Природа стихийно стремится к симметрии, электронная оболочка атома в основном (не в возбуждённом) состоянии, так же стихийно стремятся к зарядовой симметрии.
Размеры радиуса электронов на каждом энергетическом уровне или слое соотносятся или квантуются между собой как простые числа 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.
Эти простые числа 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 являются главным квантовым числом - n характеризующим положение электрона в электронной оболочке.
Причём на одном энергетическом уровне n все электроны, в не зависимости от формы s-, p-, d-, f- электронной орбиты, имеют одинаковый собственный радиус r/ См. рис. выше.
r = n (где n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.)
и находятся на одинаковом расстоянии от ядра атома R равному квадрату квантового числа n
R = n^2
Рассмотрим поэтапно, как стихийная зарядовая симметрия реализуется на практике при строительстве электронной оболочки атомов химических элементов.
В одном условном прямом желобке можно легко разместить два вращающихся шарика - сферы непроницаемости электронов. Причём шарики - сферы непроницаемости электронов в желобке могут вращаться как однонаправлено, так и разнонаправлено в противоположном направлении.
Природа реализовала оба этих варианта в атомах водорода - Н и гелия - Не.
На одной оси симметрии - X можно разместить не более двух 1s+/- электронов противоположной магнитной полярности, что реализуется у атомов водорода - Н и гелия - Не.
Причём у гелия шарики - сферы непроницаемости 1s+/- электронов на одной оси симметрии – Х могут вращаться как однонаправленно, ортогелий (гелий-2), так и разнонаправлено парагелий (гелий-1).
Появление третьего и четвёртого 2s+/- электрона противоположной магнитной полярности требует появления второй оси симметрии - Y как у лития - Li и бериллия - Ве.
На второй оси симметрии – Y, у третьего и четвёртого шарика - сферы непроницаемости 2s+/- электрона возникает проблема, они не могут подойти вплотную к центру симметрии системы, им мешают первые два шарика - сферы непроницаемости 1s+/- электронов.
Шарики - сферы непроницаемости 1s электронов, касаясь друг друга в центре симметрии по оси – Х, не дают 2s электронам приблизиться к центру симметрии по оси - Y.
Поэтому шарики - сферы непроницаемости 2s+/- электронов находятся на большем расстоянии, чем шарики - сферы непроницаемости двух 1s+/- электронов.
Электромагнитные силы, действующие на 2s+/- электроны, меньше чем на 1s+/- электроны и 2s+/- электроны вращаются медленнее. Это вызывает рост геометрических размера 2s+/- электронов.
Пятые и шестые 2р электроны требуют появления третьей оси симметрии – Z, как у бора - В и углерода - С.
При шести электронах в электронной оболочке атома возможны два варианта симметричного размещения электронов на сфере и на плоскости.
Вариант размещения электронов на одном расстоянии от центра симметрии по трём осям Х, Y, Z на плоскости, реализуется у углерода - С в инертной форме графита. На плоскости, как на вогнутой полусфере, симметрично на одном расстоянии от центра симметрии можно разместить не более 6 согласованно вращающихся шариков - сфер непроницаемости электронов.
Второй более редко встречающийся вариант размещения электронов на одном расстоянии от центра симметрии по трём осям Х, Y, Z на сфере, реализуется у атома углерода - С в форме алмаза. Но, при таком размещении в пространстве по трём осям Х, Y, Z невозможно согласовать вращение шести шариков так, чтобы они не тормозили друг друга. Отсюда вытекает редкость электронной структуры углерода в инертной форме алмазов в природе.
Второй вариант размещения электронов на одном расстоянии от центра симметрии по трём осям Х, Y, Z на сфере, реализуется у атома углерода в возбуждённом четырёх валентном состоянии.
Причём в обоих случаях при размещении шариков - сфер непроницаемости электронов, как на плоскости, так и на сфере возникает вакантное место в центре для седьмого шарика. Эта центральная сфера первого энергетического уровня, окружённая со всех сторон 2s и 2р электронами, иногда посещается двумя 1s+/- электронами. При этом геометрические размеры шариков - сфер непроницаемости 1s и 2s электронов начинают соотноситься (квантоваться) как 1 к 2 см рис.
То есть стихийная самоорганизация геометрических размеров 1s и 2s электронов вызывает появление эффекта квантования. Поэтому размеры электронов и расстояние их центра масс до центра симметрии системы строго квантуются.
