Глава 12. Теория образования и строения
ядер атомов химических элементов
§ 12-1. Ведение
Джон Дальтон в 1808 году постулировал: «Все химические элементы состоят из атомов. Атомы одного элемента имеют одинаковую массу, и одинаковые химические свойства. Атомы разных элементов имеют разную массу и разные свойства». Эти постулаты лежат в основе Таблицы: «Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева». В Таблице классифицированы атомы элементов, по химическим свойствам. В первой половине XX столетии атомные теории привели к пониманию того, что химические свойства элементов определяются расположением электронов в атомах вещества. Расположение электронных орбиталей и количество электронов в каждой орбитали было систематизировано в «Таблице электронных конфигураций атомов элементов». Более того, в самой Таблице Менделеева, как правило, указывают, сколько и каких электронов находится в каждом атоме данного химического элемента.
В самом названии Таблицы Менделеева определён её смысл – она систематизирует различные вещества (называя каждый их вид элементами) по их химическим свойствам. Эта традиция идёт от тех времён XIX и начала XX века, когда ещё ничего не было известно о строении атомов. После открытия электронов и изучения их свойств, стало возможным создание атомной Теории Бора, а затем атомной Теории энергетических орбиталей Шредингера, на которых (или в которых) находятся электроны атомов.
В настоящее время химики, при создании теории химических связей, рассматривают не абстрактные химические элементы, а строят эту теорию конкретно и предметно на основе электронных конфигураций конкретных атомов и видят в таблице Менделеева не условные химические элементы, а конкретные атомы этих элементов.
Исходя из этого, я вынужден был изменить наименование таблицы Менделеева и внести в неё слово «атомы».
Но дело в том, что до сих пор у химиков и физиков нет ответа на следующий вопрос: от чего зависит энергия каждой электронной орбитали, на которой находятся электроны, а также неизвестно от чего зависит количество электронов и энергия электронов в каждой орбитали? Понять, как расположены нуклоны в ядрах атомов, и тем самым найти ответы на заданные выше вопросы поможет Таблица Липова Б.Е.:
«Последовательная система образования структур ядер атомов химических элементов».
(На шести слайдах).
Слайд № 1
Слайд № 2
Слайд № 3
Слайд № 4
Слайд № 5
Слайд № 6
§ 12-2. Общие принципы образования
и строения ядер атомов
П. 12-2-1. Введение в систему образования структур ядер атомов. «Структура - взаиморасположение и связь составных частей; строение». В таблице Липова Б.Е. на шести слайдах, расположены схемы и изображения ядер атомов. На схемах маленькими чёрными кружочками обозначены протоны, белыми кружочками нейтроны. Нейтроны указаны только те, которые находятся во фрагментах ядра атома: в α-частицах и в кольцевых фрагментах ядер атома содержащих протоны. Автор предполагает, что все другие нейтроны в ядрах атомов заполняют внутриядерное пространство атомов в разных плоскостях, увеличивая устойчивость ядра и приближая его объём и форму к окружности.
Природа создала атомы, их ядра и соответствующие им электронные орбитали. Люди создали образ атома и определили химические свойства элементов вещества. На основании этих свойств вещества они расположили в первом периоде таблицы Менделеева лишь два атом - атом водорода в 1-й группе и атом гелия в последней 18-й группе. Можно надеяться, что читатель знает, что ядром атома водорода является протон, а ядром атома гелия является α-частица. Гелий попал в 18-ю группу, только потому, что он нейтральный по химическим свойствам, и кроме того в обычных условиях - он газ.
Примечание! Поскольку в мировом пространстве, нет ни верха ни низа, то эти понятия приняты условно, только для того чтобы изобразить ядра атомов, в удобном для читателя виде и порядке на листе бумаги.
В таблице ядер в первой вертикальной графе даны названия атомов элементов, во второй графе, обозначенной буквой – «р», указано количество протонов (proton) в ядре атома. Одновременно количество протонов обозначает порядковый номер химического элемента.
В следующих графах Таблицы на 6 (шести) слайдах указаны фрагменты (части, детали) структур ядер атомов, в том числе:
Альфа частицы - 1s, 2s, 3s, 4s, 5s, 6s, 7s, состоящие из двух протонов и двух нейтронов.
Кольца - 2р, 3р, 4р, 5р, 6р, состоящие из шести протонов и шести нейтронов.
Кольца – 3d, 4d, 5d, состоящие из десяти протонов и десяти нейтронов.
