Энергетические характеристики элементов периодической системы Д. И. Менделеева

Для понимания фрактальной картины микромира и для описания характеристик элементов периодической системы приведем достигнутые результаты исследова­ний, изложенные в пп. 2.6, 2.7, 4.2. При этом обратим внимание, что материя во Вселенной состоит из водо­рода, составляющего 90% вещества; следующий по раз­мерам атома — гелий составляет 9%, а на долю всех элементов остается 1%. Отсюда понятно, почему так опти­мально устроены наша Земля, Луна, планеты, которые рассмотрены в главе 3.

В [2] и в пп. 2.6, 4.2 на основании фрактальной модели атома определена энергия электронной оболочки К, где она выражена следующим соотношением (4.9):

W_K = D_KW_атом,

 

 

где D_K фрактальная размерность электронной обо­лочки К; W_аTOM — потенциальная энергия атома в электронвольтах (эВ), которая представлена (4.8) как:

W_атом

= 13,6^.Z²,

a Z — порядковый номер элемента в периодической таблице. Фрактальная размерность представлена выра­жением (4.10):

D_K = (Z - S)^1/2/(2 • lnZ).

Число (Z — S)^1/2 называют показателем интенсивности внешних электронов, причем Z — S определяет число внешних электронов. Для второго периода элементов оно соответствует номеру группы периодической табли­цы. Фрактальная размерность зависит не только от числа переносимых электронов, но и от количества заполнен­ных электронных оболочек атома, поэтому S изменяется от 2, начиная с третьего элемента (Li), до S = 9, начиная со 102-го элемента (No). Поэтому для элементов:

с 3Li no 28Ni

с 29Cu no 45Rh

с 46Pd по 53I

с 54Хе по 65Тb

с 66Dy по 77Ir

с 78Pt no 85At

с 86Rn no l0lMd

со 102No

S = 2,

S = 3,

S = 4,

S = 5,

S = 6,

S = 7,

S = 8,

S = 9.

При этом фрактальная размерность К-оболочки атома гелия:

D_{K Не} = (Z - S)^1/2/(2 • ln(Z + S)) = (2 - 1)1/2/(2 • ln(2 + 1)) = l/(2 • ln3).

Фрактальная размерность электронных оболочек L, M, N представлена в [3] и в п. 2.6 данной работы.

Фрактальная размерность электронной оболочки L (с 3-го периода по 7-й включительно для элементов с 11Na по 104Db) определяется как:

где n — номер периода элементов в периодической таблице, а n* показывает, что n определяется как среднее геометрическое значение между номером предыдущего периода n -1 и периода расположения n для элементов, расположенных в верхних рядах больших периодов 4, 5, б — большие периоды. Энергия этой оболочки для ука­занных элементов определяется по указанной выше формуле (4.9), т. е. умножив размерность (4.27) на энер­гию атома (4.8), выражаемую формулой W_aTOM = 13,6 • Z².

Для оболочки М определены следующие выражения фрактальных размерностей:

 

Четвертая оболочка N элементов периодической таб­лицы описывается следующими выражениями фракталь­ных размерностей:

с 37Rb по 46Pd D_N = (Z-36)^1/8 ((Z-36)/2)^1/8 /(401nZ •
1n 5), (4.32)

с 47Ag по 68Ег D_N = (Z-46)^1/3 • lnn/(43 • (5)^1/8 ln(Z/5) •
1n 5), _____________________ (4.33)

с 69Tm no 78Pt D_N = (Z – 60)^1/2 /(201nZ • 1n 5), (4.34)

 

 

с 79Аu по 104Db D_N = (Z-78)^1/8 /(41nZ • 1n 5). (4.35)

Следует заметить, что значениям энергетических уровней должен быть присвоен отрицательный знак. От­рицательный знак появляется из-за определения нуле­вой энергии. Потенциальная энергия может быть опре­делена только относительно произвольного нуля, и для атомов принято, что она равна нулю, когда электрон находится на бесконечном удалении от ядра. Отрица­тельно заряженный электрон притягивается положи­тельно заряженным ядром, так что необходимо затра­тить энергию, чтобы переместить электрон из положе­ния равновесия в бесконечность. Таким образом, элек­трон, находящийся на соответствующем уровне, имеет отрицательную энергию.

Мы уже знаем, что по абсолютной величине энергия оболочек равна работе, которую нужно затратить для перемещения электрона с электронной оболочки. По­этому для атома водорода и гелия эта работа по удале­нию электрона с К — оболочки совпадает с первым ио­низационным потенциалом. Начиная с лития, чтобы от­делить электрон от внутренней К-оболочки, необходимо сначала затратить работу по переносу внешних электро -нов на высшие энергетические уровни. Вследствие этого, энергия К-оболочки будет меньше ионизационного по­тенциала номера Z-1 для данного элемента. Это особен­но важно для понимания потенциальной энергии атома, которая совпадает с ионизационным потенциалом по­рядка Z для данного элемента.

Исходя из физической сущности измерения энергии ионизации элементов, затраченная работа по удалению электрона возрастает с увеличением кратности иониза­ции, т. е. числа электронов, вырванных из атома. Из атома освобождается не один, а несколько электронов в зависимости от величины ускоряющего электрического поля. Это обусловлено тем, что с увеличением энергии

ионизации сначала отрывается наиболее слабо связан­ный первый электрон, затем второй, третий и т. д. и об­разуется многозарядный положительный ион. Поэтому номер ионизационного потенциала указывает кратность ионизации. Вот почему ионизационный потенциал по­рядка Z равен работе, которую нужно затратить для от­деления всех электронов от атома.