Седьмые и восьмые 2р электроны противоположной магнитной полярности требуют появления четвёртой - О оси симметрии как у азота - N и кислорода - О. При восьми электронах их можно симметрично разместить на одном расстоянии от центра симметрии только на сферической поверхности как у кислорода. Шесть шаров - сфер непроницаемости 2р электронов в плоскости по трём Х, Y, Z осям и два шара - сферы непроницаемости 2s электронов по оси вращения всей системы - О.
В центре этого шара сохраняется вакантное место для седьмого шарика. Эта центральная сфера первого энергетического уровня иногда посещается двумя 1s+/- электронами.
Девятый электрон требует для себя пятой оси симметрии. Размещение пятой стационарной (неподвижной) оси симметрии в пространстве проблематично. Поэтому появление девятого 2р электрона у фтора вызывает образование у электронной оболочки атома второго слоя симметрии.
У атома фтора - F впервые происходит насыщение всех вакантных орбит 2р электронами по трём осям Х, Y, Z. По одной оси симметрии - Х два 1s и два 2р электрона выстраиваются, цугом заполняя первый и второй энергетический уровень атома. Не насыщенной остаётся только одна ось вращения - О. заполненная только одним 2s электроном.
При таком расположении электронов заполняется, ранее вакантный, объём центрального седьмого шарика двумя 1s+/- электронами. Плотность упаковки электронами у атома фтора максимальная. Объём атома фтора минимальный среди атомов химических элементов и уступает только атому водорода – Н.
Появление десятого 2р электрона у неона - Ne вызывает качественный скачёк в самоорганизации электронов в пространстве по осям Х, Y, Z, О. Десятый и девятый 2s электроны у неона покидают центрально осевое положение по оси О и захватывают, ворую ось симметрии - Y на плоскости.
На второй оси симметрии - Y два 2s и два 2р электроны выстраиваются, цугом заполняя второй 2s и третий 2р энергетический уровень атома. Вытесненные со своего второго энергетического уровня 2р электроны у неона - Ne вынуждены удалиться от центра симметрии системы, и образуют третий 2р энергетический уровень атома.
Если атомный радиус химических элементов во втором периоде от лития до фтора постепенно уменьшается. То у неона атомный радиус резко, почти в два раза по сравнению с фтором, возрастает!
Это объясняется тем, что у электронной оболочки неона появляется новый третий энергетический уровень или оболочка. Электронная оболочка атома неона не плотная рыхлая с четырьмя вакантными местами на первом энергетическом уровне см. рис. выше.
Таким образом, электронная оболочка неона состоит из трёх энергетических уровней или оболочек:
1. Нулевая оболочка - энергетический уровень, практически пустой на него периодически падают с второго 2s энергетического уровня два 1s электрона n=1.
2. Первая оболочка - энергетический уровень, состоит из четырёх энергетически вырожденных 1s и 2s электронов образующих не замкнутое электронное кольцо n=2.
3. Вторая оболочка - энергетический уровень, состоит из шести 2р электронов образующих не замкнутое электронное кольцо n=3.
С ростом количества электронов растёт количество слоёв (энергетических уровней). С дальнейшим прибавлением 3s+/- электронов с 11 электрона у натрия по 18 электрон у аргона заполняется третий слой или энергетический уровень атома.
У аргона происходит заполнение 2s+/-, 3s+/- электронами четырёх внутренних вакантных мест первого энергетического уровня.
Шесть энергетически вырожденных 1s+/-, 2s+/-, 3s+/-, электронов образуют первую замкнутую энергетическую оболочку.
У аргона 3р 2р и ns электроны выстраиваться цугом по трём осям симметрии Х, Y, Z образуя на плоскости устойчивую симметричную электронную оболочку.
Внутренняя сфера, изредка посещаемая 1s+/- электронами, образует «нулевой» энергетический уровень.
Причём радиуса 2р электронов и 3р электронов квантуются как 3 к 4.
Таким образом, электронная оболочка аргона состоит из четырёх энергетических уровней или оболочек:
1. Нулевая оболочка - энергетический уровень, практически пустой на него периодически падают два 1s электрона n=1.
2. Первая оболочка - энергетический уровень, состоит из шести энергетически вырожденных 1s, 2s и 3s электронов образующих замкнутое электронное кольцо n=2.
3. Вторая оболочка - энергетический уровень, состоит из шести 2р электронов образующих не замкнутое электронное кольцо n=3.
4. Третья оболочка - энергетический уровень, состоит из шести 3р электронов образующих не замкнутое электронное кольцо n=4.
Все 18 электрона атома аргона вступают в электромагнитную связь между собой, образуя 6 цугов по 3 электрона 3р-2р-ns в каждом цуге.
