§ 3.3 Строение атомов и периодический закон Менделеева

§ 3.3 Строение 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 открывает эту связь.

В планетарной квантовой модели атома полагали, что на строение электронных оболочек атома влияет лишь заряд ядра, но не его структура. А какую же роль играет электричество, заряд ядра в магнитной модели атома? 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 заряженный атом будет отталкивать или притягивать электроны, пока не станет нейтральным. Но, хотя заряд ядра и определяет равновесное число электронов в атоме, — вовсе не он отвечает 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 под силу. Но для магнитной модели анионы — не проблема. Нейтральный атом легко может удержать лишний электрон в одном из узлов сетки (§ 4.14). Для захвата многих электронов есть и другой механизм: магнитное поле крестовины, атомного остова. На избыточный внешний электрон, влетающий в атом, действует сила Лоренца, способная удержать его на орбите, даже при отталкивании внутренними электронами (Рис. 100).

Рассмотрим теперь, как расположены внутренние электроны в атоме. По структурной модели атома, строение и заполнение электронных слоёв определяется строением ядра (остова атома), — не просто его зарядом, как в квантовой физике, а, именно, — пространственной структурой остова и конфигурацией полей. 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 задолго 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 целиком заполнены и потому крепко связывают электроны. Отсюда — химическая инертность этих, предельно совершенных, благородных газов.

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 и способа их заполнения, заимствованная из классической модели атома Дж. Томсона, выглядит в квантовой механике весьма натянуто, хотя бы потому, что произвольно вводятся четыре квантовых числа, задаваемых искусственно введёнными правилами, ниоткуда не следующими и ничем не обоснованными. Поэтому, для уяснения природы электронных оболочек — обратимся к забытым идеям Джильберта Льюиса. Подобно Ритцу, 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 упомянутые пирамиды из пушечных ядер. Уже то, что числа электронов в слоях — это удвоенные квадраты чисел 1, 2, 3, 4, должно говорить о том, что слои имеют форму постепенно растущих квадратов, — последовательных сечений пирамиды. Ну а то, что электронные слои, числа элементов в периодах — дублируются, означает, что пирамид этих — две. Они имеют общую вершину — слой с числом мест равным 2, потому-то он один 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). Ломоносов, как основатель русской физики с химией и последователь древних атомистов, тоже представлял атомы каждого элемента в виде частиц стандартных масс, геометрических размеров и форм, считая атомы многогранниками, пирамидами с квадратным основанием (см. его диссертацию "О различии смешанных тел, состоящем в сцеплении корпускул"). Наконец, и сам Менделеев связывал открытую им периодическую зависимость свойств элементов от веса атомов — с их формой, пространственной структурой атома.

Рис. 104. Бипирамидальная модель атома, схема расположения в нём семи 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 (как увидим, можно обойтись и без позитронов, если отталкивание компенсируется притяжением к атомному остову или магнитным взаимодействием электронов, § 4.14). Тогда, в каждом слое будет поровну электронов и позитронов, а всего частиц: 2k²+2k²=(2k)². То есть, любой слой — это квадрат со стороной в 2k частиц (если же исключаем присутствие позитронов в слое, то это будет квадрат со стороной в k частиц, где в каждой ячейке сидят по два электрона, связанные в пару магнитным притяжением). В крайних, 6-м и 7-м слоях, словно 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 сдвоенных 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. Таким образом, отрицательные электроны и их зеркальные античастицы-позитроны аналогичны чёрным и белым фигуркам шахмат или шашек, расположенным на отведённых им клетках шахматной доски-ядра (§ 5.2).

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

Итак, электроны и позитроны — это тот стройматериал, из которого, словно снежинки, кристаллизуются ядра, атомные остовы. Но, если снежинки все 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 электронные слои в атомах 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. При этом, наиболее массивная часть ядра сосредоточена в центре атома, где сходятся вершины двух пирамид и собраны все нуклоны. Отметим, что бипирамида легко получается из крестовой магнитной модели атома Ритца (§ 3.1), если соединить две крестовины, повёрнутые в пространстве на 90? вокруг биссектрисы их прямого угла. Ведь противоположные рёбра бипирамиды — как раз перпендикулярны друг другу, подобно магнитным стержням каждой крестовины. При этом, стенки раструбов (грани пирамид) образованы, вероятно, всё тем же строительным ядерным материалом: позитронами и электронами, составляющим частицы правильной формы (Рис. 102, Рис. 107). Так, 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 атома. Энергия возбуждения атомов идёт на придание электрону колебаний и на вырывание его из слоя.

Может удивить: как возникают столь сложные и правильные формы атомов и ядер (§ 3.6)? Но здесь не больше странного, чем в сложной и, при том, идентичной 3D-структуре одинаковых белковых молекул (скажем, белковых оболочек вирусов в виде икосаэдра), в замысловатой идеально правильной форме снежинок, в точном подобии и симметрии кристаллов. Общая причина — в упорядоченном выстраивании их частиц. Ещё Ритц говорил, что нельзя понять атомные законы, иначе как, допустив у атома и ядра сложную пространственную структуру, напоминающую с позиций современной химии структуру сложных ажурных органических молекул, типа белков и фуллеренов. В наш век нанотехнологий, структурной химии, изучающей трёхмерные каркасы молекул ДНК, нанотрубок и других высокомолекулярных соединений, ажурная структура самих атомов, составленных из многих электронов и прочих элементарных частиц, представляется вполне естественной.

