НОВАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ АТОМОВ.

Г.И. Сухоруков, Э.Г. Сухоруков,  Р. Г. Сухоруков

Братск, Россия.

 

 

Бор и Зоммерфельд строго обосновали резерфордовскую планетарную модель атома [1,2]. Однако вследствие трудностей, возникших при объяснении тонкой структуры спектра атома водорода и строения сложных атомов, их теория была отвергнута. В настоящее время строение атомов описывается сложным трехмерным дифференциальным уравнением Шредингера [3-5]. Даже для атома водорода решение этого уравнения не удается выразить через элементарные функции [6]. Для атомов, имеющих два и более электронов, уравнение Шредингера не может быть решено даже численным образом [7]. Чтобы рассчитать спектральные термы одного сложного атома, требуется работа электронно-вычислительных машин в течении сотен часов [8] или нескольких лет [9].

Наша теория является логическим продолжением теории Бора-Зоммерфельда. При ее создании использовался обширный экспериментальный материал, связанный с определением значений ионизационных потенциалов и энергий термов оптических и рентгеновских лучей. В справочной литературе значения ионизационных потенциалов и энергий термов приводятся с очень высокой точностью, достигающей восьми - десяти значащих цифр. Эти данные надежны, так как получены в результате обобщения экспериментального материала, которым располагает все человечество. Результаты теоретических исследований, выполненных с использованием методик, разработанных на основе нашей теории, хорошо согласуются с вышеназванными экспериментальными данными.

Скорость распространения взаимодействия равна скорости света. Конечность этой скорости обусловлена наличием мировой среды (эфира). Законы Ньютона и Кулона точно выполняются только для тел, неподвижных относительно этой среды. Для движущихся тел эффективность взаимодействия зависит от скорости их движения относительно мировой среды. Формулы эффекта движения аналогичны формулам эффекта Доплера в оптике и акустике. Для случая, когда оба взаимодействующих тела движутся, формула имеет вид [10, 11]

 

,

 

где X – величина, зависящая от скорости движения, С – скорость света, V и U – скорости движения взаимодействующих тел, a1 и b1 - углы между направлениями движений источника и приемника волн и линией соединяющей точку, в которой волна излучилась, с точкой, в которой она встретилась с приемником. Буквами со штрихами и без штрихов обозначены величины, полученные соответственно с учетом и без учета эффекта движения. В атоме движением ядра можно пренебречь и тогда для величин, характеризующих движение электрода по круговой орбите можно записать

 

 

,                                                (1)

 

,                                                (2)

 

где a и b – величины, значения которых соответственно увеличиваются или уменьшаются вследствие эффекта движения.

            Интеграл энергии системы электрон – ядро имеет вид [12]

 

,

 

где m – масса электрона, V’ – скорость электрона, b = 1+ m/М, М – масса ядра, r’ – радиус- вектор, m’ = (z’e2c210-7)/m, z’ – зарядовое число, e – элементарный заряд, l – длина большой оси орбиты. Определив с помощью интеграла энергии орбитальную скорость и ее радиальную и тангенсальную составляющие, можно вывести уравнение, описывающее движение электрона по финитной незамкнутой кривой [12]:

 

,

 

где j’ – угол поворота радиуса-вектора r; n – число характеризующее степень вытянутости орбиты; k – номер стационарного состояния; Va, Vn – скорости электрона в апоцентре и перицентре; ra, rn – апоцентральный и перицентральный радиусы.

            Результаты расчетов по формулам авторов с высокой точностью совпадают с экспериментальными данными. В таблице 1 приведены значения фундаментальных физических констант, полученных экспериментально и вычисленных по нижеприведенным формулам:

 

         ;            :                    :

         ;                  :             .

 

Физические константы                                                                                 Таблица 1

 

Константа

Расчет

Эксперимент

Ионизационный потенциал н, эВ

13,59829218

13,5985

Скорость электрона V’н×10-6, м/с

2,186500601

-

Постоянная тонкой структуры 1/a’¥, м-1

137,0359895

137,0359895

Постоянная Ридберга ¥×10-7, м-1

1,097373153

1,097373153

Период обращения электрона T’н×10-16, с

1,820657574

-

Постоянная планка h×1034, Дж×с

6,626075438

6,6260755

 

            В качестве исходных данных взяты значения четырех констант [13]: скорость света с = 2,99792458×108 м/с; элементарный заряд  e’ = 1,60217733×10-19 Кл; Масса электрона m = 9,10938968×10-31 кг; боровский радиус r’н = 5,29177249 10-11 м. Для атома водорода bн = 1,000544617.

