Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

СИММЕТРИЧНАЯ КВАНТОВАЯ ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ (НЕЙТРАЛЬНЫХ АТОМОВ) – СК-ПСА (или Новая периодизация Периодической системы)

Махов Б.Ф.
Предлагается система нейтральных атомов, основанная на квантовых числах, определяющих равновесное квантовое состояние атома как системы в целом. Расширенный вариант доклада на Конференции РАЕ в г. Sousse (Сусс, Тунис) 12-19.06.05 г. [6].

В современном варианте Периодической системы элементов Менделеева (ПСЭ-М) все элементы расположены (упорядочены) по возрастанию их порядкового номера – Z, что подтверждается законом Г. Мозли, связавшим частоту характеристического рентгеновского излучения (ХРИ) нейтральных атомов элементов с их Z.

Сам Менделеев, основываясь на открытом им Периодическом законе, разделил эту последовательность на периоды (всего 7) (соответственно назвал свою систему периодической), а большие периоды, начиная с 4-го, еще и на гор. ряды (всего 10). Кроме того, элементы горизонтальных рядов разделены на 8 групп (вертикальные ряды таблицы). Таким образом, каждый элемент таблицы находится на пересечении горизонтального ряда и вертикального ряда, принадлежность к ним – это координаты элемента.

Номер периода и номер группы при этом имеют довольно формальный характер, без достаточно четкого критерия. Первый период из двух элементов не вписывается в 8-ми клеточную схему, к тому же он единственный остался непарным. Вообще не поместились в каноническую краткую форму таблицы (КФТ) лантаноиды и актиноиды, помещенные под таблицей. Имеются и некоторые другие слабые места современной ПСЭ, не случайно предпринимаются многочисленные попытки разработать более совершенную форму ПСЭ-М.

Далее представлены результаты работы автора, выполненной в период 1973 – 31.08.91. В основу своего варианта Периодической системы нейтральных атомов (далее ПСА) автор положил свободный (нейтральный) атом (для простоты в виде наиболее стабильного изотопа) и характеризующий его набор из 4-х квантовых чисел, полученных на основе изучения присущего ему уникального линейчатого оптического спектра (ЛОС). Квантовые числа конкретного атома не изменяются со временем и представляют собой параметры, определяющие его равновесное стабильное квантовое состояние. То есть автор использует чёткий и однозначный критерий.

Практически все, что мы знаем о нейтральном атоме, а именно они соединяются в молекулы и так далее, исходит из его уникальных спектров (ЛОС) и лишь небольшая часть данных происходит из химических свойств.

Имеет смысл строить периодическую систему именно нейтральных атомов (ПСА) в лице их наиболее устойчивых изотопов, ибо:

  • целый ряд элементов представлен всего одним изотопом;
  • элементы с нечетным порядковым номером Z имеют не более 2-х изотопов;
  • имеется вполне определенная зависимость для изотопов относительно наиболее устойчивого изотопа (с минимальной внутренней энергией).
  • нет необходимости отражать в самой таблице все конкретные характеристики всех изотопов элемента (их можно привести в справочнике или дать в виде гиперссылки на компьютере).

Начнем с уже хорошо известного и взглянем на школьную таблицу ПСЭ-М. Для каждого элемента таблицы в ней указана его электронная формула (например, для водорода – 1s1, что является формой записи того факта, что главное квантовое число n = 1, орбитальное квантовое число l = 0, и в электронной оболочке на этом квантовом энергетическом подуровне имеется один электрон).

В современной форме ПСЭ-М (краткая форма таблицы- КФТ) ячейка каждого элемента окрашена в один из четырех цветов в соответствии с конкретным значением орбитального квантового числа l и расположены они в виде групп последовательных элементов – это (перечислено в порядке появления):

1) s-элементы (l = 0) – это элементы I и II групп (щелочные и щелочноземельные элементы) (в 1,2,3,4,6,8 и 10 гор. рядах).

2) p-элементы (l = 1) – это элементы III-VIII групп (во 2,3,5 и 7 гор. рядах).

3) d-элементы (l = 2) - это элементы III-VIII групп (в 4,6,8 и 10 гор. рядах) и I и II групп (в 5, 7 и 9 гор. рядах), т.е. разорваны в 2 ряда.

4) f-элементы (l = 3) –– не уместились в таблице, расположены отдельно внизу (лантаноиды и актиноиды).

Всего 20 таких групп в пределах Z ≤ 120, причем в их числе имеется всего 4 типа l-групп.

Ёмкость такой l-группы определяется по формуле Е. Стонера Nl = 2(2l+1). Кратко эти группы охарактеризованы в табл 1.

