ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ ПОВОРОТ, ПРИВОДЯЩИЙ К ПОЯВЛЕНИЮ В ПЕРИОДИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ АТОМОВ И ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРЕТЬЕГО ИЗМЕРЕНИЯ

 

 

George Magarshak, editor in chief Newconcepts Journal

 

 

АБСТРАКТ.

 

Между заполнением электронных оболочек всех атомов (многоэлектронная задача) и спектром атома водорода (одноэлектронная задача) существует структурная симметрия с точностью до

а) поворота на угол /4 на плоскости главного n и орбитального l квантовых чисел, и б) зеркального отражения. При этом все атомы как функция заряда атомного ядра распадаются на четыре пары кластеров, с числом элементов 2,2;8,8;18,18;32.32 в каждом из них.

Зеркально поворотная симметрия между заполнением электронных оболочек химических элементов и спектром атома водорода, исследованию которой посвящена данная статья, не имеет аналогов в какой-либо иной области физики. В ее основании могут лежать только фундаментальные процессы, механизм действия которых пока неизвестен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В работах  [1,2]  было показано, что между заполнением электронных оболочек всех атомов (многоэлектронная задача) и спектром атома водорода (одноэлектронная задача) существует структурная симметрия с точностью до

а) поворота на угол /4 на плоскости главного n и орбитального l квантовых чисел

и

б) зеркального отражения.

 

Генерирование которой изображено на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1.

• Рис.1а – подоболочки в атоме водорода, изображенные в координатах главного n и орбитального l квантовых чисел.
• Рис.1b – поворот рисунка 1a на угол π/4 против часовой стрелки. Вертикальная и горизонтальная координаты которого (n+l, n-l) изображены лиловым цветом.
• Рис 1с – отражение рисунка 1b в оси n, которая была перед этим повернута на угол π/4. fHHfКрасными кружками изображены подоболочки, соответствующие заполнению подоболочек химических элементов в таблице Менделеева с 1 по 118.
• Рис 1d – подоболочки рисунка 1с в координатах (n+l, n-l) распадаются на два кластера (на рисунке 1d изображенные голубым и розовым цветами), получившими наименование M-кластер и F-кластер.  Заполнение подоболочек в которых происходит слева направа и снизу вверх. То есть не начинаясь щелочными и щелочноземельными металлами (как в периодичеком законе), а заканчиваясь.

 

 

Преобразования от рисунка 1a к рисунку 1d соответствуют переходу от традиционного упорядочения электронных орбиталей, соответствующего решению уравнения Шрединера [3] для атома водорода (рисунок 2) к упорядочению по циклам и кластерам (рисунок 3).

 

 

 

 

Рисунок 2: стандартное упорядочение электронных конфигураций в порядке оболочка → подоболочка

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3: упорядочение электронных оболочек по циклам, суперциклам и уровням  

 

В представлении заполнения электронных оболочек на рисунке 1d химические элементы распадаются на два кластера (изображенные голубым и розовым цветами), получившими наименование  M-кластер и F-кластер.

 

Подоболочки, расположенные по вертикалям рисунка 1d, образуют циклы, заполняемые как функция заряда атомного ядра (являющегося также порядковым номером химического элемента), которые заканчиваются подоболочкой с орбитальным квантовым числом s=0.

 

Следует обратить внимание на то, что,  в отличие от периодов периодической системы, циклы щелочными и щелочноземельными металлами не начинаются, а заканчиваются. С точки зрения химии, восходящее к Менделееву [4]  упорядочение элементов по их максимальной валентности (с единицы до семи) абсолютно логично. Однако с точки зрения заполнения оболочек разбиение элементов на циклы отличается тем, что

• Подоболочки периодов, с которых периоды начинаются, в циклах стоят не первыми, а последними
• Направление заполнения циклов происходит не по возрастанию, а по убыванию орбитального квантового числа l, и
• При классификации по уровням (вертикалям рисунка 1d, нумеруемых слева направо) образующие уровни циклы с нечетным и следующим за ним четным номером имеют одинаковую структуру). Циклы имеют число элементов в них 2,2;8,8;18,18;32,32. Суперциклы, состоящие из пары циклов М и F, имеют число элементов в них 4,16,36,64. То есть 2k² где k=1,2,3,4.

 

Указанные особенности разбиения элементов по уровням, циклам и суперциклам становятся очевидными на рисунке 4, построенном в координатах (n+l ,  n-l). Обозначенные желтым цветом диагонали (6 p-электронов и 2 s-электрона в каждой) являются группами первой по восьмую в традиционном представлении Периодического Закона.

 

 

Рисунок 4, построенный в координатах (n+l ,  n-l), демонстрирует разбиение всех химических химических элементов на M и F кластеры. Обозначенные желтыми стрелками диагонали (шесть p-электронов и два s-электрона в каждой) являются группами первой по восьмую в традиционном представлении Периодического Закона.

 

 

Рисунок 5 отличается от рисунка 4 тем, что на нем выделены не циклы и уровни, а суперциклы, обозначенные лиловым, зеленым, синим и коричневым цветом.