Кольца - 4f, 5f, состоящие из четырнадцати протонов и четырнадцати нейтронов.
Каждому электрону атома соответствует один протон в ядре атома. В Главе 14 Вы узнаете, что сначала в природе образуются ядра атомов, а затем образуются электронные оболочки, поэтому правильнее будет говорить о том, что каждому протону ядра атома соответствует один электрон.
П. 12-2-2. Образование α-частиц в ядрах атомов. В таблице Менделеева Вы видите, что в каждом периоде в 1-й группе находится атом элемента, в котором появляется один электрон, обозначенный буквой – s. Если затем вы посмотрите на представленные в Таблице Липова Б.Е. слайды, то обнаружите, что в соответствии с законом природы - начиная со второго периода, в ядре каждого атома 1-й группы элементов образуется новый протон и два нейтрона. Нейтроны ограничивают подвижность заряда протона внутри ядра и обеспечивают устойчивость ядра как единого целого.
Далее в таблице Менделеева Вы увидите, что начиная со второго периода, в каждом периоде 2-й группы находится атом элемента, в котором находятся два электрона - s. Посмотрев слайды Таблицы Липова Б.Е., Вы обнаружите, что в ядрах атомов этих элементов появилась новая α-частица.
То есть существует закон, по которому ПРИРОДА создаёт новые α-частицы в ядрах атомов элементов, расположенных в 1-й и 2-й группе атомов таблицы Менделеева во всех периодах, со второго по седьмой период.
В соответствие с законом природы: - Каждая новая α- частица укладывается на ранее созданную α-частицу так, чтобы протон находился на нейтроне, а нейтрон на протоне.
Таким образом, в ядрах атомов элементов 1-й и 2-й группы период за периодом, в центре ядра строится столбик α-частиц, являющийся основой ядер атомов всех химических элементов.
Химики назвали электроны - s атомов в 1-й и 2-й группах таблицы Менделеева по названиям периодов - 1s, 2s, 3s, 4s, 5s, 6s, 7s. Соответственно, в Таблице Липова Б.Е. «Последовательной системе образования структур ядер атомов химических элементов», представленной на слайдах, я дал такое же название α-частицам, так как именно электромагнитная энергия протонов α-частиц создаёт квантованные энергетические орбитали Шредингера, на которых находятся электроны атомов типа – s. Условно на слайдах альфа-частицы изображены в виде голубых пластинок.
В изображённых на слайдах разрезах ядер атомов, внимательный читатель может увидеть, что альфа-частицы, располагаются друг над другом, начиная снизу от α-частицы - 1s – ядра атома ГЕЛИЯ до α-частицы - 7s, образованной в ядре атома № 88 РАДИЯ. Протоны и нейтроны альфа-частиц выстраивают некую спираль, проходящую через всё ядро атома. Они являются основой, на которой строятся кольцевые фрагменты - p, d, f, структуры атомного ядра. Такое строение ядер атомов проявляет свои свойства при образовании молекул, цепочек молекул и кристаллов. Надо полагать, что для химиков и биохимиков, ознакомление с таблицей "Структуры атомных ядер", поможет понять несимметричные свойства атомов.
П. 12-2-3. Образование в ядрах атомов кольцевых фраг-
ментов протонов и нейтронов типа – «р». На слайде № 1
Вы видите, что если ядро атома ГЕЛИЯ состоит из двух
протонов и двух нейтронов, то есть из одной 1s - α-частицы,
то ядро атома БЕРИЛЛИЯ, находящееся во 2-ой группе
элементов 2-го периода таблицы Менделеева, состоит уже из
двух α-частиц - 1s и 2s. Вторая альфа частица - 2s
расположена на альфа частице - 1s. Рассматривая далее
второй период элементов таблицы Менделеева, читатель
увидит, что у атома № 5 – БОРА, расположенного в 13 группе
элементов, в дополнение к электронам –1s и 2s появился
электрон – 2р. У следующего атома – УГЛЕРОДА таких
электронов уже два, у последнего в ряду элемента НЕОНА,
расположенного в 18 группе, имеется 6 (шесть) электронов –
2р.