Таблица 1. l-группы элементов ПСЭ в пределах Z ≤ 120

l-группа

Емкость группы

Nl= 2(2l+1)

Формула Е.Стонера

Кол-во

nl-групп

в пределах

Z ≤ 120

Всего

таких

элементов

Сравнение

с гор. рядом из 8 групп

(Nl - 8)

Примечание

s-элементы (l = 0)

2

8

2 х 8 =16

- 6

Объединены в КФТ в один гориз. ряд из 8 элементов

p-элементы (l = 1)

6

6

6 х 6 =36

- 2

d-элементы (l = 2)

10

4

10 х 4=40

+ 2

Два дополнит. элемента втиснуты в VIII группу

f-элементы (l = 3)

14

2

14 х 2=28

+ 6

Не уместились в КФТ и помещены под таблицей

Итого: 4 типа l-групп

=

20

120

-

-

 
Известно также, что число электронов в атоме равно порядковому номеру Z, что означает, что в каждом последующем элементе на одной из внешних оболочек появляется очередной новый электрон. Квантовое состояние этого электрона и тем самым основное квантовое состояние всего нейтрального атома определяется согласно принципу запрета В. Паули (1925, установлен на основе изучения спектров) конкретным набором из 4-х квантовых чисел (n, l, ms, ml), В настоящее время такие квантовые числа в результате изучения спектров нейтральных атомов (т.е. атомов в изолированном состоянии) определены для всех известных элементов.

Изменение набора конкретных для данного элемента квантовых чисел вызывает изменение и суммарных квантовых чисел, записываемых обычно в виде т.н. спектрального терма 2S+1LJ,также определенного для каждого из известных элементов. См, например, Дж. Эмсли «Элементы», Москва, «Мир», 1993 [8].

Значение названных квантовых чисел до настоящего времени недостаточно осознано. Так, они не приведены для характеристики элементов даже в самых последних изданиях физической и химической энциклопедий. Зато щедро дополнены физическими и химическими свойствами простого вещества, очень важными для практики, но все же производными (вторичными).

Именно эти квантовые числа являются параметрами основного квантового состояния нейтрального атома в целом (не изменяются во времени) и однозначно определяются по результатам анализа спектров атома, которые строго индивидуальны для каждого конкретного атома, т.е. являются его визитной карточкой. Многие элементы и обнаружены по их спектрам. Осознание физического смысла квантовых чисел - путь к созданию теории атома (пока только модели), а теория атома и теория и форма представления ПСА - это как две стороны одной медали. Они параллельно развиваются и взаимно обогащают друг друга.

Согласно правилу Ф.Гунда в первой половине группы спиновое квантовое число ms = + ½ , а во второй - ms = - ½ . Магнитное квантовое число ml изменяется одинаково от - lmax до +lmax .

Порядок следования всех 20 nl-групп по возрастанию квантовых энергетических уровней (КВЭУ) определяется опять же из спектров свободных атомов. Номер такой группы Nnlопределяется по формуле R. Hakala (1948). [7]

Nnl = + - l

Эти nl-группы объединяются в более крупные (n+l)-группы последовательных атомов согласно правилам академика В.М. Клечковского (1900-72), см. табл. 2.

Таблица 2. (n+l)-периоды и их пары (диады) в пределах Z ≤ 120

№ диады

M= lmax+1

Состав диады

(n+l)-группы

(периоды)

Кол-во

nl-групп

в периоде

Состав (n+l)-группы

lmax =

Емкость

(n+l)-периода

Nn+l = 2M2

1

1-я и 2-я

1

s-элементы только

0

2

2

3-я и 4-я

2

p-элементы,

s-элементы

1

8

3

5-я и 6-я

3

d-элементы,

p-элементы, s-элементы

2

18

4

7-я и 8-я

4

f-элементы, d-элементы,

p-элементы, s-элементы

3

32

 

 

Итого: 10 х 2 = 20

 

 

 

 
Из табл. 2 видно, что СК-ПСА наглядно демонстрирует принцип сохранения и развития (в каждой новой М-диаде сначала появляется дополнительный горизонтальный ряд с увеличенным на единицу lmax, т. е. M = lmax + 1 ). Последовательность - fpds”, а не “sfdp”.

Ёмкость (n+l)-периода Nn+l без всякой мистики получается сложением ёмкостей составляющих его l-групп

Nn+l == = 2(lmax+ 1)2 = 2M2 (см. табл. 2).

Начало (порядковый номер исходного элемента - ZM) каждой такой M-диады (пары периодов) можно получить из выполненного автором тождественного преобразования формулы В.М. Клечковского [3] для номера Zl элемента, при котором впервые появляется элемент с данным значением lmax

ZM = Zl –1 ==;

тогда при lmax = 0; 1;2;3; 4… имеем ZM = 0; 4; 20; 56; 120 …, т.е. это так называемые тетраэдрические числа, что опосредованно связано с некими минимальными исходными для диады квантовыми энергетическими уровнями (тетраэдр имеет минимальную площадь поверхности при фиксированном объёме).

Рис. 1. Периодическая зависимость между порядковым номером Z и мультиплетностью (2S+1) основного терма нейтральных атомов [3] с разметкой на (n+1)-периоды и их диады

Особенно наглядным является график зависимости мультиплетности (2S+1) спектрального терма от Z (рис. 1), где предельно четко видны границы nl-групп, (n+l)-периодов и диад (пар периодов).