            Параметры орбит сложных атомов можно выразить через параметры боровской орбиты [12].

Если электрон движется по круговой орбите,  то:

,                                                 (3)

а если по эллиптической, то:

;

 

,

 

где z’ – эффективное зарядовое число,  - энсцентриситет.

Полная энергия системы электрон-атом:

.                                                         (4)

Период обращения электрона и ядра вокруг центра масс:

.                                                           (5)

С помощью формул (1) и (2) определены rн = 0,529191323×10-10 м;                      Vн = 2,186442460×106 м/с; Ен= 21,78571660×10-19 Дж; e = 1,602156024×10-19 Кл;   Тн = 1,520657574×10-16 с. Таким образом, зная эффективное зарядовое число, можно вычислить все величины, характеризующие движение электрона по орбите в атоме. 

            Атомы имеют планетарное строение. При переходе электрона из одного стационарного состояния в другое происходит поглощение или излучение волн. При этом в многоэлектронных атомах изменяется полная энергия не только у того электрона, который совершил переход с одной орбиты на другую, но и у всех остальных электронов. Длины оптических и рентгеновских волн, излучаемых сложными атомами, можно вычислить по формуле [12]

 

,                       (6)

 

где  - зарядовые числа и стационарные состояния электронов у невозбужденного атома;  - соответствующие величины у возбужденного атома. Нумерация электронов идет в направлении от ядра к периферии атома. Постоянная Ридберга R¥= 1,097314784×107 м-1 имеет одну и ту же величину у всех атомов.

 

Энергии спектральных термов атома водорода                                         Таблица 2

 

Терм возбужденного

состояния

Энергия терм, см-1; Разность термов, см-1

 

По формуле (6)

Справочные данные

 

82258,916

0,365

82259,281

82258,921

0,365

82259,286

 

 

97491,617

0,108

97491,725

0,036

97491,761

97492,213

0,108

97492,321

0,036

97492,357

           

            В таблице 2  приведены значения термов атома водорода, взятые из справочника [14] и вычисленные по формуле (6). Расхождения между расчетными и справочными данными наблюдаются после пятой или шестой значащей цифры. Это объясняется тем, что последние цифры значений термов получены не экспериментально, а расчетом по ныне принятой методике. Разности же термов, характеризующих тонкую структуру спектров согласно существующей и новой теории совпадают точно.

            Параметры орбит многоэлектронных атомов можно рассчитать, используя значения ионизационных потенциалов. Расчет ведется в такой последовательности. Вначале по значениям ионизационных потенциалов [15] находятся приблизительные значения эффективных зарядовых чисел. Затем определяются кратности периодов обращения электронов по формулам:

 

 

            Выразив с помощью этих формул зарядовые числа всех электронов через зарядовое число наружного электрона и подставив новые выражения для зарядовых чисел в формулу (6), получим уравнение с одним неизвестным

 

.        (7)

 

Теперь можно определить точные значения  решая последовательно задачи для ионов данного атома, имеющих соответственно 2, 3, … , i электронов. Как показано выше, зная значение z’ для электрона, можно определить все параметры его орбиты. В опубликованных работах приведены расчетные значения параметров орбит электронов у всех возможных ионов первых двенадцати элементов таблицы Менделеева. В данной статье приведен пример расчета атома гелия.

В невозбужденном атоме гелия оба электрона находятся в первом стационарном состоянии и движутся по круговым орбитам. Период обращения наружного электрона в два раза больше периода обращения внутреннего электрона. Чтобы удалить электрон из невозбужденного атома гелия, нужно затратить энергию Е=198310,76 Сн-1 =  39,3933902×10-19 Дж [14]. Для этого случая уравнение (7) примет вид:

 

.

Вычислив с помощью этого уравнения значения =1,3914422, из соотношения  = 2 найдем =1.9677965. Теперь по формулам (3), (4) и (5) можно вычислить параметры орбит обоих электронов, находящихся в первом стационарном состоянии.

