Динамическая структура атомов (стр. 6 )

Константу экранирования можно также найти в приближении равенства энергии связи потенциалу ионизации, то есть так что откуда следует , где радиус круговой орбиты гипотетического атома, большая полуось эллипти-ческой орбиты, которая связана с максимальным (апогеем) расстоянием = э) и минимальным (перигеем) расстоянием между электроном и ядром атома. С помощью данных большой и малой полуосей можно оценить величину эффективного радиуса атомов щелочных металлов.

На примере атомов щелочных металлов природа и механизм формирования электронной конфигурации атомов раскрывается в полной мере.

Многоэлектронные атомы. На сегодняшний день описание многоэлектронных атомов осуществляется с помощью квантово механического подхода, в основании которого лежит уравнение Шредингера. Его решением являются волновые функции, которые определяются через посредство волновой функции атома водорода, для которого, как принято считать, известно точное решение уравнения Шредингера [1, 2]. В качестве «обоснования» такому весьма спорному переносу выступает гипотеза Паули, которая заключается в том, что электронные орбитали многоэлектронных атомов подобны орбиталям атома водорода. Это предположение (не имеющее ни теоретического, ни экспериментального обоснования) затем переросло в так называемый принцип заполнения (ауфбау-принцип), согласно которому строение многоэлектронных атомов уподобляется строению атома водорода.

По сути это означает, что конфигурация того или иного атома в его основном состоянии отождествляется с электронной конфигурацией атома водорода в возбужденном состоянии. Такая процедура отождествления электронных конфигураций позволяет орбитали многоэлектронных атомов выразить через посредство орбиталей атома водорода n, l,m, являющихся корнями решения уравнения Шредингера. В свою очередь эти корни n, l,m задают ряд “стандартных” конфигураций  s-, p-, d-, f-oрбиталей, которые отождествляются с действительными электронными конфигурациями атомов в виде сферических конфигураций (s-элементы), в виде гантелеобразных конфигураций (p-элементы), конфигураций в виде 4-х лепестковых розеток и так далее [1, 2]. Чтобы согласовать полученные таким образом электронные конфигурации атомов пришлось ввести гипотезу гибридизации орбиталей. Ни теоретического, ни экспериментального обоснования «явлению» гибридизации  квантово-механическая теория не дает. Хотя в условиях сильных кулоновских внутриатомных взаимодействий перестройки типа гибридизации должны легко обнаруживаться в эксперименте. В процедурном отношении перенос волновых функций атома водорода на многоэлектронные атомы осуществляется с привлечением так называемых слэтеровских функций, которые с целью согласования квантовомеханических расчетов с экспериментом включают в себя под-гоночные параметры типа эффективных зарядов и/или эффективных квантовых чисел [1, 2].

Таким образом, здание теоретической химии построено на вере в то, что вся информация о свойствах и структуре веществ содержится в волновой функции атомов и молекул, составляющих вещество. Но смысл волновой функции так же, как гипотеза волновой природы микрочастиц, остаются совершенно неопределенными и  не имеющими ни теоретического, ни экспериментального обоснования. Волновая функция – это абстрактное математическое понятие и все теоретические построения на ее основе в принципе не могут приблизить к пониманию электронного строения вещества. При этом волновые функции молекул и химических соединений находятся путем конструирования из гипотетических “элементарных” волновых функций атома водорода, являющихся решением не имеющего физического смысла уравнения Шредингера [1, 2].

В общем случае многоэлектронных оболочек атомов наряду с азимутальной составляющей кинетической энергии следует учитывать и радиальную составляющую в соответствии с (1). Энергия связи е многоэлектронных оболочек атомов определяется совместным действием составляющих энергии притяжения каждого из электронов к ядру и энергии взаимного отталкивания электронов, принадлежащих одной оболочке, так что = . Эти величины ответственны за формирование электронных оболочек и потому несут непосредственную информацию о внутриатомном строении [1, 2]. При всем многообразии известных в настоящее время моделей электронного строения атомов в их основе лежит оболочечная модель, в начальном варианте предложенная Н. Бором [7]. Развитием модели Бора является разработанная автором диполь-оболочечная модель многоэлектронных атомов [1, 2, 8], которая в настоящее время получила теоретическое и экспериментальное обоснование.

Согласно диполь-оболочечной модели, атом представляет систему вложенных оболочек, каждая из которых представляет одну из правильных геометрических фигур с равноудалёнными от ядра электронами в вершинах этих фигур (таких как точка, отрезок линии, равносторонний треугольник, тетраэдр, гексаэдр, октаэдр и тому подобное).

Характерными для атомного уровня являются основополагающие заряд-зарядовые взаимодействия между электронами и ядрами, которые фактически определяют природу и механизм формирования атомов. Каждый из электронов атома находится в центральном поле ядра (остова атома), которое обусловливает формирование эллиптических орбит. Все эллиптические орбиты имеют общий фокус на ядре и образуют розетку с числом лепестков, равному числу валентных электронов. В результате у атома формируются выделенные направления с повышенной электронной плотностью, которые обеспечивают направленность связей в процессе формирования структуры молекул и плотных веществ. Электроны каждой отдельной оболочки тождественны, а их энергии вырождены. Энергетическое состояние атомов однозначно определяется числом валентных электронов Ne соответствующего п-го периода таблицы Менделеева. Для описания атомов необходимо и достаточно располагать данными по энергии связи е (или потенциала ионизации) и размерам эллиптических орбит [9].

Согласно (1) эллиптические орбиты электронов формируются в потенциальном электрическом поле положительного заряда остова атома, выступающего в качестве притягивающего центра. Это означает, что пространственное положение каждого электрона в подвижной системе координат по отношению к ядру строго задано. При этом важным представляется то, что электронная конфигурация атомов сохраняет пространственную симметрию относительно ядра. Принимая во внимание относительную независимость эллиптических орбит электронов, данное обстоятельство позволяет многочастичную задачу описания движения электронов, по сути, свести к двухчастичной задаче о взаимодействии остова атома с каждым из валентных электронов.

На примере атома гелия была показана возможность формирования его оболочки путем присоединения к исходному атому водорода единичного положительного заряда и электрона, формально представляющих присоединение водородоподобного атома. Эту идею можно распространить на многоэлектронные атомы, когда образование каждого последующего атома достигается путем присоединения к предшествующему атому гипотетического водородо-подобного атома. В результате этого заряд ядра увеличивается на единицу, а валентная оболочка увеличивается на одну электронную эллиптическую орбиту, так что образуется электрически нейтральный атом с порядковым номером на единицу большим, чем у предшествующего атома. Опираясь на данную методологию можно проследить за эволюцией формирования оболочек многоэлектронных атомов. Исходными для рассмотрения выступают атом водорода и атомы I группы таблицы Менделеева, имеющие одноэлектронные оболочки.

Атомы II группы имеют по два валентных электрона на своих эллиптических орбитах, которые расположены симметрично относительно ядра атома. Атомы II группы имеют такое же строение, как у гелия и представляют систему из остова, имеющего положительный заряд +2q, и двух электронов, обращающихся вокруг остова по эллиптическим орбитам (рис. 3а). Отличие лишь в наличии у них внутренних оболочек. Электроны образуют с ядром (остовом атома) пару локальных дипольных момента, равных по величине и обратных по направлению, так что результирующий дипольный момент атомов II группы равен нулю. Электрическая нейтральность атомов объясняет их относительно невысокую химическую активность.