С ростом количества электронов растёт количество слоёв (энергетических уровней).
Девятнадцатый и двадцатый 4s+/- электроны у калия и кальция вызывают образование четвёртого энергетического слоя. Эти электроны занимают симметричное полярное равноудалённое положение на оси вращения над плоскостью аргонного остова.
Но при дальнейшем строительстве четвёртого слоя электронный 4р-3р-2р-ns цуг становится неустойчивым, и четвёртые 4р электроны цуга постоянно сваливаются в щель между 3р-2р-ns электронными цугами.
Эти электроны, постоянно сваливающиеся в щель между 3р-2р-ns цугами на более низкий третий 3р энергетический уровень, называются 3d электронами. Упасть ниже в щель между 2р электронами не позволяет размер диаметра 3d электрона. У 3d электронов нет своей статической оси симметрии, они вынуждены постоянно вращаются вокруг 3р электронов.
Так природа «выкручивается» из затруднительного положения и создаёт новый вид симметрии «динамической симметрии». Для динамической балансировки третьей электронной оболочки вокруг каждого 3р электрона вращается по два электрона всего двенадцать электронов. Из этих 12 электронов десять 3d электронов и два 4s электрона. Последние два 4s электрона «падают» на 3d орбиты у атома криптона.
Причём радиуса 2р электронов и 3р, 3d электронов квантуются как 3 к 4. А радиуса 3р, 3d электронов и 4р электронов квантуются как 4 к 5.
Только после того, как «фундамент» электронных цугов укреплён динамичными 3d электронами, появляются шесть статичных 4р электронов с 31 галлия по 36 криптона.
Электронная оболочка криптона образует пять энергетических уровней или оболочек:
1. Нулевая оболочка - энергетический уровень, практически пустой на него периодически падают два 1s электрона n=1.
2. Первая оболочка - энергетический уровень, состоит из шести энергетически вырожденных 1s, 2s и 3s электронов образующих замкнутое электронное кольцо n=2.
3. Вторая оболочка - энергетический уровень, состоит из шести 2р электронов образующих не замкнутое электронное кольцо n=3.
4. Третья оболочка - энергетический уровень, состоит из восемнадцати энергетически вырожденных электронов. Из них шесть 3р электронов образуют не замкнутое электронное кольцо. В круг каждого 3р электрона вращается по два энергетически вырожденных электронов, десять 3d и два бывших 4s электрона, суммарно 12 электронов n=4.
5. Четвёртая оболочка - энергетический уровень, состоит из шести 4р электронов образующих не замкнутое электронное кольцо n=5.
Все 36 электрона атома криптона вступают в электромагнитную связь между собой, образуя 6 цугов по 6 электронов в каждом цуге.
Тридцать седьмой и тридцать восьмой 5s+/- электроны у рубидия и стронция вызывают образование пятого энергетического слоя. Эти электроны занимают симметричное полярное равноудалённое положение на оси вращения над плоскостью криптонового остова.
Но при дальнейшем строительстве пятого слоя электронный цуг становится неустойчивым, и электроны пятого слоя цуга постоянно сваливаются в щель между четвёртыми электронами цугов.
Эти электроны, постоянно сваливающиеся в щель между цугами на более низкий четвёртый энергетический уровень, называются 4d электронами. У 4d электронов нет своей статической оси симметрии, они вынуждены постоянно вращаются вокруг 4р электронов.
Для динамической балансировки четвёртой электронной оболочки вокруг каждого 4р электрона вращается по два электрона всего двенадцать электронов. Из этих 12 электронов десять 4d электронов и два 5s электрона. Последние два 5s+/- электрона «падают» на 4d орбиты у атома ксенона.
Только после того, как «фундамент» электронных цугов укреплён динамичными 4d электронами, появляются шесть статичных 5р электронов с 49 индия по 54 ксенона.
ектронная оболочка атома ксенона образует шесть энергетических уровней или оболочек:
1. Нулевая оболочка - энергетический уровень, практически пустой на него периодически падают два 1s электрона n=1
.
2. Первая оболочка - энергетический уровень, состоит из шести энергетически вырожденных 1s, 2s и 3s электронов образующих замкнутое электронное кольцо n=2.
3. Вторая оболочка - энергетический уровень, состоит из шести 2р электронов образующих не замкнутое электронное кольцо n=3.
4. Третья оболочка - энергетический уровень, состоит из восемнадцати энергетически вырожденных электронов. Из них шесть 3р электронов образуют не замкнутое электронное кольцо. В круг каждого 3р электрона вращается по два энергетически вырожденных электронов, десять 3d и два бывших 4s электрона, суммарно 12 электронов n=4.