 

Орбиты электронов в атоме гелия                                                            Таблица 3

 

Стац. состояние второго электрона, К

Тип орбиты и ее номер

Зарядовое число

 

 

 

1

круговая

1,9677965

1,3914422

2

 

 

2

1-я круговая

2-я круговая

3-я круговая

4-я круговая

5-я круговая

1,9971808

1,9991896

2,0001251

2,0001274

1,9996570

1,2043454

1,0882210

1,0328602

1,0328613

0,9998285

22

27

30

30

32

 

 

 

3

1-я круговая

2-я круговая

3-я круговая

4-я круговая

5-я круговая

6-я круговая

7-я круговая

1,9996874

1,9999251

1,9998483

1,9998489

1,9997306

1,9997382

2,0000089

1,1204559

1,0551392

1,0289134

1,0289138

1,0092539

1,0092577

1,0000045

86

97

102

102

106

106

108

 

В таблице 3 приведены вычисленные аналогичным образом зарядовые числа электронов в атоме гелия для случаев, когда наружный электрон находится в одном из трех стационарных состояний.

Как видно из таблицы 3, наружный электрон атома гелия в первом стационарном состоянии может иметь только одну круговую орбиту, во втором – 4 круговых и одну эллиптическую,  а в третьем – 5 круговых и две эллиптические. Первая орбита электрона во втором стационарном состоянии очень устойчива. Переход электрона с этой орбиты на орбиту в первом стационарном состоянии возможен только при соударении атомов [16]. Гелий обычно состоит из двух типов атомов. В одних атомах наружный электрон движется по орбите первого стационарного состояния, а в других по первой орбите второго стационарного состояния. Первые атомы являются атомами парагелия, а вторые атомами ортогелия.

Для ионов с одинаковым числом электронов, но разными зарядами ядер выполняется равенство:

где Ен- ионизационный потенциал атома водорода, Еn+1, Еn и Еn-1 -  ионизационные потенциалы ионов трех рядом расположенных элементов, n – порядковый номер элемента, k – номер стационарного состояния наружных элементов в ионах. По этой формуле вычислены ионизационные потенциалы и значения k у  24 элементов [12]. Никаких принципиальных трудностей нет для вычисления ионизационных потенциалов и параметров орбит электронов у всех элементов периодической системы.

 

Потенциалы ионизации атомов                                                                 Таблица 4

 

элек-трона

Фтор

 

Неон

Натрий

Энергия ионизации  Е, эв

Энергия ионизации  Е, эв

Энергия ионизации  Е, эв

Расчет.

Данные [15]

Pасчет.

Данные [15]

Расчет.

Данные    [15]

1

1102,0

1101,8

1360,5

1360,2

1646,2

1646,4

2

953,43

953,5

1195,0

1195,4

1463,7

1464,7

3

185,14

185,14

239,0

239,1

299,86

299,7

4

157,06

157,11

207,05

207,2

263,83

264,2

5

114,21

114,21

157,91

157,91

208,41

208,44

6

87,141

87,23

126,15

126,4

172,36

172,38

7

62,710

62,646

97,118

97,16

138,33

138,6

8

34,971

34,98

63,456

63,5

98,916

98,88

9

17,423

17,418

40,964

41,07

71,639

71,8

10

-

-

21,565

21,559

47,287

47,29

11

-

-

-

-

5,1391

5,138

 

            В таблице 4 приведены расчетные и справочные значения ионизационных потенциалов у атомов фтора, неона и натрия. Как видим, расчетные значения ионизационных потенциалов хорошо согласуются со справочными.

            Химические и ряд физических свойств элементов обусловлены энергией связи наружных электронов с атомами. Энергия связи, а следовательно, и свойства имеют периодическую зависимость от порядкового номера элемента в таблице Менделеева. Если сравнить первые потенциалы ионизации у всех атомов [15], то можно четко выделить семь периодов, что и отражено в таблице Менделеева. Если же сравнить потенциалы ионизации у всех ионов с разными зарядами ядер, но с одинаковым количеством электронов, то также четко можно различить у известных нам элементов 12 периодов, которые приведены в таблице 5. В таблице приведен также 13-ый период для элементов, которые возможно существуют во Вселенной в условиях, отличных от условий Солнечной системы.

