Динамическая структура атомов (стр. 7 )

Анализ имеющихся экспериментальных данных по энергиям связи и по потенциалам ионизации атомов водорода и гелия, а также водородоподобных и гелийподобных систем показывает, что они в качественном отношении соответствуют планетарной модели Резерфорда-Бора [1].

Атомы III группы. Логично предположить, что у атомов III группы электронные орбиты также являются эллиптическими. Действительно, трехэлектронные атомы в круговой (сферической) модели не устойчивы из-за дестабилизирующего действия сил взаимного отталкивания между электронами. Чтобы оболочка сохранила правильную геометрическую конфигурацию (в данном случае правильный треугольник) и не потеряла свою устойчивость, три валентных электрона должны образовать три относительно независимые эллиптические орбиты. В результате получается правильный динамический треугольник с переменной стороной, который вращается вокруг своего центра-ядра (остова) с частотой обращения каждого из электронов по своим орбитам (рис. 3б). Движения электронов на каждой из орбит благодаря силам взаимного отталкивания синхронизированы, а мгновенное положение электронов соответствует симметричной конфигурации в виде правильного треугольника. Гипотеза независимых эллиптических орбит подтверждается строением молекул типа ВН3; наличие независимых связей ВН у которых возможно только в предположении независимых орбит у центрального атома В, который предоставляет свои электроны для формирования химических связей.

Сочетание модели независимых эллиптических орбит и свойства энергии связи эллиптических орбит как сохраняющейся величины позволяет, как было отмечено выше, многоэлектронную задачу свести к одноэлектронной.

Общий подход к определению параметров 3-х электронных оболочек атомов III группы такой же, как при рассмотрении атомов II группы. В приближении независимых и равноправных орбит 3-х электронных оболочек атомов III группы для описания движения электрона на эллиптической орбите можно принять одноэлектронное уравнение (1). Благодаря тригональной симметрии атомов III группы, все три валентные электроны неразличимы и тождественны. В этом случае образование атомов можно представить как результат возмущения исходного состояния 2-х зарядного катиона - (с одним валентным электроном на круговой орбите) двумя другими валентными электронами. Здесь круговая орбита катиона выступает в качестве исходного состояния системы. Переход от катиона к атому сопровождается возмущением энергетического состояния катиона, в результате чего энергия связи электрона изменяется от до , а его круговая орбита трансформируется в три эллиптические орбиты атома . В конечном состоянии атома валентные электроны жестко связаны между собой в виде правильного динамического треугольника. В силу пространственной симметрии электронной конфигурации атомов параметры всех трех эллиптических орбит одинаковы и для них применимо уравнение движения (1).

Рассмотренный механизм формирования эллиптической орбиты вновь образуемого атома является универсальным и применимым к атомам всех последующих групп.

Атомы IV группы. Согласно принятому выше подходу прибавления водородоподобного атома и в соответствии с диполь-оболочечной моделью внешняя оболочка атомов IV группы имеет четыре относительно независимые эллиптические орбиты. Электроны внешней оболочки образуют высокосимметричную тетраэдрическую конфигурацию (см. рис. 3в). Движения электронов на своих орбитах строго синхронизированы (за счет сил взаимного отталкивания электронов друг от друга) и образуют динамический тетраэдр. Его размеры периодически изменяются (с частотой обращения электронов по своим орбитам) в пределах между большой и малой полуосями эллиптической орбиты. Независимость эллиптических орбит атомов подтверждается строением молекул типа СН4; наличие независимых связей СН у которых возможно только в предположении независимых орбит у центрального атома С [9].

Атомы V группы. Следуя логике формирования орбит атомов I-IV групп, можно ожидать, что внешние оболочки атомов V группы должны иметь 5 независимых эллиптических орбит. Так оно и есть. Однако следует отметить, что наблюдаемое у предшествующих атомов I-IV групп последовательное увеличение пространственной размерности, начинающееся с нулевой (точка) размерностью и завершающееся 3-х мерной (тетраэдр) размерностью, сменяется принципиально другим способом увеличения емкости оболочек. Это достигается путем уплотнения электронных конфигураций за счет связывания независимых эллиптических орбит в гелийподобные конфигурации.

Механизм образования связанных эллиптических орбит можно объяснить кулоновским притяжением 5-го электрона в поле высокопотенциального тетраэдрического остова атома. Это означает, что, следуя принципу центрального поля, необходимо принять требование, что энергия связи для всех 5 электронов атомов V группы должна быть одинаковой. Единственно возможной конфигурацией в этом случае является вписанная в сферу тригональная бипирамида (рис. 3г) [1]. При этом 3 эллиптические орбиты формируют треугольное основание пирамиды и 2 эллиптические орбиты, образуют вершины данной бипирамиды. Благодаря симметричному расположению 3-х орбит в плоскости основания и 2-х вершинных орбит достигается баланс сил, действующих между электронами на орбитах, и, соответственно, устойчивость атомов в целом. Прямым подтверждением данной конфигурации по рис. 3г являются структуры молекул типа PF5 [9].

Атом VI группы. Согласно принятому подходу формирования электронных оболочек и в соответствии с диполь-оболочечной моделью внешние оболочки атомов образованы 6-ю независимыми эллиптическими орбитами. В условиях действия центрального поля ядра (остова) валентные электроны образуют октаэдрическую конфигурацию, вращающуюся с частотой обращения электронов на своих эллиптических орбитах (рис. 3д). Такой конфигурации соответствует строение молекул, типа SF6 [9]. По-видимому, у атомов данной группы возможна кубическая конфигурация с двумя вакантными вершинами, которая подтверждается структурой атома кислорода и наблюдается при образовании молекул, типа H2O.

а)	б)
в)	г)
д)	е)
Рис. 3. Электронные конфигурации атомов. Обозначения: большие кружки – остовы атомов; малые кружки – валентные электроны, с – межэлектронные расстояния. Пунктиром показаны эллиптические орбиты.

Атомы VII группы. Следуя принципу минимума потенциальной энергии и принципу симметрии, наиболее вероятной конфигурацией атомов VII группы соответствует кубическая модель с одной вакантной вершиной. В ее основе лежит гипотеза формирования оболочки с числом электронов более четырех, когда пятым электроном начинается заполнение вершин «пустого» тетраэдра, вписанного в данный куб. Согласно данной модели три пары связанных эллиптических орбит электронов выстраиваются вдоль трех диагоналей воображаемого куба и один электрон занимает одну из свободных вершин данного куба. Так что, 4 электрона образуют «первый» тетраэдр (как наиболее устойчивую структуру), а три других электрона заполняют три вершины «второго» тетраэдра; в совокупности эти два тетраэдра представляют куб с 7-ю занятыми вершинами и 1-ой свободной вершиной. Во взаимодействиях с внешним окружением у атомов VII группы принимает участие только один электрон; он и определяет их валентность.

Атомы VIII группы. На этом этапе формирования таблицы Менделеева завершается заполнение валентных оболочек. Согласно диполь-оболочечной модели [1, 2] валентные электроны атомов благородных газов образуют вращающуюся гексаэдрическую (кубическую) конфигурацию, согласно которой электроны локализованы в положении вершин воображаемого куба. Электроны валентной оболочки тождественны, а энергии связи каждого электрона с атомом равны между собой.