прецессирует на ядре так, что образуется электрический диполь, на одном конце которого (рис. 1) - положительно заряженное ядро, а на другом - отрицательно заряженный электрон. Наличие кинетического момента у электрона дает основание предполагать, что он прецессирует на ядре в условиях присутствия малейшего внешнего воздействия. В рассматриваемом случае такая прецессия является следствием действия на атом электрического поля. Разное направление осей симметрии, как считает Беклямишев, обусловленное взаимодействием магнитного момента (магнетона бора) атома с электрическим полем, и рождает ассимметрию интенсивностей спектральных линий. Модель атома водорода, показанная на рис. 1, полностью соответствует этой интерпретации.

Таким образом, будем считать, что ядро атома, имея размер на три порядка меньше размера электрона, располагается на его оси, на некотором расстоянии от геометрического центра электрона, которое можно вычислить, основываясь на законе Кулона. Он позволяет определить расстояние между протоном и электроном в момент пребывания его на первом энергетическом уровне. Поскольку энергия связи протона с электроном в этом случае равна то при имеем:

Результаты расчета для = 2,3,4... приведены в табл. 7.

Таблица 3. Спектр атома водорода, его энергии связи и расстояния между протоном и электроном

Знач.	n	2	3	4	5	6
F(эксп)	eV	10,20	12,09	12,75	13,05	13,22
F(теор)	eV	10,198	12,087	12,748	13,054	13,22
Ec(теор)	eV	3,40	1,51	0,85	0,54	0,38
Ri(теор)		4,23	9,54	16,94	26,67	37,89

Минимальное расстояние, на которое электрон приближается к протону, м, то есть порядка ангстрема, что согласуется с принятым в современной физике размером атома водорода.

Таким образом, атом водорода представляет собой стержень, на одном конце которого расположен протон, а на втором - электрон. Причем, размер электрона на два порядка меньше размера самого атома, а размер протона на три порядка меньше размера электрона и на пять порядков меньше размера атома. фотон атом водород молекула

Так как магнитный момент электрона на два порядка больше магнитного момента протона и так как их векторы в атоме водорода направлены противоположно, то магнитный момент атома водорода равен практически магнитному моменту электрона или магнетону Бора

Кроме того, равенство спинов электрона и протона и их противоположная направленность делают спин атома водорода равным нулю.

Модель атома водорода, показанная на рис. 13, ярко демонстрирует его активность. С одной стороны, расположен положительно заряженный протон, готовый вступить в связь со свободным электроном, а с другой - отрицательно заряженный электрон, готовый вступить в связь со свободным протоном. Вот почему атомы водорода могут существовать при значительной температуре При этой температуре электроны атомов находятся в возбужденном состоянии, то есть на самых высоких энергетических уровнях, где связь с протонами у них чрезвычайно слаба.

Если напряженность магнитных полей электрона и протона в их геометрических центрах обозначить через и , а напряженность этих полей вдоль осей их вращения на расстояниях и от геометрических центров соответственно и , то, учитывая закономерность убывания этой напряженности вдоль осей вращения для точек, в которых они окажутся равными по величине, их можно оценивать по формулам:

Приравнивая и , получим

Итак, мы ввели в формулы геометрический параметр атома водорода, а именно: расстояние между протоном и электроном вдоль их осей вращения. Это расстояние определяют не только магнитные силы, но и электрические. В соответствии с законом Кулона, расстояние между протоном и электроном определится из формулы:



Вполне естественно, что

В итоге получаем зависимость между энергией связи электрона с протоном и напряженностью магнитных полей электрона и протона в их геометрических центрах.

Решая совместно уравнения (1), (2) и (3), найдем расстояние от протона, на котором напряженности магнитных полей и протона, и электрона равны, то есть точку, в которой произойдет разрыв связи между протоном и электроном на заданном энергетическом уровне электрона в атоме:

Результаты расчета представлены в табл. 4.

Таблица 4. Расстояния от протона в атоме водорода, на которых противоположные магнитные силы протона и электрона равны при разных энергиях связи электрона с протоном

Знач.	n	2	3	4	5	6
F(эксп)	eV	10,20	12,09	12,75	13,05	13,22
F(теор)	eV	10,198	12,087	12,748	13,054	13,22
Ec(теор)	eV	3,40	1,51	0,85	0,54	0,38
lp(теор)		19i	3,8i	5,6i	7,5i	9,4i

Таким образом, атом водорода представляет собой стержень, на одном конце которого расположен протон, а на втором - электрон.

Причину излучения фотонов при сближении электрона с протоном можно описать так. При соосном сближении электрона с протоном разные скорости их вращения относительно одной и той же оси сформируют момент сил, который будет тормозить или ускорять вращение электрона. Причем, в начальной стадии моменты сил протона и электрона будут разные. Для восстановления равенства этих моментов электрон излучает часть своей массы в виде фотона или поглощает его из среды и приближается или удаляется от протона.

