Переодическая система химических элементов. Генетический аспект - Горох А.В.
Скачать (прямая ссылка):
1.2. Энергетическая последовательность формирования атомов естественного ряда химических элементов
Если в вопросе о происхождении химических элементов исходить из представлений о "горячей ранней Вселенной" [8], то само формирование атомов, точнее их электронных оболочек, можно связывать, как было сказано выше, только с процессом остывания первичной высокотемпературной плазмы, представлявшей смесь ядер, протонов и электронов.
Для того, чтобы наглядно представить процесс перехода плазменного состояния материи в атомное рассмотрим вначале обратный процесс - образование плазмы из нейтральных атомов [1 8]. Если в замкнутом сосуде нагревать какое-либо вещество, то оно сначала пройдет агрегатные превращения: твердое —» жидкость —» пар, затем атомизацию молекул пара и, наконец, ионизацию атомов. С увеличением температуры относительная доля ионов и электронов в газовой смеси быстро возрастает. Так для водорода при т = 1-Ю4 К число ионизированных атомов составляет меньше 10% от общего числа атомов, а при температуре 3-104 К практически все атомы ионизированы (рис. 1 ).
11
100
80 к
60 к
40 к
20 г-
0
0 5 10 15 20 25 30
X103, K
Рис.1. Изменение степени ионизации (отношения числа ионизированных атомов к числу нейтральных - nE/nE°, %) при нагревании водорода (X' 103, K) [18]
Поскольку у водорода один электрон, то при т ~ 3-104 К ионизация заканчивается. У атомов с большим числом электронов, обладающих разной энергией связи с ядром, при температуре (2 - 3)-104 К отрывается только часть электронов, принадлежащая к внешним слоям оболочки, а для полной ионизации необходима энергия в тысячи и сотни тысяч электрон-вольт.
Если теперь рассмотреть обратный процесс, т.е. процесс охлаждения полностью ионизованной плазмы, то картина, естественно, будет прямо противоположной, как в кинофильме с обратным движением кадров - " обрастание" ядер электронами начнется с наиболее тяжелых элементов, постепенно захватывая, по мере снижения температуры, все более легкие. Последовательность присоединения каждого из электронов, слагающих оболочку, определяется силой их притяжения к ядру, т.е. энергией связи, судить о которой можно по соответствующим потенциалам ионизации.
К настоящему времени все потенциалы ионизации экспериментально определены лишь для атомов первых двадцати восьми элементов таблицы Менделеева [1 9]. Для остальных элементов в справочниках приводятся данные по энергии связи только внешних (от одного до десяти-двенадцати) электронов [1 6].
12
Для водородоподобных атомов (ионов), имеющих единственный электрон, зависимость энергии связи этого электрона от Z подчиняется, как уже говорилось, соотношению (1):
4rz
E\s
n
и вычислить ее не составляет труда. Что касается энергии связи электронов, принадлежащих другим энергетическим уровням в многоэлектронных атомах, то для нее столь простая зависимость считалась невозможной из-за электрон-электронного взаимодействия.
Необходимость знать величину энергии связи каждого из электронов для атомов всех элементов периодической системы привела автора к попытке найти какое-либо эмпирическое выражение, позволяющее получить хотя бы оценочные данные по энергии связи соответствующих электронов. И такое выражение в
виде функции ¦JEj = J(Z) было найдено [5], причем его значение вышло далеко за рамки определения собственно потенциалов ионизации. Оно позволило вычислить энергию связи каждого из электронов в атомах всех элементов периодической системы и на этой основе дать общую схему последовательности формирования электронных оболочек.
Зависимость y[E~ = J(Z) была выявлена следующим образом. Основываясь на том, что энергия связи первого электрона, как функция величины Z, описывается соотношением (1 ), было решено с этих позиций проанализировать и другие изоэлектронные серии ионов, по которым имелись экспериментальные значения. Построив по этим данным графики зависимости корня квадратного из энергии отрыва одинаковых по порядковому номеру, считая со стороны ядра, электронов мы обнаружили, что все они имеют вид прямых, собранных в группы, соответствующие квантовым слоям, как показано на рис.2 и рис.3. Хотя эти графики были получены на основе экспериментальных данных по энергии последовательного отрыва всех электронов лишь у атомов первых двадцати восьми элементов таблицы Менделеева и 5 - 12 внешних электронов у остальных, можно было заключить, что выявленные закономерности полностью охватывают все электронные оболочки, подобно закону Мозли, иллюстрирующему линейную связь между корнем квадратным из частоты рентгеновского излучения атома с зарядом ядра [1 4]
^_ уГя (Z - Sn) .
n
13
Q I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
34 31 28 25 22 19 16 13 1Q 7 4 1
Z
Рис.2. Графики изменения корня квадратного из энергии отрыва изономерных электронов (эВ) в зависимости от заряда ядра Z, построенные по справочным данным [19]
Поскольку графики были построены без привлечения данных о главных квантовых числах электронных слоев, представляло интерес предметно взглянуть на физический смысл величины главного квантового числа (n), входящего в выражение (1),
