Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Экзамен на «Homo Sapiens – II». От концепций естествознания ХХ века – к естествопониманию

Поляков В. И.,

4.5.5. Роль магнетизма в структуре и свойствах атомов

Математические модели представления p-орбиталей «облаками вероятности», ориентированными по осям x, y, z , а d- и f-орбиталей с ещё более сложными конфигурациями характеризуются увеличением орбитального момента, что должно соответствовать увеличению размера орбиты. Теория предсказывает, что внешние подоболочки одной электронной оболочки могут перекрывать внутренние подоболочки другой (пример: «переходные» элементы, в которых «оболочка 3d перекрывает 4s»).

В действительности, слои p, d, f в атомах в соответствии с электрическими силами взаимодействия с ядром должны иметь меньший радиус при расположении «выше» и «ниже» соответствующей периоду элементов s-оболочки.

Оболочки ядер не расширяются, а становятся более компактными. Размеры атома уменьшаются по мере заполнения оболочек.

Действие этого правила хорошо прослеживается при анализе таблицы Д.И. Менделеева. В табл. 4.8 представлен фрагмент таблицы с известными размерами атомов (по Полингу) [91].

Таблица 4.8. Изменение радиуса атомов при заполнении электронных оболочек, 10^{-10 м}

Примечания: Для компактности таблицы слои O и P, частично сжаты; отсутствует слой Q.

* - нет данных.

Взгляд на таблицу выявляет не соответствие размеров атомов теоретическому описанию заполнения орбит c возрастанием их размеров:

•Ø размер атомов VIII- ой группы с заполненными оболочками меньше, чем у атомов I-ой группы с одним электроном на s-орбите;

•Ø заполнение p, d, f- орбит сопровождается уменьшением размеров атомов;

•Ø тенденция уменьшения размеров атомов прослеживается в группах и в периодах (слоях); даже у атомов более далёких периодов их размеры меньше, чем у предшествующих; например размер атома Pt⁷⁸ на 15 % меньше, чем Li³;

•Ø появление вторых s-электронов у элементов второй группы должно увеличивать размер атома, а он значительно уменьшается.

Тенденция уменьшения размеров атомов в группах и в периодах элементов, как экспериментальный факт, категорически противоречит квантово-механическим моделям физической химии о виде и расположении орбиталей в атомах с последовательным их расширением.

Почему современные физики не замечают не адекватности отражения структурных и химических свойств атомов теоретическими орбиталями? Потому, что теории возникли как постулаты-предписания Природе до получения приведённых экспериментальных данных, а, в дальнейшем, слепая вера в силу математики и великие авторитеты, консерватизм мышления и «учёных советов» способствовали бесконечному тиражированию теории в учебниках. Иные мнения не рассматриваются, как «противоречащие современным научным данным», сформулированным более полувека назад.

Тенденция уменьшения размеров атомов при возрастании размеров ядра не объясняется теорией и кажется не естественной. Анализ табл. 4.8 позволяет определить причины, заставляющие уменьшаться орбиты, силы, обеспечивающие абсолютную надёжность структуры атомов, а также понять зависимость химических свойств от структуры атомов.

Каждый период элементов начинается с атома, размер которого больше, чем размер последнего атома предшествующего периода. При формировании нового слоя (M после L, N после M) появление s-электрона приводит к значительному увеличению размера атома, что соответствует следующему уровню энергии квантования орбит. Появление «крайнего», слабо связанного с ядром электрона определяет высокую химическую активность элементов первой группы. По мере увеличения размеров ядра у элементов от Li до Cs и Fr электрические силы, удерживающие электроны убывают, и химическая активность элементов возрастает.

Появление второго электрона в слое (вторая группа элементов) приводит к резкому уменьшению размера атома; объяснение этому - появление двух-электронного жгута - стоячей волны из двух электронов. Притяжение жгута ядром увеличивается, и орбита сжимается. Орбита остаётся внешней, определяющей химические свойства, однако внутренняя связь в «электронном жгуте» и усиление связи с ядром приводит к снижению химической активности элемента и его двухвалентности - способности отдавать сразу пару электронов.

В дальнейшем, при появлении третьего и последующих электронов в периоде элементов размеры атомов уменьшаются, и размеры атомов периода Р оказываются даже меньше, чем предшествующего периода О. Химические свойства элементов третьего и последующих периодов с различной валентностью можно объяснить участием в образовании химических связей, кроме внешних s- электронов также электронов внутренних орбит.

Анализируя табл. 4.7 и 4.8, рассмотрим конкретные примеры, показывающие закономерность определённой последовательности заполнения электронных оболочек в атомах и влияние на это образования магнитных полей вследствие формирования двух-электронных жгутов в соответствующих слоях.