Тут обязательно надо учитывать фотонное состояние окружающей среды. Если в окружающей среде концентрация фотонов, которые необходимы электрону для перехода на следующий энергетический уровень, будет достаточной, то он поглотит такой фотон и совершит соответствующий энергетический переход. Если же в окружающей среде будет недостаток фотонов, соответствующих пребыванию электрона на определенном энергетическом уровне, то он излучит этот фотон и перейдет на более низкий энергетический уровень. Так поддерживается необходимое равновесие фотонов в окружающей среде, которое и определяет ее температуру. Сразу видна необходимость анализа фотонного давления на все, что существует в фотонной среде, так же как, например, в жидкостной или газовой среде, но мы не будем останавливаться на этой необходимости, так как впереди более интересные задачи.

1.2 Модели молекулы водорода

По мере уменьшения температуры электроны атомов водорода переходят на нижние энергетические уровни (приближаются к протонам). Их связь с протонами становится прочнее, и появляются условия для соединения в единую структуру двух протонов и двух электронов. Но перед этим возможно образование промежуточной структуры , которую называют молекулярным ионом водорода. На рис. 14 представлена структура такого иона.

Обратим внимание на формирование его спина. Так как в общем случае векторы кинетических и магнитных моментов совпадают по направлению и так как одноименные магнитные полюса электрона и первого протона направлены навстречу друг другу, то векторы их кинетических моментов также направлены навстречу друг другу, поэтому их сумма равна нулю. Вектор же кинетического момента второго протона остается не скомпенсированным, поэтому спин молекулярного иона водорода равен постоянной Планка. Направления векторов магнитных моментов обоих протонов совпадают, поэтому магнитный момент иона уменьшается по сравнению с магнитным моментом атома водорода на величину магнитного момента второго протона и становится равным

Рис. 2. Схема молекулярного иона : а) следует из нашей теории; b) следует из уравнения Шредингера

Молекулярный ион водорода - тоже неустойчивое образование, так как его второй протон слабее связан с электроном и поэтому имеет запас свободных электромагнитных линий для вступления в связь со свободным электроном, что и происходит. Так образуется молекула водорода (рис. 3). Магнитные и электрические силовые линии задействованы на связь друг с другом, поэтому такая cтруктура является химически неактивной при обыкновенной температуре. Два протона и два электрона, как принято в современной химии, образуют структуру с довольно прочной связью, равной 436 кДж/моль. В расчете на одну молекулу это составит:

,

а на один атом - 2,26 eV.

Рис. 3. Схема молекулы водорода : а), b) - ортоводород; c) - параводород

Отметим важный момент. В соответствии с существующими представлениями молекула водорода может иметь две структуры. В структуре ортоводорода направления векторов магнитных моментов протонов направлены в одну сторону, а в структуре параводорода - в противоположные стороны. Однако мы уже показали, что величина магнитного момента протона на два порядка меньше величины магнитного момента электрона, поэтому принятую в современной химии классификацию молекул водорода должен определять магнитный момент не протона, а электрона. С учетом этой особенности молекула водорода будет иметь следующие различия в своей структуре.

На рис. 3,а,b направления векторов магнитных моментов обоих электронов совпадают, а, значит, совпадают и направления векторов их кинетических моментов . Данную структуру назовем ортоводородом. На рис. 3с указанные векторы противоположны, поэтому такую структуру назовем параводородом.

Обратим внимание на логические действия Природы по образованию структуры ортоводорода (рис. 3,а). Электростатические силы взаимного притяжения первого электрона и первого протона уравновешиваются противоположно направленными магнитными силами этих частиц. Именно поэтому векторы и их магнитных моментов направлены противоположно. Электростатические силы отталкивания, действующие между первым и вторым электронами, уравновешиваются сближающими их магнитными силами, поэтому направления векторов их магнитных моментов совпадают. Чтобы скомпенсировать электростатические силы взаимного притяжения второго электрона и второго протона, необходимо сделать магнитные силы этих частиц противоположно направленными. Это действие отражено в противоположно направленных векторах и магнитных моментов второго протона и второго электрона.

На рис. 3, b показан еще один вариант компоновки молекулы ортоводорода. Принцип формирования этой молекулы тот же. Векторы магнитных моментов электронов и протонов оказываются направленными так, что если электрические силы приближают частицы друг к другу, то магнитные силы должны удалять их друг от друга. В результате между этими силами устанавливается равновесие. Устойчивость образовавшейся таким образом структуры зависит от энергий связи между ее элементами. Поскольку магнитные моменты электронов на два порядка больше магнитных моментов протонов, то электромагнитные силы первой структуры (рис. 3, а) прочнее удерживают ее элементы вместе, чем в структуре, показанной на рис. 3,b, поэтому есть основания ожидать, что первая структура ортоводорода устойчивее второй.