Потенциальная энергия атома для всех элементов пе­риодической таблицы определена в виде соотношения (4.8) как W_aTOM = 13,6 • Z² и является фундаментом для определения энергий электронных оболочек. Помним, что по определению эта энергия равна работе, которую нужно затратить для отделения всех электронов от ато­ма. Правомерность данных положений доказана реко­мендованными экспериментальными данными, основан­ными на спектроскопических и других наблюдениях. Эти результаты представлены ниже для всех элементов пе­риодической системы. Однако для тяжелых элементов, начиная с 85At и кончая 104Db, потенциальная энергия атомов уточнена как:

(4.36)

где А — число нуклонов элемента. Это уточнение обусловлено взаимодействием поля ядра с электронным окружением для тяжелых элементов в более широких пределах, взаимодействие вызывается дополнительным влиянием локальных зарядов (кварков) нейтронов. Од­нако это уточнение незначительно, порядка 1%. Влияние ядра приводит к тому, что начиная примерно с 88-го элемента (Ra), энергия К-оболочки W_K начинает пре­восходить потенциальную энергию атома W_aTOM. Это обусловливает возбужденное состояние атома и приво­дит к самопроизвольному распаду элемента. Считается, ядра атомов с атомным номером выше 83-го элемента (Bi) (примыкающие к 88-му элементу) являются неус­тойчивыми и начинают распадаться. Нынешняя физика

 

 

связывала распад элементов с дефектом массы ядра [49, 65].

В данном параграфе представлены также потенциаль­ные энергии ядер в мегаэлектронвольтах (МэВ) для всех элементов периодической системы (см. также п. 2.7, 4.2). Энергии ядер, имеющих Z протонов и N нейтронов, оп­ределены в виде соотношения (4.12) как:

W_ядро = D(4 Z + N/2),

где D — глобальная фрактальная размерность ядра. Для ядра гелия ₂Не⁴ D = 1. Начиная со второго периода элементов, глобальная фрактальная размерность ядер определяется соотношением (4.13) как:

D = lnN/(2 • lnn),

где n — номер периода элементов в периодической таблице. Для элементов, расположенных во 2-м периоде, величина n определяется как среднее геометрическое значение между периодом их расположения n = 2 и последующим периодом n + 1 = 3; а для элементов, расположенных в верхних рядах больших периодов (4, 5 и 6-й — большие периоды), величина n определяется как среднее геометрическое значение между предыдущим периодом n-1 и периодом их расположения n.

Такой подход к определению n для второго периода вызван тем, что нейтронная оболочка для ядер элемен­тов второго периода не заполнена, вследствие чего про­тоны меняют свое энергетическое положение. Если бы в атоме не было нейтронной оболочки, он бы развалился. Это связано с тем, что все протоны имеют одинаковый глобальный положительный заряд, поэтому они взаимно отталкиваются. Следовательно, одно из назначений нейтронной оболочки — удержать протоны на месте. Поэтому становится понятным правило определения величины n энергетического уровня нейтронной обо-

лочки для элементов, расположенных в верхних рядах больших периодов. Для понимания номера периода от­метим, что целое число n характеризует энергию частиц, заполняющих данный энергетический уровень.

В выражении для ядерной энергии (4.12) слагаемые в скобках называются соответственно интенсивностью протонов и интенсивностью нейтронов. Эти интенсив­ности определяются по закону Остроградского — Гаусса [43] с учетом парного объединения нейтронов своими фрактальными «основаниями». Взаимное притяжение пары нейтронов происходит за счет их разноименных зарядов кварков. Из результатов исследования перио­дической системы можно сделать вывод (см. п. 4.2), что сердцевина ядра образуется протонами, которые окру­жены нейтронной оболочкой, причем центр сердцевины заполнен не протонами, а вихревой структурой про­странства. Такая модель ядра весьма отличается от не­верной модели нынешней физики, по которой [49, 65] протоны и нейтроны располагаются равномерно на сво­их уровнях по всему объему ядра. Мы знаем, что энер­гия ядра W_ядро по абсолютной величине равна работе, которую нужно затратить для полного расщепления ядра на отдельные протоны и нейтроны. Установленная связь энергии ядер атомов с их количественным составом представлена в [2, 3, 9] и в п. 2.7, 4.2.

Ниже представлены энергетические характеристики элементов периодической системы. Табличные значения этих характеристик взяты из следующих источников [46, 47, 50, 69].

Обратим внимание, что при рассмотрении табличных значений энергетических характеристик нельзя ожидать, чтобы количественный анализ этих значений отличался высокой воспроизводимостью, так как существует слишком много факторов, которые с трудом поддаются контролю. Исходя из рассмотрения всех потенциальных источников ошибок, можно сделать вывод, что относи-

 

 

 

тельное стандартное отклонение результата анализа по­рядка 10% является на сегодня лучшим. Поэтому при большом различии табличных значений использованные данные из других источников взяты в скобки.

Данная работа еще раз подтверждает, что фундамен­том мироздания является электрический заряд, а масса — продукт образования его носителями (электронами, кварками, протонами и т. п.) геометрических форм всех физических объектов. Установленный фундамент миро­здания позволяет показать глубокую общность и един­ство материального мира и установить единое взаимо­действие, которое определяет явления и процессы в электромагнитной природе. Только геометрия и структу­ра материальных объектов приводят к явно различимым электромагнитным эффектам. Такое представление при­роды определяет энергетические характеристики для всех элементов периодической системы. Нынешняя физика определяет энергетические характеристики только для одного элемента — атома водорода, потому что она не видит природу простой и единой, электромаг -нитной по своей сущности.

Таким образом, данное исследование является обоб­щением новой науки о природе, названной «Фрактальная физика. Наука о мироздании».