Рис. 107. Грани и перегородки атомного остова из электрон-позитронных слоёв в форме квадратов с треугольниками и два типа электронов: узловые и орбитальные.

Выше видели, как электрон генерирует спектры атомов на электрон-позитронном уголке-треугольнике (§ 3.2). Таких треугольных граней достаточно в бипирамиде, — на них и сидят узловые электроны, генерирующие спектр. При этом каждый электрон генерирует излучение лишь одной частоты, отвечающей его положению в атоме и магнитному полю в данной 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, скелет, остов атома, называемый "атомным ядром", — 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, поскольку складывается из их масс. Наличие в ядре в почти равной пропорции электронов и позитронов доказывают многие факты. Так, известно, что стабильны ядра с определённым соотношением числа протонов и нейтронов. При избытке протонов обычен ?⁺-распад: ядро покидают избыточные положительные позитроны, находящиеся в протонах. Если же протонов не хватает, то ядро испытывает ?^—-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, Ирвинг Ленгмюр, заложивший основы науки о плазме, — газе из положительных ионов и электронов. Да и автор первой модели атома, Дж. Томсон, открывший электроны, считал, что атом и его масса складывается из тысяч электронов и того же числа связанных с ними в пары положительных зарядов [139]. А, самое удивительное, что к таким взглядам за тысячи лет до нас пришли древние индийцы (особенно школа вайшешики во главе с атомистом К?надой), которые ещё до Демокрита создали учение об атомах и молекулах, считая их составленными из "диад", — попарно связанных стандартных точечных частиц, аналогичных электронам и позитронам (Мюллер М. Шесть систем индийской философии. М., 1995). Так и в нашей модели бипирамидальный каркас, электронные слои и ответственную за спектр электрон-позитронную сетку атома формируют, вероятно, позитроны, прочно связанные с электронами в электродиполи, диады, или динамиды, обладающие весьма любопытными свойствами, например нулевой инерцией (§ 3.18). Оттого в атоме и нет позитронов в свободном состоянии.

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 O в вершине пирамид) будет перпендикулярно к этой плоскости и равно B=?₀?/?ar², где a — расстояние между электронами в стержне, равное их классическому радиусу r₀=e²/4??₀Mc², ?=?eh/M — их магнитный момент (§ 3.1). На электрон, летящий по орбите радиуса r с центром O, действует сила Лоренца F=eVB=e²f?₀?/ar (с учётом значений B и V=2?rf), направленная в O и равная MV²/r. Откуда MV²/2=fe?₀?/a, где e?₀?/a=h. Именно эти электроны, запертые в магнитной ловушке атома, вылетают из него при облучении светом частоты f. Это объясняет планковский спектр излучения (§ 4.1), фотоэффект (§ 4.3) и эффект Комптона (§ 4.7). Итак, всего в атоме три типа электронов: одни сидят на гранях и перегородках 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=E/h=MV²/2h.

Предсказывает данная 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. Завершают эти периоды благородные газы, где все 8 мест крайнего слоя заняты электронами, связанными в слое столь прочно, что уже не отрываются, придавая газам химическую инертность (Рис. 106).

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 отрываются лишь с большим трудом (Рис. 109). Поэтому, от заполнения периметра у никеля и палладия (а также у платины в 6-м периоде) эти благородные металлы по инертности становятся аналогичны благородным газам. А, при дальнейшем заполнении слоя, отсчёт групп и валентностей начинается заново, подобно тому, как это происходит во 2-м и 3-м периодах после завершения слоёв у инертных газов. Свойства элементов потому и повторяют друг друга, что электроны, расположенные в завершённых слоях или целиком занявшие периметр, не отрываются и не участвуют в образовании связей, а оставшиеся электроны образуют конфигурации, подобные конфигурациям предшествующих элементов.

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 в нём 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 Менделеев, а поздней она была уточнена его другом и коллегой, чешским химиком Б.Ф. Браунером [145]. Этот исконный вариант таблицы 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 уникальные 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) — либо 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. 104, 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, содержащему актиноиды (Рис. 109). Таблица и пирамидальная модель атома снова объясняют, почему многие актиноиды проявляют, вместо 3-ей, — нетипичные для себя валентности: Md — (+I); No — (+II); Th, Bk — (+IV); Pa — (+V); U — (+VI); Np — (+VII) [145], чего не может объяснить квантовая физика. Не случайно, давно уже замечено, что актиноиды, в отличие от лантаноидов и вопреки предсказаниям квантовой теории атома, очень мало похожи друг на друга. Например, уран химически больше напоминает не своих "собратьев" из 3-й группы, а металл вольфрам из 6-й группы. Так что помещение актиноидов, равно как и лантаноидов, в одну клетку таблицы Менделеева многие считают условным и даже ошибочным [13].

Ещё на заре становления учения о строении атома такие учёные, как Томсон, Льюис, Ленгмюр, Ленард, Ритц, разработали модели атома в форме геометрически правильных тел, образованных упорядоченно размещёнными субатомными частицами, чем объяснили многие атомные свойства [49]. Такая кристаллическая модель атома была не только проста, наглядна, но и наиболее естественна, ибо стандартные числа электронов на атомных уровнях, точная идентичность однотипных атомов и их спектров наводят на мысль о кристаллах и правильных геометрических телах. Но с приходом квантовой механики эти модели забыли, хоть они и объясняли эффекты загадочные для 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 (§ 5.9). 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.