А теперь проследим логические действия Природы при образовании молекулы параводорода (рис. 3,c). Логика формирования связи между первым электроном и первым протоном остается прежней. Далее, силы взаимного притяжения первого электрона и второго протона уравновешиваются их противоположно направленными магнитными силами.

Нетрудно видеть, что расстояния между вторым протоном и электронами меньше, чем между первым и вторым электронами, следовательно, электростатические силы притяжения этих электронов ко второму протону будут больше электростатических сил отталкивания, действующих между первым и вторым электронами. Электростатические силы взаимного притяжения первого электрона и второго протона уравновешиваются противоположно направленными магнитными силами. Поскольку у электронов они на два порядка больше, чем у протонов, то вектор магнитного момента второго электрона должен быть направлен противоположно вектору магнитного момента первого электрона, как это и показано на рис. 3,c.

Настала очередь проанализировать существующие представления о химической связи между атомами в молекулах. Они описываются несколькими теориями.

Ионная теория связи описывает связи, устанавливаемые между противоположно заряженными ионами. На основании этого связь между первым протоном и первым электроном, а также между вторым электроном и вторым протоном в молекуле ортоводорода (рис. 3,а), считается ионной.

В соответствии с теорией ковалентной связи, ее образуют два не спаренных электрона двух атомов. Такую связь мы видим между первым и вторым электронами молекулы ортоводорода (рис. 3,а). Удивимся непонятной для нас причиной названия такой связи словами "ковалентная связь" и впредь будем называть связь между электронами просто электронной связью, между протонами - протонной связью и связь между электроном и протоном - электронно -протонной связью.

Теория водородной связи описывает химические связи, реализуемые атомом водорода. Схема атома водорода (рис. 3) указывает на то, что атом водорода представляет собой двуполярное образование и является идеальным звеном для связи между атомами. Эту связь формируют как кулоновские силы протона и электрона, так и их магнитные силы.

Известно, что существует явление захвата электрона протоном и образования нейтрона с испусканием, как считают современные физики, нейтрино. Посмотрим на примерах образования структур атома и молекулы водорода реализацию такого явления. Нетрудно видеть, что возможна ситуация, при которой векторы магнитных моментов (рис. 3) протона и электрона будут совпадать. Тогда и электростатические, и магнитные силы будут притягивать электрон и протон друг к другу, и протон поглотит электрон и превратится в нейтрон. Мы уже отметили, что именно этот процесс реализуется при плазменном электролизе воды, как это установили японские исследователи Ohmori T. и Mizuno T.

1.3 Структура ядра и атома гелия

Как известно, атом гелия имеет два электpона. Напомним, что из анализа экспериментальной спектроскопии следует, что энергия связи второго и всех последующих электронов с ядром не равна энергии их ионизации. Это коренное отличие от первого электрона создает непреодолимые препятствия на пути выявления структур атомов более сложных элементов, если добиваться этого, руководствуясь старыми физическими и химическими представлениями.

Не будем описывать здесь методику определения энергии связи второго электрона с ядром атома, соответствующей его первому энергетическому уровню. Желающие могут ознакомиться с ней в наших прежних публикациях. Отметим, что она оказалась равной . Учитывая энергию ионизации этого электрона и используя закон спектроскопии, получим необходимые нам данные (табл. 5)

Таблица 5. Спектр второго электрона атома гелия

Знач.	n	2	3	4	5	6
F(эксп)	eV	21,22	23,09	23,74	24,04	24,21
F(теор)	eV	21,22	23,09	23,74	24,05	24,21
Ec(теор)	eV	3,37	1,50	0,84	0,54	0,37

Итак, если электрон атома водорода, взаимодействуя с ядром, удален от него на расстояние, в 100 раз превышающее размер самого электрона, то как будет взаимодействовать с ядром второй электрон атома гелия?

Ответ на этот вопрос дает энергия (3,37 eV) связи второго электрона с ядром в момент пребывания его на втоpом энергетическом уровне (табл. 9). Эта энергия по величине близка к энергии (3,40 eV) связи электрона атома водорода с ядром, состоящим только из одного протона, в момент его пребывания также на втором энергетическом уровне. Ясно, что при такой энергии связи с ядром второй электрон не может взаимодействовать с двумя протонами ядра одновременно, как это делает первый электрон атома гелия, имея энергию связи с ядром, соответствующую первому энергетическому уровню, равную Из этого следует, что второй электрон атома гелия взаимодействует только с одним протоном его ядра.