В периоде V у элементов Rb³⁷ и Sr³⁸ заполняется s орбита 5-го слоя, где образование двух-электронного жгута приводит к уменьшению размера атома. В последующих 10 элементах происходит заполнение d-слоя. Создаётся слой-«соленоид», формирующий магнитное поле, сжатие которого и обеспечивает постепенное уменьшение размеров атомов. Но после последовательного уменьшения размеров атомов у восьми элементов, вплоть до Pd⁴⁶, у Ag⁴⁷ и Cd⁴⁸ размер атомов незначительно возрос. Это свидетельство того, что заполнение d-слоя происходит в соответствии с электрическими силами ядра «сверху» и «снизу», где двухэлектронные жгуты приближены к ядру, а у последних двух элементов слоя оказываются в их экваториальной плоскости. Окончание заполнения d-слоя характеризует завершение формирование магнитного «соленоида» У следующих 6 элементов V периода, начиная от In⁴⁹ , происходит заполнение р-слоя, которое уже слабо влияет на магнитное поле и потому размер атома изменяется слабо.

Совершенно аналогично происходит формирование ещё более «длинного соленоида» при формировании f-, и d- слоёв в VI периоде. У элементов Cs⁵⁵ и Ba⁵⁶ заполняется s орбита 6-го слоя, где образование двух-электронного жгута приводит к уменьшению размера атома. Следующий электрон элемента La⁵⁷ оказывается в d-слое, но после него начинается заполнение f-слоя из 14 электронов. Размеры атомов у лантаноидов изменяются незначительно. Но после завершения этого слоя, уже при заполнении d-слоя размеры атомов от Hf⁷² до Pt⁷⁸ становятся меньше, чем у атома La⁵⁷. Слой d «сжался», что свидетельствует о формировании 4-х двух-электронных жгутов «выше» и «ниже» экваториальной плоскости. У Au⁷⁹ и Hg⁸⁰ размер атома несколько увеличился,- свидетельство появления экваториального двух-электронного жгута, завершающего d-слой. Важно отметить, что при формировании d-слоя атомы в результате образовавшегося ранее сильного магнитного поля завершённым f-слоем обладают малым размером, что отражается на их свойствах, в частности, их высокой плотности (от вольфрама до золота плотность более 19000 кг/м³). Начиная от Tl⁸¹, добавки последовательно шести электронов заполняют р-слой. Этот слой не увеличивает магнитное поле атома, вследствие большего расстояния от ядра по сравнению с f- и d - слоями, и размер атома увеличивается.

Совершенно аналогично можно проследить изменение размеров атомов и химических свойств у элементов VII периода, что в совокупности с рассмотренными закономерностями заполнения орбит может свидетельствовать в пользу справедливости представленной модели заполнения оболочек в атомах и их физической структуры.

Уменьшение размеров атомов при значительном увеличении размеров ядра - общая тенденция. От водорода до трансурановых элементов вокруг ядра сформировалось 18 слоёв, в которых от одного до семи двух-электронных жгутов, но размеры атомов выросли совершенно незначительно (табл. 4.7 и 4.8). Например, размер атома ₂₃₈U⁹² (238 нуклонов в ядре) - 0,12 нм сопоставим с атомом ₉Ве⁴ (9 нуклонов в ядре) - 0,113 нм, и меньше, чем ₅₅Mn²⁵ - 0,13 нм и ₅₆Fe²⁶ - 0,126 нм. Оболочки ядер не расширяются, а становятся более компактными. Размеры атома уменьшаются по мере заполнения оболочек.

Общая закономерность при формировании атомов состоит в компактизации их размеров, усилении связей ядра и электронных оболочек. Двухэлектронные жгуты «подтягиваются» ближе к ядру, занимая более выгодные энергетически орбиты, и усиливая единое магнитное поле атомов.

Исключение из общей тенденции - увеличение размеров атомов последней 0-группы. Полное заполнение всех возможных оболочек у инертных газов соответствует полная компенсация электрических полей и симметричная сферическая форма атома, что и обеспечивает их химическую инертность.

Уменьшение размеров атомов при увеличении размеров ядра и росте числа электронных слоёв обусловлено законами Природы, в соответствии с которыми каждый атом - это система с множеством связей, которые определяются взаимодействием «ДУХ+материя». Структуру атомов определяют силы электрического взаимодействия, обусловленные распространением волнового движения в среде ДУХ - электрического взаимодействия и формирования при этом магнитных потоков - направленного движения среды ДУХ.

