Согласно широко распространённому заблуждению, планетарная модель Бора объясняет периодическую систему Менделеева. Настоящий пост призван развеять эту иллюзию.
Как отмечается в [1, c.~9]:
....Периодический закон и периодическая система химических элементов все ещё остаются для нас загадкой. До сих пор не ясны до конца причины (точнее, первопричины) периодичности, в частности, причины периодической повторяемости сходных электронных конфигураций атомов, хотя очевидно, что феномен этот связан с непосредственной динамической симметрией атомных систем. До сих пор не очерчены границы применимости Периодического закона - продолжается полемика относительно специфики ядерных и электронных свойств атомов сверхтяжелых элементов.
Общепринятая ныне структура периодической системы, базирующаяся на модели Бора, исходит из того, что расположение элементов в системе при возрастании их атомных номеров однозначно определяется индивидуальными особенностями электронного строения атомов, описанного в рамках одноэлектронного приближения (метод Хартри), и непосредственно отражает энергетическую последовательность атомных орбиталей s-, p-, d-, f-оболочек, заселяющихся электронами при увеличении их суммарного числа по мере возрастания заряда ядра атома в соответствии с принципом минимума энергии. Однако это возможно лишь в самом простом варианте приближения Хартри, но уже в варианте приближения Хартри-Фока полная энергия атома не равна сумме орбитальных энергий, и электронная конфигурация атома определяется минимумом его полной энергии. Авторы [1] отмечают, что:
... традиционная интерпретация структуры периодической системы на основе последовательности заполнения электронных атомных орбиталей в соответствии с их относительными энергиями E весьма и весьма приближенна, имеет, безусловно, ряд недостатков и обладает неширокими границами применимости. Универсальной последовательности орбитальных энергий E не существует, к тому же такая последовательность не определяет полностью порядок заселения атомных орбиталей электронами, поскольку необходим учёт конфигурационных взаимодействий (наложение конфигураций в многоконфигурационном приближении). И, безусловно, периодичность - это не только и не полностью орбитально-энергетические эффекты. [c. 31. 1].
И далее:
... причина повторения сходных электронных конфигураций атомов в их основных состояниях от нас ускользает, и в рамках одноэлектронного приближения вряд ли вообще может быть выявлена. Более того, не исключено, что теорию периодичности вообще ждет судьба, несколько напоминающую судьбу теории планетных ретрогрессий в системе Птолемея после создания системы Коперника. Вполне возможно, что то, что мы называем принципом периодичности, есть результат непространственных симметрий атома - перестановочной и динамической [c. 31-32, 1].
В 1971 г. академик В.А. Фок в своей работе [2] поставил главный для учения о принципе периодичности и теории периодической системы вопрос:
Вмещаются ли свойства атомов и их составных частей в рамки чисто пространственных представлений или же нужно как-то расширить понятия пространства и пространственной симметрии, чтобы вместить присущие атомам и их составным частям степени свободы? [c.108,2].
Как известно, модель Бора в своей первоначальной формулировке использует квантовые числа, относящиеся к электронам в поле со сферической симметрией, что позволило Бору ввести понятие замкнутых электронных оболочек и сблизить это понятие с периодами таблицы Менделеева. Несмотря на этот успех, задача объяснения периодической системы была далека от решения. Более того, при всей глубине и радикальности этих новых идей они ещё укладывались в рамки обычных пространственных представлений. Дальнейший важный шаг был связан с открытием внутренней, не пространственной, степени свободы электрона - спина, представляющего собой не механическое понятие. Открытие спина тесно связано с открытием принципа Паули, который был сформулирован ещё до квантовой механики как требование, чтобы на каждой орбите, характеризуемой определенными квантовыми числами, находилось не более двух электронов. В конце статьи [2] Фок сам отвечает на им же поставленный вопрос:
Чисто пространственных степеней свободы электрона недостаточно для описания свойств электронной оболочки атома и нужно выйти за пределы чисто пространственных понятий, чтобы выразить те законы, которые лежат в основе периодической системы. Новая степень свободы электрона - его спин - позволяет описать чуждые классическим представлениям свойства физических систем. Эта внутренняя степень свободы электрона существенно необходима для формулировки свойств многоэлектронных систем, а тем самым и для теоретического обоснования периодической системы Менделеева [c.~116, 2].
Модель Бора не объясняет периодичность, а только лишь аппроксимирует её в рамках одноэлектронного приближения Хартри. Более того, Бор выводил электронные конфигурации не из квантовой теории, а исходя из известных химических и спектроскопических свойств элементов. По всей видимости, объяснение периодического закона лежит на пути, указанном академиком Фоком, т.е. необходимо выйти за пределы классических (пространственно-временных) представлений при описании периодической системы элементов. Очевидно, что наиболее подходящей на этом пути схемой описания является теоретико-групповой подход.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кораблева Т.П., Корольков Д.В. Теория периодической системы. СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 2005.
2. Фок В.А. Вмещаются ли химические свойства атомов в рамки чисто пространственных представлений? // Периодический закон и строение атома. М.: Атомиздат, 1971. С. 107--117.