• Все открытые в настоящее время химические элементы распределяются по четырем суперциклам с числом элементов в них равным 4, 16, 36 и 64, то есть (2k)² где k=1,2,3,4.
• Группы периодической системы образуются элементами подоболочек, соединенными желтыми стрелками. Которые соединяют каждый s-уровень пирамиды элементов с p-электронами следующего уровня. При этом группы периодического закона третьего (3s,3p), пятого (5s,5p) и седьмого (7s,7p) периодов соединяют циклы одного суперцикла, в то время как группы второго (2s,2p), четвертого  (4s,4p) и шестого (6s,6p) периодов соединяют суперциклы I и II, II и III, III и IV соответственно.

 

 

 

Рисунок 5, на котором показано, каким образом группы Периодического Закона образуются элементами подоболочек, соединенными желтыми стрелками. Которые соединяют каждый s-уровень пирамиды элементов с p-электронами следующего уровня. При этом группы периодического закона третьего (3s,3p),  пятого (5s,5p) и седьмого (7s,7p) периодов соединяют циклы одного суперцикла, в то время как группы периодического закона второго (2s,2p), четвертого  (4s,4p) и шестого (6s,6p) периодов соединяют суперциклы I и II, II и III, III и IV соответственно.

 

 

На рисунке 6 изображено одновременно заполнение электронных оболочек атомов (они же химические элементы в терминологии химиков) как функции заряда ядра (диагонали) и периоды периодического закона (нижние два уровня рисунка по вертикалям). Жирные обозначения подоболочек соответствуют F-циклам, замыкающим суперциклы.

Рисунок 6

 

 

РАЗЛИЧИЕ МЕЖДУ УРОВНЯМИ И КЛАСТЕРАМИ.

 

Все кластеры и уровни состоят из одних и тех же химических элементов. Каждому кластеру соответствует его уровень, и каждому уровню соотстветствует его кластер. Казалось бы, наименование одного и того же множества атомов (химических элементов) двумя разными терминами абсурдно. Но это не так. Структурно кластеры, имеющие одинаковое число химических элементов, попарно объединяются в суперкластеры, объединенные в пары М-F. В то время как в периодической системе в заполнении электронных оболочек различие между M и F кластерами игнорируется.

 

Структурирование химических элементов в периодической системе определяет путь зигзага. Который на рисунках 7 и 8 изображен желтыми стрелками.

 

Прямоугольная часть Периодической Системы, состоящая из групп элементов с первой по восьмую, генерируется зигзагом на первых двух этажах пирамиды, который на рисунке 8 обозначен красными и лиловыми стрелками. Красные стрелки, направленные вертикально вверх, обозначают переход от s к p электронам того же периода внутри уровня, а  лиловые стрелки указывают переходы между периодами и уровнями. При этом подразделение химических элементов на кластеры и суперкластеры (которое определяет порядок заполнения подоболочек как функцию заряда ядра, но не их периодически повторяющиеся свойства) природа полностью игнорирует!

 

Отметим, что порядок заполнения подоболочек пирамид элементов (на рисунках 7 и 8 изображенный желтыми стрелками) начиная с четвертой группы не происходит по вертикалям. В то время как группы периодического закона на рисунке 8 опрееляются красными стрелками, всегда направленными вертикально снизу вверх. Которые в периодическом законе являются структурирующими, так как в них находятся химические элементы, входящие в одну группу.

 

Вертикальное заполнение групп и периодов Периодического Закона в зигзагообразном движении при заполнении оболочек возникает лишь потому, что периодическими свойствами обладают элементы с s и p электронами на внешней оболочке. Остальные части зигзагообразного движения (в которых находятся переходные металлы, актиноиды и лантаноиды) из периодической части Периодического закона выброшены, изображаясь отдельно. А если рассматривать движение по пирамиде элементов только для элементов с s и p электронами на внешней оболочке, то возникает иллюзия заполнения элементов по вертикали пирамиды. Для образования молекул из атомов, и в химии во всех ее формах, имеющая решающее значение.

 

 

Группы периодической системы в физической системе координат как результат заполнения оболочек в химической системе координат

 

Группы периодической системы, в которых максимальная валентность каждого элемента увеличивается слева направо до семи и завершаются инертными газами, имеющими нулевую валентность, структурированы (как выяснилось после создания квантовой теории атома в тридцатых годах прошлого века) в системе координат главного и орбитального квантовых чисел [6]. Из продемонстрированного в этой заметке на рисунках 1-8 возникает вопрос: каким образом группы периодической системы структурированы по вертикалям и горизонталям периодической таблицы в координатах (n, ℓ), в то время, как заполнение электронных оболочек происходит в координатах (n+ ℓ , n- ℓ)?

 

Ответ, который дала Природа, элегантен и неожиданен. Заполнение подоболочек как функция заряда ядра происходит в химической системе отсчета (n+ ℓ,n- ℓ), в порядке, изображенном на рисунке 7. Движение вдоль пути, помеченного жёлтыми стрелками, соответствует расположению элементов с соответствующими порядковыми номерами. Однако при заполнении каждого цикла номер r где r=2,3,4,5,6,7 его электронная s-подоболочка замыкается перед тем, как начинается заполнение цикла номер k+1 вдоль вторичной диагонали фасада дважды ступенчатой пирамиды справа налево и сверху вниз – рисунок 8.