Используя отмеченные факты, автор и предложил новую форму графического изображения системы – «Cимметричную квантовую ПСА (СК-ПСА)», в которой:

1) период СК-ПСА представляет собой (n+l)-группу и все периоды, как и сами группы – парные. Каждая пара периодов составляет диаду. Всего в пределах Z ≤ 120 имеется 4 диады.

2) каждый горизонтальный ряд представляет собой одну из nl-групп (s-, p-, d-, f-элементов) с n = const. В качестве исходного атома слева к ряду присоединен последний элемент предыдущего горизонтального ряда. Каждый горизонтальный ряд начинается и кончается элементом со спектральным термом 1So (см. рис. 1).

3) Все горизонтальные ряды выстроены симметрично относительно центрального атома горизонтального ряда, завершающего первую половину l-группы.

4) На самом верху в таблицу включен свободный нейтрон, он же исходный элемент первого горизонтального ряда.

Тогда в предложенной автором форме таблицы набор из 4-х квантовых чисел становится координатами каждого конкретного атома:

1) Сумма (n + l) определяет период, к которому относится атом. Ряд авторов уже использовали такой подход, наиболее близко – проф. Черкесов А.И. [ 4]

2) Квантовое число l (с соответствующим ему n) определяет горизонтальный ряд в составе (n + l)-периода – конкретную l-группу, которой принадлежит атом.

3) Спиновое квантовое число ms (со своим знаком) указывает – в какой половине таблицы (левой или правой) расположен атом.

4) Магнитное квантовое число ml (со своим знаком) указывает на конкретный вертикальный ряд, в котором расположен атом. Таким образом, группа (в отличие от группы в ПСЭ-М) – этоатомы с одинаковыми квантовыми числами l и ml, а также координационным индексом Ek В.М. Клечковского.

Номер группы определяется принадлежностью к определенной l-группе и количеством электронов, поступивших на этот квантовый энергетический уровень. Так первая группа щелочных металлов (+водород) получает обозначение s1, вторая группа щелочноземельных металлов - s2, и т.д.

СК-ПСА, отражающая вышеуказанные принципы построения, приведена в табл. 3, форма которой:

1) в минимальной степени отличается от канонический ПСЭ-М;

2) лишена многих недостатков ПСЭ-М;

3) отвечает современным достижениям науки;

4) имеет перспективы для дальнейшего углубления знаний по теории строения атома и теории ПСА, уяснению физического смысла квантовых чисел и математическому выражению закона периодичности. Некоторые из этих вопросов будут изложены в готовящейся к печати книге автора;

5) является основой для лучшего понимания физических и химических свойств как самих атомов, так и образуемых ими простых веществ и химических соединений;

6) является теоретическим фундаментом для весьма перспективного направления – нанотехнологий, имеющих дело с материалами и веществами на атомно-молекулярном уровне;

7) в силу своей простоты и наглядности СК-ПСА наиболее пригодна для преподавания.

Данная форма таблицы разрабатывалась автором в 1973-1991 гг. С изложенными вопросами можно также ознакомиться в книге автора [5].

Таблица 3. Симметричная квантовая периодическая система нейтральных атомов

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Трифонов Д.Н. “Структура и границы периодической системы”, М., Атомиздат, 1976, 271 стр.
  2. Клечковский В.М. «Распределение атомных электронов и правило последовательного заполнения (n+l)-групп», М., Атомиздат, 1968
  3. Клечковский В.М. «Развитие некоторых теоретических проблем Периодической системы Д.И. Менделеева” (доклад на симпозиуме Х Менделеевского съезда). - М., Наука, 1971, стр. 54-67.
  4. Черкесов А.И. Квантовые состояния ядерных протонов -физическая основа ПЗХЭ. Известия ВУЗов, Серия «Химия и химическая технология». 1982, т.XXV,№ 11, с.1302.
  5. Махов Б.Ф. «Симметричная квантовая периодическая система элементов», Москва, КМП «Фирма ЭРА», 1997, 28 с., ISBN 5-86700-027-3.
  6. Махов Б.Ф. Тезисы доклада на конференции РАЕ в г. Sousse, Тунис 12-19.06.05 «СК-СПЭ (нейтральных атомов) или новая периодизация Периодической системы» // Фундаментальные исследования , 2005, № 6, с. 52 –56, ISSN 1812-7339.
  7. R.Hakala Letter to the Editor,-"J. Chem.Educ.", 1948, v.25, p.229.
  8. Дж. Эмсли (John Emsley) «Элементы», Москва, «Мир», 1993, 256 стр с илл.

Библиографическая ссылка

Махов Б.Ф. СИММЕТРИЧНАЯ КВАНТОВАЯ ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ (НЕЙТРАЛЬНЫХ АТОМОВ) – СК-ПСА (или Новая периодизация Периодической системы) // Фундаментальные исследования. – 2007. – № 9. – С. 30-36;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=3432 (дата обращения: 28.11.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074