ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ АТОМА
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая монография посвящена изучению электронного строения атомов и ионов в основном (невозмущенном) состоянии. В невозмущенном состоянии атом (или ион) сохраняет свою индивидуальность и тем самым удовлетворяет статусу атомной константы. Такие ограничения на объект исследования позволили резко сузить сектор научного поиска и сделать исследования более целенаправленными.
Общая схема построения монографии подчинена логике “от имеющихся экспериментальных данных и представлений (моделей) к формированию новых данных”, обеспечивающих новое понимание механизмов образования электронной конфигурации атомов и атомного устройства в целом. Руководствуясь данной установкой, вначале был сделан анализ имеющихся экспериментальных данных, так или иначе характеризующих свойства и строение атомов. К ним с существенными оговорками можно отнести различные типы радиусов, такие как ван-дер-ваальсовы, металлические, ковалентные,
ионные, орбитальные, кинетические и т.д., а также потенциалы ионизации. Анализ показал, что имеющийся в настоящее время эмпирический базис пока не удовлетворяет построению корректной модели и теории электронного строения атома.В этой связи автор возвращается к исходным положениям эмпирического подхода изучения вещества, с целью установления его принципиальных возможностей в отношении к атомам. В результате получен совершенно неожиданный вывод. Единственным источником эмпирической информации о внутриатомном строении являются электромагнитные свойства, количественной мерой которых служит диэлектрическая восприимчивость, которая в свою очередь обусловлена поляризуемостью атомов – фундаментальным свойством, проявляющимся в способности их электронных оболочек к
упругой деформации в электрических полях. Деформируемость атома предполагает связь поляризуемости с его геометрическими размерами. В силу сферической симметрии атомов для описания его пространственной протяженности достаточно одного размерного параметра, в качестве которого выступает радиус. Остается только установить корректные соотношения между поляризуемостью и радиусом. Такие соотношения были получены и приняты для расчета “абсолютных” радиусов атомов.Следующим важным шагом в построении приемлемой модели атома является установление универсальной связи между межоболочечным расстоянием и энергией связи внешних электронов с ядром (вернее с остовом атома). Энергия связи – это параметр, количественно характеризующий устойчивость атома. Установлено, что энергия связи линейно зависит от порядкового номера атома в соответствующем периоде таблицы Менделеева; при этом крутизна наклона этой зависимости уменьшается при переходе к следующему периоду. Такое поведение объясняется совокупным действием сил кулоновского притяжения электронов к остову и сил взаимного отталкивания электронов, принадлежащих одной оболочке.
Вновь полученные данные по радиусам, межоболочечным расстояниям и энергиям связи легли в основу построения непротиворечивой диполь-оболочечной модели атома. Эти данные также позволили выявить механизм образования оболочек и объяснить ряд закономерностей в построении таблицы Менделеева. В качестве иллюстрации новых возможностей атомно-молекулярных моделей рассмотрен новый подход к построению теории электронного строения вещества, которая в свою очередь, стала основой для теоретического обеспечения механосинтеза как одного из перспективных направлений нанотехнологии.
Материал монографии представлен следующим образом.
В 1 главе дан краткий анализ атомистических воззрений, которые стали основой для построения физических моделей атома доквантового периода. Рассмотрены модель атома Н. Бора и квантовая модель атома водорода. Здесь же представлены основы принятой в настоящее время квантовомеханической теории атомов. Сделан краткий анализ причин, затрудняющих построение корректной теории многоэлектронных атомов.
Во 2-й главе выполнен анализ экспериментальных данных, так или иначе характеризующих свойства атомов, а также их пространственные и энергетические параметры. Показано, что имеющие широкое хождение так называемые радиусы (ван-дер-ваальсовы, ковалентные, металлические, ионные, орбитальные и др.) могут быть применены к атомам лишь с существенными оговорками. По сути, это означает, что у атома может быть только один
радиус – радиус, имеющий статус атомной константы. Среди известных “радиусов” таковых не оказалось.Важным параметром атомов и ионов является потенциал ионизации, который (в приближении малости возмущения электронной оболочки в результате удаления электрона) имеет смысл энергии связи внешнего электрона с ядром или остовом, т.е. параметра, характеризующего устойчивость атома или иона. Анализ литературных данных позволил выявить ряд закономерностей в поведении потенциалов ионизации водородоподобных, гелийподобных систем в зависимости от степени их ионизации. Близкие к линейным имеют зависимости потенциалов ионизации от номера атома в соответствующих периодах таблицы Менделеева. Полученные в этой главе данные были приняты при построении диполь-оболочечной модели атома.
В 3-й главе рассмотрены основы поляризационного метода исследования внутриатомного строения, основанного на внутренне присущей связи поляризуемости с радиусом и энергией связи атома. Дается обоснование поляризационного радиуса. Приводится вывод уравнений связи поляризуемости с радиусом атомов разных групп таблицы Менделеева. Обсуждается уравнение связи межоболочечного расстояния с энергией связи и его применимость к атомам разных периодов таблицы Менделеева. Рассчитанные поляризационные радиусы и энергии связи обсуждаются в соответствии с имеющимися экспериментальными данными по “радиусам” и потенциалам ионизации.
В 4-й главе предлагается для обсуждения диполь-оболочечная модель атома, построенная по данным расчета радиуса и межоболочечных расстояний, а также на основании анализа составляющих вкладов в энергию связи. Концептуальным основанием предлагаемой модели выступает теорема Гаусса, применение которой позволяет многозарядовую (многочастичную) задачу свести к двухзарядовой (двухчастичной). Двухзарядовая оболочечная (диполь-оболочечная) модель в наибольшей мере отвечает всей совокупности экспериментальных данных и позволяет привести в соответствие эти данные с электронными конфигурациями атомов. Здесь же дан анализ предлагаемой модели; он позволил
выявить природу и механизм формирования электронных оболочек, что в свою очередь, позволило приступить к изучению явления периодичности элементов таблицы Менделеева и установлению закономерностей в процессе их химической эволюции.Здесь же предлагается новый подход к построению теории электронного строения вещества, который стал логическим продолжением диполь-оболочечной модели атома. Характерной особенностью данной теории является возможность исключения из ее структуры подгоночных параметров; в основание теории положена атомно-молекулярная модель, максимально приближенная к действительной конфигурации атомов или молекул. Показана применимость данной теории к решению одной из актуальных задач современности – теоретическому обеспечению нанотехнологии на примере одного из перспективных ее направлений – механосинтеза.
В целом в монографии принята методология от эксперимента к модели атома и затем к расчету основных параметров модели. Согласно предлагаемой модели атом представляет совокупность вложенных оболочек-сфер, каждая из которых формируется в результате совместного действия сил кулоновского притяжения между положительным зарядом остова атома и электронами внешней оболочки и сил взаимного отталкивания электронов, принадлежащих этой оболочке; при этом каждая
оболочка образует правильную геометрическую конфигурацию с равноудаленными электронами. Относительное положение электронных оболочек-сфер определяется балансом сил кулоновского притяжения заряда остова и сил центробежного отталкивания внешней оболочки, а также сил межоболочечного взаимодействия. Энергетическое состояние атома однозначно характеризуется двумя “атомными” числами – порядковым номером
электронной оболочки (номером периода таблицы Менделеева) и порядковым номером 
атома в соответствующем 
периоде, т.е. числом электронов на 
оболочке атома.