Причину появления этих электронов можно увидеть на слайде № 1. Оказывается, что в соответствие с законом природы, в ядре атома БОРА, начинается ПРОЦЕСС образования кольцевого фрагмента – «2р» с одного протона и двух нейтронов. Образование кольцевого фрагмента происходит вокруг и между α-частицами - 1s и 2s, которые имеет ядро атома БОРА. В каждом последующем атоме в кольцевую структуру добавляется один протон и один нейтрон. Внимательный читатель увидит, что процесс образования этой кольцевой структуры заканчивается в ядре атома НЕОНА, 6 (шестью) протонами и 6 (шестью) нейтронами. На слайде № 1 изображено ядро атома Неона в общем виде и разрезе.
Действие электромагнитной энергии протонов, находящихся в кольцевой структуре - 2р, обеспечивает существование 6 (шести) электронов на орбитали – «2р» атома НЕОНА. 2 (два) электрона - 2s и 6 (шесть) электронов - 2p, на внешних орбиталях – n атома НЕОНА, делают этот элемент, находящийся в 18-й группе элементов таблицы Менделеева, химически нейтральным газом.
В таблице Менделеева читатель может увидеть, что в третьем периоде у атома элемента № 13 – АЛЮМИНИЯ (находящегося в 13-й группе) появляется один электрон - 3р, у следующих за ним элементов прибавляется по одному электрону - 3р. У элемента 18-й группы – АРГОНА, находящегося в конце этого ряда электронов типа - 3р уже 6(шесть). Если читатель посмотрит слайд № 1, то он увидит, что в ядре атома АЛЮМИНИЯ имеются уже три α-частицы, поэтому в соответствие с законом природы, начинается процесс образования кольцевого фрагмента - 3р, протонов и нейтронов вокруг и между второй и третьей α-часицей. Этот процесс заканчивается в ядре атома АРГОНА, когда количество протонов и нейтронов становится равным 6 (шести). Следовательно, во внешней орбитали элемента АРГОНА шесть электронов - 3р и два электрона - 3s, это делает АРГОН нейтральным газом.
Таким образом, на слайдах таблицы Липова Б.Е. отражён ЗАКОН ПРИРОДЫ, по которому, начиная со второго периода, во всех ядрах атомов с 13-й группы элементов, до элементов последней 18-й группы таблицы Менделеева, вокруг и между альфа-частицами, происходит процесс образования кольцевых фрагментов – 2р, 3р, 4р, 5р, 6р из протонов и нейтронов. Процесс завершается образованием фрагмента из 6 (шести) протонов и 6 (шести) нейтронов, в ядрах атомов 18-ой группы элементов таблицы Менделеева. Условно полные кольца – «р», изображены на слайдах большими светлыми дисками. Соответствующее протонам общее количество внешних электронов достигает значения - n = (s2 + p6), что делает элементы 18 группы нейтральными газами.
П. 12-2-4 Образование кольцевых фрагментов ядер атомов типа – «d». Надеюсь, читатель понял принципы образования в ядрах атомов кольцевых фрагментов типа «р».
Рассмотрим ещё раз атомы элементов, расположенных во 2-ом и 3-ем периодах таблицы Менделеева, соотносительно таблицы ядер Липова Б.Е. Мы увидим, что в ядрах атомов находящихся в 1-й и 2-й группе этих периодов, происходит образование альфа частиц - 2s и 3s. Затем, начиная с элементов 13-й группы, в ядрах атомов идёт процесс образования кольца протонов и нейтронов - 2р и 3р. Этот процесс заканчивается в ядрах атомов элементов, находящихся в 18-й группе.
Рассмотрим следующий 4-ый период таблицы Менделеева. Вы уже знаете, что в ядрах атомов в 1-ой и 2-ой группы элементов происходит образование альфа частицы – 4s. Но затем Вы видите, что за ним в 3-ей группе расположен атом № 21 – Скандии (Sc) у которого появляется 1 (один) электрон – d. В следующем элементе уже два электрона типа – d. У каждого следующего атома добавляется по одному электрону – d. У атома Цинка (Zn), находящегося в 12-ой группе, уже 10 электронов – d. Откуда же взялись эти электроны?
Вы уже знаете, что каждому электрону соответствует один протон в ядре атома, точнее наоборот каждому протону в ядре атома соответствует один электрон атома. Поэтому обратимся к таблице Липова Б.Е. к слайду № 2, на котором представлены ядра этих атомов. Здесь вы увидите, что вокруг и между кольцами фрагментов - 2р и 3р, образованных ранее в ядрах элементов 2-го и 3-го периода, в новом 4-ом периоде начинается образование фрагмента нового кольца – 3d. Процесс образования колец – «d» вокруг и между кольцами – типа – «p» идёт в 4-ом, 5-ом, 6-ом и 7-ом периодах, начиная с ядер атомов, находящихся в 3-ей группе элементов таблицы Менделеева и заканчивается в ядрах атомов 12 группы элементов.