Образование двух-электронных жгутов - важнейшая характеристика структуры атомов. Все атомные оболочки s, p, d, f застраиваются попарно: 2, 6, 10, 14 электронов. Эта особенность логично объясняется энергетически выгодным образованием двух-электронных жгутов, что обусловлено отсутствием энергетических затрат на существование «стоячих волн».

Образование «двух-электронных жгутов» со стоячей волной, сопровождающееся уменьшением радиуса орбиты, может вызывать сомнения вследствие возможного нарушения законов квантования орбит. Как выше показано на боровской орбите 2π·а₀ должно размещаться λ_к/α длин волн. При образовании «стоячей» волны из прямой и отражённой волн, в соответствии с физическими соотношениями, амплитуда волн удваивается, а расстояние между узлами равно половине длины волны. Возможные длины стоячих волн в стержнях связаны с их длиной условием L = n λ /2, где n - любое целое число. В нашем случае связь длины волны с длиной орбиты следует записать: L = n λ_к/ 2α. Это означает уменьшение длины двух-электронного жгута в 2 раза по сравнению с одноэлектронным. Так можно объяснить физическую причину уменьшения радиуса орбит при переходе от элементов первой группы s¹ ко второй группе s².

Формирование двух-электронных жгутов в атомах элементов приводит к уменьшению размера и приближению орбиты к ядру, что является энергетически выгодным, усиливающим связи в структуре атома.

Последовательное уменьшение размеров атомов по мере добавки электронов, характерное для всех слоёв, свидетельствует о том, что орбиты р, d и f действительно расположены внутри s орбит. Почему орбиты p, d, f застраиваются «внутри» орбиты s в каждом периоде? Почему «сжимается» размер атома по мере увеличения числа электронов? Почему от атома лития с тремя электронами на оболочках и до атома урана с 92 электронами размер атома уменьшился? Единственное объяснение этих эффектов - магнетизм.

Появление двухэлектронного жгута у элементов второй группы приводит к резкому уменьшению размеров атомов по сравнению с предшествующим элементом первой группы. Приближение к ядру двух-электронного жгута обусловлено усилением притяжения его ядром, а также формированием магнитного потока - движения среды ДУХ в через кольцо-жгут.

Двух-электронные жгуты, формируемые в атомных слоях, оказываются параллельными, что обусловлено электрическим полем ядра. Атом оказывается аналогом соленоида с однонаправленными токами. В двух-электронных жгутах нет «электрического тока», а стоячая волна колебаний в непрерывном взаимодействии со средой ДУХ создаёт в ней вращательное движение вихрей, которое захватывает в движение соседние области среды. Хотя реально эти жгуты являются стоячими волнами, направление кольцевого вращения тора должно соответствовать заряду электрона, то есть «по часовой стрелке». Объяснением эффекта движения стоячей волны может быть значение константы 1/α = 137,036. Такое число комптоновских длин волн на длине орбиты, совершенно незначительно отличающееся от целого числа (на 0,00026), должно обеспечивать также незначительный сдвиг стоячей волны. Константа тонкой структуры 1/α обеспечивает формирование заряда электронного жгута и сохранят состояние стоячей волны. Природа «знает», как выбирать константы!!!

Каждый новый двух-электронный жгут в атоме является аналогом витка тока в соленоиде, увеличивающим напряжённость магнитного поля. Понятию напряжённость магнитного поля в среде ДУХ соответствует реальный поток вихревого движения среды в направлении перпендикулярном виткам кругового тока. Если расположить одноосно и параллельно несколько таких жгутов, вдоль оси такого аналога соленоида создаётся направленный поток среды.

Двух-электронные жгуты в атомах являются основной структурной единицей всех слоёв электронов, вследствие их энергетической выгодности. Усиление связи в атомах происходит за счёт сил электрического притяжения, а также, что особенно важно для тяжёлых атомов, за счёт формирования магнитного поля в бочкообразных слоях из таких жгутов, аналогов электрических соленоидов.

Образование магнитного поля в атомах вследствие параллельного расположения двух-электронных жгутов и его усиление по мере увеличения их числа объясняет структуру атомов и их свойства.

В соответствии с законами электромагнетизма становятся понятными все перечисленные выше эффекты, в частности:

