Читать онлайн «Баллистическая теория Ритца и картина мироздания». Страница 88

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.

Выше был объяснён на основе модели атома Ритца спектр водорода и водородоподобных атомов, а также рентгеновские спектры и закон Мозли для них (§ 3.2). Но Ритц нашёл объяснение также и спектрам более сложных атомов, например атомов щелочных металлов. Их спектры имеют гораздо более сложную структуру, чем у водорода и водородоподобных атомов. Как говорилось, это связано с влиянием полей дополнительных электронов на электрон, генерирующий спектр. Поскольку генерировать спектр может любой электрон, приведённый в колебательное движение, то усложнение спектра связано с общим взаимным влиянием электронов. Своими полями они смещают друг друга от прежних положений равновесия в новые, с иным значением поля B и частоты колебаний в нём. Причём, поскольку все эти электроны могут занимать в атоме разные узлы, образуя разные конфигурации, то и смещения от положений равновесия, приводящие к изменению магнитного поля, могут быть различными и происходить в разные стороны. Соответственно, возникают дополнительные спектральные линии, генерируемые электронами в смещённых положениях: спектр атома обогащается, усложняется. И, чем больше электронов способно перемещаться в атоме, тем сложнее будет спектр.

Действительно, самыми простыми спектрами обладают щелочные металлы, стоящие в начале периодов, — в первой группе. Это означает, что в них имеется, по сути, один свободно смещающийся электрон. Все же остальные электроны прочно связаны в целиком заполненных электронных слоях (§ 3.3), а потому они вносят лишь небольшие стандартные искажения спектра. Вот почему спектры щелочных металлов очень напоминают водородный спектр, подчиняясь почти тем же зависимостям [74]. Элементы второй группы имеют уже два свободно смещающихся электрона, которые могут образовывать гораздо больше комбинаций положений в атоме, соответственно, и спектр этих элементов сложнее. И так далее: чем больше электронов, тем сильней усложняется спектр, если только новые электроны не образуют устойчивых симметричных конфигураций и не окажутся прочно связаны в слое, скажем, — вдоль его периметра. Впрочем, с приближением к концу периода, когда свободных мест остаётся всё меньше, электроны всё неохотней отрываются от слоя и образуют меньше разных комбинаций, поэтому, к концу периода спектр может даже упрощаться. Наконец, у инертных газов, где все электроны должны быть прочно связаны в слое (Рис. 106), необходимо отделение одного или нескольких электронов от слоя — для генерации спектра на электронном уголке. Это объясняет связь характера спектра с положением элемента в таблице Менделеева, с его химическими свойствами. А именно: число электронов, которые может отдать или принять атом для образования химической связи, задаёт также число электронов, способных переходить из крайнего электронного слоя в плоскость, где происходит генерация спектра (Рис. 107), с образованием там разных конфигураций и усложнением спектра взаимным влиянием.