А теперь давайте вспомним результаты анализа спектроскопии, из которых следует, что у всех электронов отсутствует энергия орбитального движения, а, значит, и само орбитальное движение. Электрон в атоме имеет только энергию вращения относительно своей оси - вот главный неожиданный результат. Он вынуждает нас считать, что электрон взаимодействует с ядром как стержневой магнит, то есть своей осью вращения. Таким образом, факт взаимодействия второго электрона атома гелия осью вращения с его ядром следует из закона спектроскопии и подтверждается величиной энергии (3,37 eV) связи его с ядром в момент пребывания на втором энергетическом уровне.

Чувствуется необходимость в пояснении содержания понятия "ось взаимодействия". Это воображаемая линия, проходящая через магнитные полюса электрона или протона. Она же соединяет геометрические центры протона и электрона или двух электронов при их взаимодействии. Вдоль этой линии и действуют магнитные силы, которые обеспечивают взаимодействие этих частиц, а в совокупности с кулоновскими силами формируют условия для устойчивости такого образования.

Рис. 4. Модель ядра и атома гелия с энергетическими переходами второго электрона: а) схема модели ядра атома гелия; b) схема модели ядра изотопа атома гелия; c) модель атома; 1,2 - номеpа электpонов; N- ядро атома; 2, 2', 2'' - энергетические уровни второго электрона

Напомним читателю, что в соответствии с принципом Паули на одном энергетическом уровне в атоме может находиться лишь один электрон. Это значит, что два электрона атома не могут иметь одинаковые главные квантовые числа n. К сожалению, этот принцип работает только в самых простых атомах. В атоме Бора он уже не работает, так как и первый, и пятый электроны этого атома начинают формировать энергетические спектры при одном и том же главном квантовом числе, равном двум (n=2), но энергии связи с ядром, соответствующие одноименным энергетическим уровням, конечно, разные. Если учитывать только этот факт, то принцип Паули сохраняет силу.

Поскольку в атоме гелия принцип Паули работает и поскольку второй электрон взаимодействует с ядром своей осью вращения, то у нас остается одна возможность для схемы взаимодействия электронов с ядром: разместить второй электрон так, чтобы магнитный момент атома был равен нулю, так как это - экспериментальный факт, но расстояния первого и второго электронов от ядра атома будут разные. Тогда модель атома гелия с серией энергетических переходов второго электрона оказывается такой, как показана на рис. 4,c.

Ну вот, настал момент поговорить о понятии "орбитальное движение электрона". Теперь это понятие не отражает ту сущность, которая за ним закрепилась, поэтому необходимо ввести новое понятие, которое точнее отражало бы процесс выявленного движения электрона в атоме.

Вспомним, физики, смущенные тем фактом, что уравнение Шредингера не позволяет определить точное положение электрона в атоме, а указывает лишь на плотность вероятности, с которой можно обнаружить положение электрона в той или иной области атома, решили заменить понятие "орбита" на понятие "орбиталь", понимая под этим нечто неопределенное.

Теперь же мы видим, что электрон при поглощении фотона совершает перемещение относительно ядра вдоль своей оси вращения, то есть оси симметрии.

Если учесть, что электрон в атоме - это вращающийся гироскоп, то у нас есть основания назвать его переходы и уровни понятием "гироскопические". Однако мы не можем сбрасывать со счета и уже закрепившееся понятие "орбиталь". Жизнь покажет, какое из понятий окажется более удобным, но мы в дальнейшем будем пользоваться только понятием "энергетический уровень" или просто "уровень".

Давайте остановим свое внимание на заряде электрона. Известно, что все свободные электроны имеют один и тот же заряд. Сразу возникает вопрос: изменяется ли этот заряд при энергетических переходах электрона в атоме? Есть основания полагать, что меняется. Обратим внимание на взаимодействие первого и второго электронов в атоме гелия. Магнитная сила, притягивающая второй электрон к ядру, направлена вдоль оси, соединяющей их центры, а электрические силы, действующие между электронами, отталкивают их друг от друга. Закономерность изменения этих сил и определяет закономерность изменения энергии связи второго электрона с ядром.

Поскольку вихревое, или как мы его еще назвали, потенциальное вращение тора изменяется при излучении и поглощении фотонов, то это должно приводить и к изменению заряда электрона. Однако для прояснения этой гипотезы необходимо углубление анализа изменения равенства между меняющимися электрическими и магнитными силами, действующими на электрон на каждом энергетическом уровне, и энергиями, соответствующими этим силам, но в наших планах еще не подошла очередь для такого анализа.