• Ø сохранение атомов и удержание всех электронов обеспечивается магнитным «соленоидом», образованным всеми однонаправленными в пространстве электронными жгутами с однонаправленным «током»;
• Ø уменьшение размеров атомов второй и последующих групп элементов по сравнению с первой, обусловлено образованием магнитного потока, который сжимает орбиты, удерживает их, притягивает внешние электроны;
• Ø уменьшение размеров атомов по мере заполнения внутренних орбит p, d, f, обусловлено усилением магнетизма;
• Ø незначительное увеличение размеров атомов при значительном увеличении размеров и заряда ядра обусловлено усилением сжатия электронных слоёв по мере усиления создаваемого ими магнитного поля;
• Ø системная связь в атомах всех размеров и возможность их существования практически без ограничения времени обусловлена «вечностью» магнитных сил, отсутствием затухания вихревого движения в среде ДУХ;
• Ø безмассовый поток среды ДУХ, который мы называем магнитным полем, способствует сближению атомов и последующему электрическому взаимодействию с образованием химических связей;
• Ø атомы лёгких элементов: водорода, углерода, азота и кислорода оказались особенно востребованы при формировании живых организмов, как этапа развития косной материи; это можно объяснить высокой их «притягательной силой»; это самые компактные атомы и их малый объём - свидетельство энергетически выгодной компоновки;
• Ø возникновение и сохранение ферромагнетизма у Fe²⁶, Co²⁷, Ni²⁸, а также Gd⁶⁴, Tb⁶⁵, Dy⁶⁶, Ho⁶⁷, Er⁶⁸ обусловлено построением «длинного соленоида» из 3 - 4 двух-электронных жгутов в слое d и, аналогично, из 4 - 6 таких жгутов в слое f, что сочетается с усилением магнетизма атома и наименьшими размерами атомов в своих рядах.

Приведённые аргументы и факты служит доказательством формирования орбит атомов под действием магнитных полей - формирующего движения среды ДУХ. Представленное понимание структуры атомов и, главное, объяснение основных принципов и законов, обеспечивающих их вечное существование при сохранении свойств, позволит внести коррективы в понимание химических реакций взаимодействия элементов. Кроме того, именно анализ электронных структур атомов позволяет по-новому взглянуть на формирование ядер элементов и, в частности, решить вопрос о принципиально возможном существовании сверхтяжёлых атомов.

Учёные за последние полвека значительно продвинулись в создании тяжёлых атомов, не существующих в природе. Затрачены огромные средства на создание мощных ускорителей, облучение мишеней в реакторах, разработку сверхсложных методик для идентификации микроколичеств элементов и изучение их свойств. Зачем?! «Природа умеет лучше!» - один из афоризмов - законов макроэкологии. Эти тяжёлые элементы не нужны Природе. Не случайно, что один из первых элементов, полученных искусственно для создания атомных бомб - плутоний, оказался не только обладающим страшной разрушительной силой, но и чрезвычайно токсичным для всего живого. Человек, оказался существом со слабо выраженным чувством морали и ответственности (заметим, что создание и накопление тысяч тонн плутония на Земле, может оказаться «цветочками» по сравнению с «ягодками» - плодами деятельности современных учёных генетиков). Одержимые идеей переделки Природы под свои хотения учёные физики сфабриковали ещё более десятка элементов после плутония. Им нет места в Природе из-за нестабильности сверхтяжёлых ядер, перегруженных нейтронами, и подверженных спонтанному делению или альфа-распаду. Не случайно, а закономерно, что их периоды полураспада исчисляются секундами (¹⁰³Lw < 180 c, ¹⁰⁴Rf < 65c, ¹⁰⁵Db - < 5c, ¹⁰⁶Sb - < 0,8 c, ¹⁰⁷Bh - < 0,02 c; ¹⁰⁸Hs, ¹⁰⁹Mt, ¹¹⁰Ds - ???).

Причина невозможности существования сверх-тяжёлых атомов, - экранировка наружных электронных слоёв внутренними, и, соответственно, невозможности удержания дальних от ядра оболочек.

Актиноиды от тория ⁹⁰Th до лоуренция ¹⁰³Lw являются аналогами лантаноидов, у которых происходит заполнение f-слоя (табл.4.7). У резерфордия Rf¹⁰⁴ элемента четвёртой группы появился двух-электронный жгут в d-слое. Для полного завершения периода необходимо добавить ещё 8 электронов в d- слое и 6 электронов в p-слое, что должно соответствовать элементу ¹¹⁸ХХ. Даже если физикам удалось бы сложить в ядерной реакции, например, ³⁰Zn и ⁸⁸Ra, и даже получить устойчивое ядро, оно не сможет удержать электрическими силами самую дальнюю электронную оболочку, экранированную 18 слоями электронов. У ядра не хватает электрических сил для удержания электронов на таком большом расстоянии, а магнитные силы при формировании d- и р- слоёв после завершения формирования f-слоя выражены слабо. Без электронной оболочки не может существовать и атом, поэтому элементы после лоуренция, резерфордия, дубния - не «жильцы», «мёртворождённые» дети науки.

Тем не менее, учёные, предполагая по своим несовершенным теориям существование в таблице Менделеева некого «острова стабильности», продолжают тратить громадные средства. Таковы «плоды» науки без знания.