5. Четвёртая оболочка - энергетический уровень, состоит из восемнадцати энергетически вырожденных электронов. Из них шесть 4р электронов образуют не замкнутое электронное кольцо. В круг каждого 4р электрона вращается по два энергетически вырожденных электронов, десять 4d и два бывших 5s электрона, суммарно 12 электронов n=5.
6. Пятая оболочка - энергетический уровень, состоит из шести 5р электронов образующих не замкнутое электронное кольцо n=6.
Все 54 электрона атома ксенона вступают в электромагнитную связь между собой, образуя 6 цугов по 9 электронов в каждом цуге.
Причём радиуса 3р, 3d электронов и 4р, 4d электронов квантуются как 4 к 5. А радиуса 4р, 4d электронов и 5р электронов квантуются как 5 к 6.
Пятьдесят пятый и пятьдесят шестой 6s электроны у цезия и бария вызывают образование шестого энергетического слоя. Эти электроны занимают симметричное полярное равноудалённое положение на оси вращения над плоскостью ксенонового остова.
Но при дальнейшем строительстве шестого слоя электронный цуг становится неустойчивым, и электроны шестого слоя цуга постоянно сваливаются в щель между пятыми электронами цугов.
Эти электроны, постоянно сваливающиеся в щель между цугами на более низкий пятый энергетический уровень, называются 5d электронами. У 5d электронов нет своей статической оси симметрии, они вынуждены постоянно вращаются вокруг 5р электронов.
Но щель между 5р электронами настолько широка, что эти 5d электроны сваливаются на ещё более низкую 4f орбиту. У 4f электронов нет своей статической оси симметрии, они вынуждены постоянно вращаются вокруг 4р электронов за уже заполненной электронами 4d орбитой и параллельно ей.
Для динамической балансировки четвёртой электронной оболочки вокруг каждого 4р электрона вращается по два 4f электрона всего двенадцать электронов. Последние два 4f+/- электрона у атома радона «поднимаются» на более высокую 5d орбиту, где занимают места, предназначенные для 6s+/- электронов.
Электронная оболочка радона образует семь энергетических уровней или оболочек:
1. Нулевая оболочка - энергетический уровень, практически пустой на него периодически падают два 1s электрона n=1.
2. Первая оболочка - энергетический уровень, состоит из шести энергетически вырожденных 1s, 2s и 3s электронов образующих замкнутое электронное кольцо n=2.
3. Вторая оболочка - энергетический уровень, состоит из шести 2р электронов образующих не замкнутое электронное кольцо n=3.
4. Третья оболочка - энергетический уровень, состоит из восемнадцати энергетически вырожденных электронов. Из них шесть 3р электронов образуют не замкнутое электронное кольцо. В круг каждого 3р электрона вращается по два энергетически вырожденных электронов, десять 3d и два бывших 4s электрона, суммарно 12 электронов n=4.
5. Четвёртая оболочка - энергетический уровень, состоит из тридцати энергетически вырожденных электронов. Из них шесть 4р электронов образуют не замкнутое электронное кольцо. В круг каждого 4р электрона вращается по два энергетически вырожденных электронов, десять 4d и два бывших 5s электрона, суммарно 12 электронов. Дополнительно четвёртая оболочка достраивается орбитами двенадцати 4f электронов, которые вращаются параллельно в одной плоскости за 4d орбитами электронов n=5.
6. Пятая оболочка - энергетический уровень, состоит из восемнадцати энергетически вырожденных электронов. Из них шесть 5р электронов образуют не замкнутое электронное кольцо. В круг каждого 5р электрона вращается по два энергетически вырожденных электронов, десять 5d и два бывших 4f электрона, суммарно 12 электронов n=6.
7. Шестая оболочка - энергетический уровень, состоит из шести 6р электронов образующих не замкнутое электронное кольцо плюс два 6s+/- электрона на полярных орбитах n=7.
Все 86 электронов атома радона вступают в электромагнитную связь между собой, образуя 6 цугов по 14 электронов в каждом цуге. Два полярных 6s+/- электрона постоянно находятся в валентном положении.
Причём радиуса 4р, 4d, 4f электронов и 5р, 5d электронов квантуются как 5 к 6. А радиуса 5р, 5d электронов и 6р, 6s электронов квантуются как 6 к 7.
Восемьдесят седьмой и восемьдесят восьмой 7s электроны у франция и радия вызывают образование седьмого энергетического слоя. Эти электроны занимают симметричное полярное равноудалённое положение на оси вращения над плоскостью радонового остова.