Мы уже много говорили о кинетическом моменте электрона и фотона. Какую же роль должен играть он при формировании атомов и ионов? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте представим себе процесс поглощения фотона атомом какого-нибудь газа. Фотон движется со скоростью света. При этом его размер может быт равен размеру электрона, быть больше или меньше электрона, причем значительно, но это различие мало влияет на процессы поглощения, так как электрическое и магнитное поля электрона не ограничиваются их радиусами вращения, а распространяют свое действие далеко за пределы этих радиусов. Если плоскость вращения фотона оказывается параллельной плоскости вращения электрона, то в момент сближения между их электромагнитными полями возникает вначале контакт, затем идет процесс сближения, и силы взаимодействия между этими полями возрастают настолько, что вращающиеся электромагнитные поля электрона оказываются способными удержать фотон от дальнейшего движения, приближают его к себе, и происходит соединение этих полей друг с другом. Электрон полностью поглощает фотон, не меняя при этом своей структуры. Расчеты показывают, что масса фотона, поглощенного электроном в атоме водорода, почти в 1000 раз меньше массы электрона. И тем не менее фотон имеет достаточный импульс, чтобы увлечь за собой электрон при сближении. Тут мы начинаем понимать, что если электрон не будет иметь силу, которая удерживала бы его в устойчивом положении в пространстве, то вряд ли он сможет удержать пролетающий мимо него фотон и поглотить его. Какая же сила удерживает электрон в атоме в устойчивом положении?

Вы теперь вспоминаете, что устойчивое положение электрона обеспечивает его кинетический момент, тот самый, который удерживает в вертикальном положении вращающийся волчок. Не случайно же Природа постаралась сделать так, что вектор кинетического момента сохраняет свое постоянное направление не относительно какого - нибудь тела: атома, молекулы, планеты или звезды, а относительно межзвездного пространства. При первом анализе кажется, что Природа должна так строить структуру атома, чтобы обеспечить ему устойчивое положение в межзвездном пространстве. Однако, если учесть, что связь между электроном и ядром не жесткая, а гибкая, то кинетический момент электрона в таком случае обеспечивает устойчивость положения главным образом самого электрона и мало влияет на устойчивость всего атома.

Электрон в атоме имеет магнитный момент, равный магнетону Бора. Посмотрим, какую роль он играет при формировании атомов? Результаты экспериментов показывают, что магнитный момент атома гелия близок к нулю. Поскольку этот момент формируют в основном электроны (так как он у каждого из них на два порядка больше, чем у протона), то из этого следует, что векторы магнитных моментов двух электронов атома гелия направлены вдоль одной линии в противоположные стороны. Поскольку векторы кинетических моментов () электронов (рис. 4) совпадают с направлением векторов магнитных моментов, то общий кинетический момент атома гелия, формируемый вращающимися электронами, должен быть равен нулю.

С учетом изложенного, направления вращений первого и второго электронов атома гелия противоположны и его структура с энергетическими переходами второго электрона будет такой, как показано на рис. 4,c. Вы видите, что в этом случае суммарный кинетический момент атома равен нулю, так как векторы и равны по величине и противоположны по направлению. Видимо, это одна из существенных причин слабой активности атома гелия. Тем не менее кинетический момент каждого электрона играет существенную роль в жизни атома и эту роль еще предстоит выяснять.

Сейчас же давайте попытаемся проникнуть в глубь ядра атома гелия и посмотреть на его структуру. Схема структуры ядра атома гелия, показанная на рис. 4,а, свидетельствует о его устойчивости. Два нейтрона создают надежный экран между протонами, и симметричные ядерные силы удерживают протоны и нейтроны вместе, лишая их возможности распадаться. Не случайно эти четыре частицы излучаются сложными ядрами в неразделенном состоянии как единое образование, известное под названием "альфа-частица". Именно поэтому порядковый номер 2 химического элемента гелия относится к ряду магических чисел, характеризующих устойчивость ядра этого элемента. Следующие магические числа 8 и 20. Далее мы рассмотрим структуру ядра с магическим числом 8, которое принадлежит атому кислорода и увидим причину устойчивости ядра атома кислорода.

А сейчас давайте сформулируем принципы, которыми руководствуется Природа при построении ядер атомов. Невероятно большая плотность ядра ( 180000000 тонн/см) и невероятно большие ядерные силы, действующие в нем, указывают на то, что принцип геометрической симметрии играет тут главную роль. Только в симметричном ядре возможно условие равновесия ядерных сил и сил отталкивания между протонами. Нарушение симметрии расположения протонов и нейтронов в ядре ведет к нарушению симметрии между силами сжатия и отталкивания, и ядро теряет устойчивость. Так что уровень устойчивости ядра определяется уровнем симметрии в расположении протонов и нейтронов.

