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; V_a, V_n – скорости электрона в апоцентре и перицентре; r_a, r_n – 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 E’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 R’¥×10^-7, м^-1	1,097373153	1,097373153
Период обращения электрона T’н×10^-16, с	1,820657574	-
Постоянная планка h×10^34, 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} b_н = 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 r_н = 0,529191323×10^{-10 м;}                 V_н = 2,186442460×10⁶ м/с; Е_н= 21,78571660×10^-19 Дж; e = 1,602156024×10^-19 Кл; Т_н = 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 Е_н- ионизационный потенциал атома водорода, Е_n+1, Е_n и Е_n-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.

 

 

БУДУЩЕЕ ЗА ФИЗИКОЙ БЕЗ ПАРАДОКСАЛЬНЫХ ТЕОРИЙ!

 

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

 

Братский Государственный технический университет

40, Макаренко, г. Братск 665709, Россия.

E-mail:[e-mail]