В законченном виде кольцевые фрагменты - 3d, 4d, 5d, 6d ядер атомов содержат до 10 (десяти) протонов и 10 (десяти) нейтронов.
Перед процессом образования кольца – «d» каждый раз образуется альфа-частица, поэтому, после завершения процесса образования кольца – «d», начинается процесс образования колец - «p» вокруг и между альфа-частицами.
П. 12-2-5. Образование кольцевых фрагментов ядер атомов типа – «f». Чуть выше на слайдах № 2, № 3 и № 4 вы рассмотрели процессы образования фрагментов колец 3d и 4d в ядрах атомов находящихся в 4-ом и 5-ом периодах таблицы Менделеева.
Эти процессы завершились образованием фрагментов - 3d и 4d, у них в полном кольце имеется 10 протонов и 10 нейтронов. Затем в последующих ядрах атомов 4-го и 5-го периода происходил процесс образования кольца типа – «p».
В следующем 6-ом периоде таблицы Менделеева, в ядрах атомов, как рассмотрено выше на слайде № 4, в элементах 1-ой и 2-ой группы идёт образование α-частицы. Затем в элементе 3-ей группы ЛАНТАНЕ на слайде № 4 Вы увидите, что между и вокруг фрагментов колец – 3d и 4d начинается образование фрагмента кольца - 4f. Этот процесс завешается в ядре атома Иттербия, у которого в кольце - 4f, 14 (четырнадцать) протонов и 14 (четырнадцать) нейтронов. Ядро атома Иттербия изображено на слайде № 4 (внешний вид и разрез). Но все атомы этих 14 элементов находятся в одной 3-ей группе элементов таблицы Менделеева, так как у них у всех одни и те же химические свойства. Это произошло потому, что образование фрагментов колец типа – «f» происходит во внутренних оболочках протонов и нейтронов ядер атомов.
Поэтому электроны, соответствующие энергии протонов колец - «f», находятся на внутренних электронных оболочках атомных систем и не определяют (не изменяют) химические свойства атомов. Атомы этих элементов, включая следующий атом в ядре, которого начинается образование кольца – «d» протонов и нейтронов называются Лантанидами и все они находятся в 3-ей группе элементов таблицы Менделеева.
В точности также происходит образование фрагмента кольца - 5f в ядрах элементов 7-го периода таблицы Менделеева. В ядре атома АКТИНИЯ, находящегося в 3-ей группе элементов таблицы Менделеева, вокруг и между фрагментов колец - 4d и 5d начинается образование кольца - 5f протонов и нейтронов, (см. слайд № 6). Процесс заканчивается в ядре атома НОБЕЛИЯ, в кольце – 5f которого четырнадцать протонов и нейтронов. Все атомы этих элементов, включая атом Лоуренсия, в ядре атома которого начинается образование кольца – 6d протонов и нейтронов, находятся по своим химическим свойствам в 3-ей группе элементов таблицы Менделеева.
Примечание: В моих книгах: «Вещество и пространство» ISBN 978-5-85669-102-1 издания 2009 года, и «О физических свойствах пространства. Взаимодействие вещества и пространства» ISBN 978—5-9902379-1-9 издания 2010 года расположены таблицы «Структур атомных ядер» химических элементов на 6 (шести) слайдах. Пояснения к этой таблице я сделал только в 2012 году, и то только в электронной книге: «Строение атома» на сайте www.b-lipov.narod.ru и затем на сайте www.b-lipov.irkutsk.ru.
Заключение
Надеюсь, что читатель понял, что от расположения протонов в ядре атома, зависит энергия электронных орбиталей Шредингера, и количество электронов на этих орбиталях. То есть, что в конечном итоге от расположения протонов в ядре атома зависят химические свойства атомов элементов и их расположение в Таблице Менделеева. Ещё раз хочу напомнить читателю, что квантованные орбитали, на которых находятся электроны - это не только результат решения уравнений Шредингера, но и реальное физическое - энергетическое состояние SP-оболочки сверхплотного материального пространства вокруг ядра каждого атома, любого элемента. Эта оболочка физически определяет объём, поверхность и размеры атомов материи вещества.
© Липов Б.Е. 2000 года.