Далее, мы уже показали, что протоны, и, возможно, нейтроны имеют тороидальную структуру, параметры которой приближают их внешнюю поверхность к сферической форме.

Чтобы обеспечить взаимодействие каждого электрона с ядром, необходимо располагать протоны на поверхности ядра. Одинаковые заряды протонов исключают структуру ядра, в которой протоны касались бы друг друга. Природа строит ядро так, чтобы между протонами обязательно находился нейтрон. Поскольку последнее требование трудновыполнимо при соблюдении геометрической симметрии ядра, которая обеспечивает его устойчивость, то привлекаются дополнительные нейтроны. Вот почему ядра почти всех химических элементов содержат нейтронов больше, чем протонов. Причем, с увеличением количества протонов и нейтронов в ядре доля "лишних" нейтронов увеличивается. И это понятно, так как без них невозможно добиться геометрической симметрии ядра, в котоpом между пpотонами обязательно должны быть нейтроны. А ведь без геометрической симметрии самого ядpа невозможно фоpмиpование симметpии действия ядерных сил, ответственных за устойчивость ядра. Руководствуясь этими принципами, мы построим структуры ядер атомов первых химических элементов.

Обратим внимание на структуру ядра изотопа атома гелия, показанную на рис. 4,b. Неустойчивость такой структуры очевидна. Тем не менее в Природе существует гелия с такими ядрами. Всего же установлено шесть изотопов атома гелия. Различное количество нейтронов в ядре и разная их компоновка обеспечивают это разнообразие.

В положении атома гелия, показанном на рис. 4,с, у второго электрона формируется длинный ряд энергий связи с ядром: 13,47; 3,37; 1,50; 0,85; 0,55; 0,38; 0,28; 0;22; 0,17; 0,14; 0,10; 0,09; 0,08; 0,07....eV, которые соответствуют поглощаемым фотонам. Мы можем предполагать, что причиной этого является нейтральность атома по отношению к магнитному полю.

Тут мы обращаем Ваше внимание на энергию 13,47 eV. Она соответствует первому энергетическому уровню, на котором, в соответствии с принципом Паули, второй электрон не имеет права бывать. Однако энергия, соответствующая этому уровню, существует, и мы можем назвать ее фиктивной энергией. Определение этой энергии является ключевым моментом в новой Аналитической Теории Спектроскопии. Обратите внимание на то, что фиктивная энергия (13,47 eV) связи второго электрона с ядром, соответствующая первому уровню, весьма близка к энергии (13,59 eV) связи электрона с ядpом в атоме водорода, также соответствующей первому уровню. Это как раз и указывает на то, что второй электрон взаимодействует только с одним протоном ядра атома гелия.

Сразу же возникает такой вопрос: а что, разве исключается ситуация, когда второй электрон, присоединившись к ядру, будет вращаться в ту же сторону, что и первый электрон? По-видимому, нет, не исключается. Данные спектроскопии подтверждают наличие такой ситуации. Но количество спектральных линий в этом случае значительно меньше.

Обратим внимание читателя и на то, что количество рядов энергий определяет не только количество возможных направлений вращения электронов в атомах, но и конфигурация электродинамических ячеек, в которых вращаются электроны. Это особенно ярко проявляется у сложных атомов. Они тоже могут влиять на количество спектральных последовательностей.

1.4 Структура ядра и атома углерода

Углерод считается основой жизни, так как формирует наибольшее количество связей с атомами других химических элементов. Посмотрим на причину такой его активности.

На рис. 5,а показано ядро этого элемента. Как видно, оно плоское. Тут невольно вспоминается чешуйчатое, плоское строение графита. Такое ядро принадлежит углероду, формирующему это вещество.

Однако в Природе встречается углерод и с другой пространственной компоновкой ядра. Механические свойства алмаза (рис. 5,b), который также состоит из углерода, радикально отличаются от механических свойств графита. Пространственная форма ядра алмаза - главная причина этих отличий. На рис. 5,b показана структура такого ядра. На ней три пары нейтронов направлены вдоль трех координатных осей. Вдоль этих же осей к каждому наружному нейтрону присоединен протон. Таким образом, пространственное ядро атома углерода - идеальный узел кристаллической решетки. Такая конструкция ядра и обеспечивает столь прочные свойства кристаллу алмаза.

Рис. 5. Структура ядра и атома углерода: a) схема плоского ядра; b) схема пространственного ядра; с) схема атома; N - ядро атома; 1,2,3,4,5,6 - номера электронов

Экспериментальная ядерная спектроскопия свидетельствует, что 98,9% ядер углерода содержат шесть протонов и шесть нейтронов и лишь 1,1 % процента ядер этого элемента имеют лишний нейтрон. На рис. 17 показаны схемы ядер атома углерода. Ядро атома, формирующего графит (рис. 5,а), и ядро этого же атома, формирующего алмаз (рис. 5,b). А на рис. 5,c - схема атома этого элемента.