 

Периодический закон.                                                                                         Таблица 5

Период

Номер элемента в периоде

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

I

H

He

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

 

 

 

 

 

 

III

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

 

 

 

 

 

 

IV

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

 

 

 

 

V

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

 

 

 

 

 

 

VI

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pb

 

 

 

 

VII

Ag

Cd

Jn

Sn

Sb

Te

J

Xe

 

 

 

 

 

 

VII

Cs

Ba

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gb

To

Dy

Ho

Er

IC

Tm

Yb

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Jr

Pt

 

 

 

 

C

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

 

 

 

 

 

 

CI

Fr

Ra

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

CII

Md

No

Lr

Ku

Ns

106

107

108

109

110

 

 

 

 

CII

111

112

113

114

115

113

117

118

 

 

 

 

 

 

 

            В таблице 6 показано, как идет заполнение электронных слоев в атомах элементов 13-го периода, но по нему можно представить, как происходит заполнение электронных слоев в атомах всех остальных элементов. Число слоев в атоме соответствует номеру периода, в котором он находится. Максимально возможное число электронов в слое равно числу элементов в периоде, в котором заполняется этот слой. В первом слое оба электрона находятся в первом стационарном состоянии. Восемь электронов второго слоя находятся во втором, электроны третьего и четвертого слоя – в третьем, а электроны всех остальных слоев – в четвертом стационарном состоянии.

  

Распределение электронов в атомах 13 периода.                                       Таблица 6

 

№ элемента

Номер слоя

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

 

k=1

k=2

k=3

k=4

111

2

8

8

10

8

10

8

14

10

8

14

10

1

112

2

8

8

10

8

10

8

14

10

8

14

10

2

113

2

8

8

10

8

10

8

14

10

8

14

10

3

114

2

8

8

10

8

10

8

14

10

8

14

10

4

115

2

8

8

10

8

10

8

14

10

8

14

10

5

116

2

8

8

10

8

10

8

14

10

8

14

10

6

117

2

8

8

10

8

10

8

14

10

8

14

10

7

118

2

8

8

10

8

10

8

14

10

8

14

10

8

 

            В уточненной периодической таблице элементов один период содержит два элемента, шесть периодов содержат по 8 элементов, четыре по 10 элементов, и два по 14 элементов. В некоторых периодах наблюдается одинаковая закономерность изменения свойств элементов по мере увеличения числа электронов во внешнем слое атома. Такие периоды будем называть подобными. Так подобными являются второй и третий периоды, начинающиеся с щелочных элементов; пятый, седьмой, десятый и тринадцатый, начинающиеся с элементов группы меди; четвертый, шестой, девятый и двенадцатый, содержащие по 10 элементов; восьмой и одиннадцатый, содержащие по 14 элементов.

 

 

 ЛИТЕРАТУРА

 

1.      Шпольский Э.В. Атомная физика. т.I – М.: Физмат, 1963.

2.      Зоммерфельд А. Строение атомов и спектры. т. I – М.: Гостехиздат, 1956.

3.      Вихман Э. Квантовая физика. т.4 – М.: Наука, 1986.

4.      Борн М. Атомная физика. – М.: Мир, 1967.

5.      Шпольский Э.В. Атомная физика т.2 – М.: Наука, 1984.

6.      Спролул Р. Современная физика. – М.: Фмзматгиз, 1961.

7.      Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. – М.: Физматгиз, 1961.

8.      Кравцов В.А. Массы атомов и энергии связи ядер. – М.: Атомиздат, 1974.

9.      Намбу Е. Кварки. – М.: Мир, 1984.

10.  Сухоруков В.И., Сухоруков Г.И. Эффект Доплера при движении источника и приемника волн в произвольном направлении // Акустический журнал. – 1986, т.32, №1. – с. 134-136.

11.  Сухоруков Г.И. Теоретические модели физического эксперимента. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук – Братск: 1998.

12.  Сухоруков Г.И., Сухоруков В.И., Сухоруков Р.Г. Реальный физический мир без парадоксов. – Иркутск: Изд-во иркут. ун-та, 1993.

13.  Власов А.Д., Мурин Б.П. Единицы физических величин в науке и технике: Справочние. – М.: Энергоатомиздат, 1990.

14.  Радциг А.А., Смирнов В.М. Справочник по атомной и молекулярной физике. – М.: Атомиздат, 1980.

15.  Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. И.К. Кикоина. – М.: Атомиздат, 1976.

16.  Гольдин Л.П., Новиков Г.И. Введение в атомную физику. – М.: Наука, 1969.

 

 

 

Νΰ γλΰβνσώ

 

 The Last renovation 08.10.2006
 © Site is created Kuimov O.S. at support ZAO "Hydrargium"
 

Π˜ΡΠΏΠΎΠ»ΡŒΠ·ΡƒΡŽΡ‚ΡΡ Ρ‚Π΅Ρ…Π½ΠΎΠ»ΠΎΠ³ΠΈΠΈ uCoz