 

 

Рисунок 7: зигзагообразный путь заполнения электронных оболочек химических элементов как функция заряда атомного ядра, показанный желтыми стрелками.

 

 

 

 

Рисунок 8: двойной зигзаг. Желтые стрелки указывают порядок заполнения подоболочек как функция заряда ядра, в то время как красные и лиловые стрелки указывают зигзагообразный путь генерации периодических элементов как функция заряда ядра

 

 

 

Обсуждение.

 

Ни одна из изображенных на рисунках 1-8 симметрий и структур не выводится из квантовомеханического описания атома. Так же, как пирамиды элементов [1,2, ,5,6,7] и дважды ступенчатые пирамиды [8], на которых строятся изображения рисунков 7 и 8. Однако считать их не более чем эмпирическими случайными, получающихся не на основе фундаментальных уравнений, а эмпирически, нелепо.

 

Аналогия с объявлением открытия Хунда [8-10], сделанного в 1925 году (согласно которому электроны сначала заполняют орбитали поодиночке - как правило с спином вверх - и только после того, как все орбитали заняты, начинается заполненине электронами орбиталий со спином вниз) всего лишь эмпирическим правилом сразу после того, как оно было сделано – по той причине, что из уравнения Шредингера его не могли вывести – напрашивается. Так же как с принципом Маделунга [11] (согласно которому подоболочки заполняются в порядке возрастания суммы главного и орбитального квантовых чисел), предложенным этим немецким ученым в 1936 году, также названным эмпирическим правилом.

 

После опубликования в Nature статьи A three-dimensional periodic table [5] я вместе с коллегами: теоретическими физиками, математиками, специалистами по квантовой химии и другими - пытался найди доказательство существования двух симметрий в координатах (n,l) и (n+l,n-l) одновременно на основе уравнения Шредингера. Начиная с 1998 года в течение ряда лет над проблемами, связанными с симметриями в заполнении оболочек химических элементов мы работали с профессором института Куранта Федером Богомоловым. Который привлек к работе ряд выдающихся математиков. Когда же эти усилия не увенчались успехом, Богомолов высказал вначале интуитивное утверждение, что это невозможно. Которое в 2006 году было доказано в виде теоремы [12]. После чего появилась наша статья, в которой невозможность получения указанных симметрий из квантовомеханических уравнений была доказана строго математически, как теорема. Однако, поскольку объяснение феноменов, описанных в данной и ряде других статьей [1,2,5,6,7,12] необходимо, а считать изложенные в них и в данной работе в совокупности и порознь результаты не более чем эмпирическими закономерностями нелепо, остается единственная возможность: помимо квантовой механики, функционирование химических элементов управляется еще одним (или более чем одним) физическим полем. Направление, работа в котором ведется около 20 лет. Результаты которой приводятся в других статьях автора этой заметки, а также иубликациях с соавторами.  

 

  

Зеркально поворотная симметрия между заполнением электронных оболочек химических элементов и спектром атома водорода, исследованию которой посвящена данная статья, не имеет аналогов в какой-либо иной области физики. В ее основании могут лежать только фундаментальные процессы, механизм действия которых пока неизвестен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Magarshak, The third and the fourth dimensions of the chemical elements periodicity, Biophysics, vol. 50 number 4 (2005)
2. Magarshak, "Four-Dimensional Pyramidal Structure of the Periodic Properties of Atoms and Chemical Elements", Scientific Israel – TechnologicalAdvantages vol. 7, No.1,2 , pp. 134-150 (2006)
3. Schrödinger.QuantisierungalsEigenwertproblem (ErsteMitteilung) // Annalen der Physik. — 1926. — Vol. 384 (79). — P. 361—376
4. D. Mendelejeff, On the Relationship of the Properties of the Elements to their Atomic
5. Weights; ZeitscriftfürChemie 12, 405-406 (1869)
6. Magarshak, J. Malinsky A three-dimensional periodic table, Nature, vol.360, 114-115 (1992)
7. Magarshak “The Role of Empirical Relation in the Process of ab initio Modeling in Chemistry”. Eastern European Journal of Enterprise Technologies Vol. 34 # 4/1 69-75 (2008)
8. Yuri Magarshak PERIODIC EXPANSION LAW Media Publishing House 282 pages (2018)
9. Hund, ZeitschriftfürPhysik, 36(1926), 657
10. Hund, ZeitschriftfürPhysik, 36(1926), 45.
11. Hund, Zeitschriftfür Physik,42(1927), 93.
12. Madelung Die mathematischen Hilfsmittel des Physikers, 3rd ed. Springer, Berlin, 3^rded., 359, (1936).
13. Bogomolov, Y.Magarshak, On commuting operators related to asymptotic symmetries in the atomic theory; Scientific Israel-Technological Advantages, vol 8, issues 1-2,  pp. 161-165 (2006)