Не будем останавливаться на структуре атома азота и его ядра, а перейдем к модели атома кислорода. Ядру этого атома экспериментаторы также приписывают магические свойства устойчивости. Число, соответствующее порядковому номеру этого элемента, тоже считается магическим.

1.5 Структура ядра и атома и молекулы кислорода

Атом кислорода - химический элемент с устойчивой пространственной структурой ядра. Специалисты ядерной спектроскопии установили, что в устойчивом ядре атома кислорода количество нейтронов равно количеству протонов, а изотоп этого элемента имеет девять нейтронов и восемь протонов. Это указывает на то, что седьмой и восьмой нейтроны совместно заполняют пустое место в центре плоского ядра атома углерода, показанного на рис. 6,а. Другого места для них просто нет в ядре. У седьмого и восьмого протонов остается одна возможность - присоединиться к симметрично расположенным седьмому и восьмому нейтронам с разных сторон плоскости ядра. Симметрично расположенные остальные шесть протонов формируют устойчивые симметричные ячейки для этих протонов в виде поля сил отталкивания. Симметричны и ядерные силы ближайших нейтронов, что и обеспечивает устойчивость такой структуре. Не случайно поэтому в Природе 99,76% ядер атома кислорода имеют такую структуру.

Pис. 6. Схемы моделей ядра и атома кислоpода: a) схема ядра атома кислорода (вид на плоскость ядра); b) вид на ядро с торца (по стрелке А); c) схема модели атома; 1-8 -- номера электронов; N - ядро атома; - радиусы электронов; - радиусы энергетических уровней

Если к такому ядру добавить один нейтрон, то сразу нарушится симметрия и электростатических, и ядерных сил, и ядро потеряет прежнюю устойчивость. Вот почему в Природе существует всего лишь 0,04 % ядер атома кислорода с лишним нейтроном, а всего установлено 8 изотопов этого элемента. Нельзя исключать и более сложную пространственную структуру ядра этого атома.

Кислород - довольно сложное образование. Он имеет восемь электронов и показать их все на плоской схеме сложно. Надо владеть особыми приемами рисования, поэтому, если нам не удалось это сделать, то отсутствие навыков к рисованию - главная причина не наглядности модели. Модель имеет пространственную форму. Главная особенность этой формы заключается в том, что атом кислорода имеет один явно выделенный из всей структуры электрон. Это восьмой электрон. Он играет ведущую роль во взаимодействиях этого атома с атомами или ионами других химических элементов. Короче говоря, это главный валентный электрон. Если другой атом кислорода является положительным ионом, то есть таким, у которого отсутствует восьмой электрон, то восьмой электрон первого атома может соединиться с протоном этого ядра. Так образуется молекула из двух атомов кислорода (рис. 7).

Конечно, это плоский рисунок. В действительности модель любого атома или молекулы имеет пространственную структуру, и при возможности ее можно представить такой. Обратите внимание на структуру модели молекулы кислорода (рис. 7).



Рис. 7. Схема молекулы кислорода

Если Вы просматривали учебник по химии, то там представлены аналогичные модели молекул. Химики давно интуитивно почувствовали, что валентные электроны связывают ядра разных атомов и показывают эту связь в виде коротких линий между химическими символами. Теперь эти линии представляют собой оси валентных электронов. Причем они могут соединяться посредством разноименных магнитных полюсов как с валентными электронами соседних атомов, так и с протонами в их ядрах.

Возникает необходимость обратить внимание читателя еще на одну очень важную особенность. Дело в том, что поверхностные электроны почти всех атомов имеют близкие по значению энергии ионизации и энергии связи с ядрами. Из этого следует, что размеры всех атомов незначительно отличаются друг от друга. Расчеты показывают, что они изменяются в пределах от одного до пяти ангстрем в тех случаях, когда электроны атомов находятся в невозбужденном состоянии, то есть располагаются на самых нижних энергетических уровнях. Так что при увеличении количества электронов в атоме он "растет" внутрь, то есть усложняется внутренняя структура больше, чем внешняя. Из этого же факта вытекает и другое очень важное следствие.

Поскольку энергии связи поверхностных электронов с ядрами близки по значению к энергии связи электрона атома водорода с протоном, то это указывает на то, что каждый поверхностный электрон взаимодействует с одним протоном ядра атома. Конечно, при большом количестве электронов в атоме поверхностные электроны могут достать свободный протон в ядре только осью своего вращения. Это дополнительное доказательство того, что электроны взаимодействуют с ядрами посредством своих осей вращения.