При этом оставшиеся без места 6s электроны вынуждены искать свою ось симметрии в плоскости вращения атома радона выше двух соседних 4f орбит электронов. Вероятнее всего эта ось симметрии также динамическая и орбиты бывших 6s электронов пролегают по 6d или 5f орбите.
Но при дальнейшем строительстве седьмого слоя электронный цуг становится неустойчивым, и электроны седьмого слоя цуга постоянно сваливаются в щель между шестыми электронами цугов.
Эти электроны, постоянно сваливающиеся в щель между цугами на более низкий шестой энергетический уровень, называются 6d электронами. У 6d электронов нет своей статической оси симметрии, они вынуждены постоянно вращаются вокруг 6р электронов.
Но щель между 6р электронами настолько широка, что эти 6d электроны сваливаются на ещё более низкую 5f орбиту. У 5f электронов нет своей статической оси симметрии, они вынуждены постоянно вращаются вокруг 5р электронов за уже заполненной электронами 5d орбитой.
Для динамической балансировки пятой электронной оболочки вокруг каждого 5р электрона вращается по два 5f электрона всего двенадцать электронов. Последние два 5f электрона у атома 118 унуноктиума - оганесона «поднимаются» на более высокую 6d орбиту, где занимают места, предназначенные для 7s электронов.
Причём радиуса 5р, 5d, 5f электронов и 6р, 6d электронов квантуются как 6 к 7. А радиуса 6р, 6d электронов и 7р, 7s электронов квантуются как 7 к 8.
Два последних 8s электрона 119 унунениума и 120 иунунбилия завершают строительство симметричной электронной оболочки химических элементов. Эти электроны занимают симметричное полярное равноудалённое положение на оси вращения над плоскостью 118 унуноктиума - оганесона остова.
При этом оставшиеся без места, бывшие 7s электроны, вынуждены искать свою ось симметрии в плоскости вращения атома 118 унуноктиума - оганесона выше двух соседних 5f орбит электронов.
Одновременно к ним присоединяются бывшие 6s электроны, вытесненные с более низкого энергетического уровня орбитами 5f электронов. Так бывшие 7s и бывшие 6s электроны образуют две новые оси симметрии, лежащие в плоскости вращения атома 118 унуноктиума - оганесона.
Вероятнее всего эти оси симметрии также динамические и орбиты бывших 7s и бывших 6s электронов пролегают по 6f орбите
Причём радиуса 6р, 6d, 6f электронов и 7р, 7d электронов квантуются как 7 к 8. А радиуса 7р электронов и 8s электронов квантуются как 8 к 9.
В инертном не возбуждённом состоянии 8s+/- электроны могут присоединяться к бывшим 7s+/- электронам, занимая третью ось симметрии в плоскости вращения атома 118 унуноктиума - оганесона между двух соседних 5f орбит электронов. При этом образуется абсолютно симметричная электронная оболочка последнего химического элемента унунбилия.
Выводы.
С ростом количества электронов симметрия электронных оболочек атомов химических элементов всё более усложняется:
Сначала возникает линейная симметрия электронов на одной оси Х (водород – Н, гелий - Не).
От линейной симметрии электронов, на одной оси Х, идёт усложнение симметрии. Происходит переход к плоскостной геометрической симметрии электронов по двум осям Х и Y ( литий – Li, бериллий – Ве).
От плоскостной симметрии электронов по двум осям Х и Y, происходит переход к объёмной симметрии по трём координатным осям Х, Y и Z (бор – В, углерод – С).
От объёмной симметрии электронов, по трём координатным осям Х, Y и Z, происходит переход к простой сферической симметрии по четырём осям Х, Y, Z и О (азот – N, кислород – О).
От простой сферически симметричной по четырём осям Х, Y, Z и О к симметрии сферически многослоевой (фтор – N, неон – Ne и далее).
От сферически многослоевой симметрии электронов к динамической многослоевой симметрии (от скандий - Sc и далее).
Причём размеры радиуса электронов на каждом энергетическом уровне или слое соотносятся или квантуются между собой как простые числа 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Эти простые числа 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 являются главным квантовым числом - n характеризующим положение электрона в электронной оболочке.
Причём на одном энергетическом уровне n все электроны, в не зависимости от формы s-, p-, d-, f- электронной орбиты, имеют практически одинаковый собственный квантовый радиус r
r = n (где n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9)
и находятся на практически одинаковом квантовом расстоянии от ядра атома R равному квадрату квантового числа n
R = n2