Тут возникает такой вопрос: почему при приближении электрона к ядру увеличивается его энергия связи с ядром? Как понимать это увеличение? За счет чего она увеличивается?

Вполне веpоятно, что внутренние электроны атомов взаимодействуют с несколькими протонами ядpа одновpеменно.

Поскольку энергии связи поверхностных электронов с ядрами близки по значению к энергии связи электрона атома водорода с протоном, то это указывает на то, что каждый поверхностный электрон взаимодействует с одним протоном ядра атома. Конечно, при большом количестве электронов в атоме поверхностные электроны могут достать свободный протон в ядре только осью своего вращения. Мы можем посчитать примерное количество электронов, способных разместиться на сферической поверхности, образуемой радиусом, равным расстоянию между протоном атома водорода и его электроном. Поскольку электрон - полый тор, то площадь плоскости, перпендикулярной оси его вращения и примерно равной площади круга тора, будет равна:

Площадь же поверхности сферы атомарного водорода будет равна:

Таким образом, на поверхности сферы атомарного водорода может разместиться:

.

Вот как велики потенциальные возможности ядер атомов удерживать электроны, соединенные с ними своими осями вращения (разноименными магнитными полюсами). Поскольку расстояние между электроном и ядром определяет энергия связи электрона с ним и поскольку энергии связи поверхностных электронов всех атомов близки по значениям, то размеры всех атомов примерно одинаковы. Их структура усложняется по мере приближения к ядру. Чем больше энергия связи электрона с ядром атома, тем он ближе расположен к ядру.

Поскольку в химических реакциях участвуют в основном поверхностные электроны атомов, то ограничимся расчетом энергий поглощаемых и излучаемых фотонов, первых двух поверхностных электронов атома кислорода.

Энергия ионизации восьмого электрона атома кислорода равна , а энергия связи его с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню, Расчет энергетических показателей этого электрона по формуле (20) дает такие результаты (табл. 6).

Таблица 6. Спектр 8-го электрона атома кислорода

Знач.	n	2	3	4	5	6
F(эксп)	eV	10,18	12,09	12,76	13,07	13,24
F(теор)	eV	10,16	12,09	12,76	13,07	13,24

Энергия ионизации седьмого электрона атома кислорода , а энергия связи его с ядром, соответствующая первому энергетическому уровню, Обращаем внимание читателей на большие расхождения между экспериментальными данными спектроскопии по седьмому потенциалу возбуждения, приведенными в справочниках. Мы с большим доверием отнеслись к новым данным, помещенным в справочнике [5]. С учетом этого для седьмого электрона атома кислорода имеем (табл. 7).

Таблица 7. Спектр 7-го электрона атома кислорода

Квантовое число	n	2	3	4	5	6
F (exper.)	eV	14,12	25,83	29,81	31,73	32,88
F (theor.)	eV	14,12	25,79	29,87	31,76	32,78
Ec (theor.)	eV	21,00	9,33	5,25	3,36	2,33

При анализе структуры атома или молекулы необходимо помнить, что энергии связи электронов с ядрами атомов увеличиваются по мере их приближения к ядрам. Поэтому все электроны одного атома имеют разные значения силы валентной связи. Самое маленькое значение этой силы имеет самый удаленный от ядра электрон. У атома кислорода, например, это восьмой электрон (рис. 7). У седьмого электрона этого атома энергия связи с ядром больше, а значит и больше сила валентной связи. Еще большую энергию связи с ядром имеет шестой электрон атома кислорода. Поэтому и сила валентной связи у него больше. Вот почему химики говорят об одинарной, двойной или даже тройной валентной связи. Эти типы связей принадлежат разным энергетическим уровням электронов в атомах и ионах.

А теперь приведем интересное наблюдение Дж. Уиллера о взаимопонимании между физиками и химиками. В статье "Квант и Вселенная", опубликованной в сборнике "Астрофизика, кванты и теория относительности" (М.: Мир, 1982), он описывает случай беседы между студентами - выпускниками физиками и химиками.

"Почему вы, химики, продолжаете все эти разговоры о валентных связях и валентных углах? Почему вы не признаете, что в химии нет ничего, кроме электронов и боровских круговых и эллиптических орбит?" Ответ последовал сразу же: "Почему вы думаете, что эти круговые и эллиптические орбиты имеют какое-либо отношение к форме молекулы воды или к тетраэдрической валентности атома углерода? Нет, физика -- это физика, а химия -- это химия. Электрические силы являются электрическими, а химические силы - химическими".

Этот диалог ярко демонстрирует отсутствие взаимопонимания между физиками и химиками. Думается, что результаты наших исследований устраняют барьеры на пути их взаимопонимания.

Размещено на Allbest.ru

...