ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГРУППОВОЙ СИММЕТРИИ СУПЕРМАТРИЦЫ, ОБРАЗОВАННОЙ СПИРАЛЬНЫМ ЧИСЛОВЫМ РЯДОМ В СООТВЕТСТВИИ С ЗАРЯДОМ АТОМНОГО ЯДРА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Рассмотрены особенности классификации атомов в рамках предложенной ранее планетарно-симметричной конфигурации системы химических элементов с учетом анализа свойств групповой симметрии суперматрицы, образованной спиральным числовым рядом в соответствии с зарядом атомного ядра химических элементов

По своей обобщающей способности ничто не может сравниться с таблицей Д. И. Менделеева, которая охватывает весь вещественный мир, при этом любые свойства атомов являются функцией их порядковых номеров. Периодическая система элементов (ПСЭ), демонстрирующая открытый Д.И. Менделеевым Периодический закон, позднее неоднократно дополнялась и постепенно завоевала признание как фундаментальное научное обобщение, лежащее в основании учения о формах существования материи и способствующее формированию новых направлений в развитии естественных наук [1].

В дальнейшем были предложены сотни вариантов графического изображения ПСЭ в виде таблиц, геометрических фигур, аналитических кривых. В первых вариантах ПСЭ отсутствовали представления об инертных газах, оставались неясными вопросы о причинах периодического изменения свойств элементов, о точном числе редкоземельных элементов и др. Впоследствии наибольшее распространение получили широко известные табличные формы ПСЭ: короткая, полудлинная, длинная и лестничная. Идея разделения всех химических элементов на группы и периоды стала фундаментальным принципом создания ПСЭ. Каждая группа элементов при этом подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элементы, обладающие сходными химическими свойствами, например, в степенях окисления. Периоды определяют совокупность элементов, начинающихся щелочным металлом и заканчивающихся инертным газом. Вообще Периодический закон является совершенно особенным из всех естественно-научных законов, однако классификация элементов в виде ПСЭ помогала находить ранее неизвестные элементы и соединения, дала жизнь новым технологиям.

Несмотря на последние достижения и успехи фундаментальной науки задача объяснения всего комплекса свойств химических элементов и их периодичности оказалась чрезвычайно сложной для исследователей. В частности, до сих пор остаются не решенными вопросы, связанные с конечным количеством элементов в ПСЭ, особенностями расположения элементов первого, шестого и седьмого периодов, причинами нестабильности ряда элементов и др. Часть современных исследователей утверждает, что на сегодняшний день нет строгой формулы или системы формул описывающих Периодический закон, но имеется только натуральный ряд элементов, выстроенных по возрастанию атомного веса. По этим и  другим причинам преждевременно говорить о понимании истинной природы Периодического закона и создании его количественной теории. Периодическому закону пока что не подчиняются элементы лантаноиды и актиноиды, которые если и располагаются в таблице целыми семействами, то по пятнадцать в одной клетке. Некоторые элементы также размещаются по три в одной клетке и называются триадами. В современной форме ПСЭ элементы первого периода водород и гелий составляют более 99% вещества Вселенной, но не имеют своего естественного законного места в таблице Менделеева и современная форма периодической системы объединяет и логично систематизирует только элементы, составляющие лишь 0,1% всего вещества.

Для поиска путей решения указанных проблем, по нашему мнению, необходимо использовать при классификации химических элементов свойства некоторых видов структурной или групповой симметрии в расположении элементов в ПСЭ. С их помощью можно было бы объяснить периодичность как следствие свойственных электронным конфигурациям атомов теоретико-числовых групп динамической и перестановочной симметрии.

Симметрии как свойство природы (осевая симметрия, линейная, зеркальная, групповая и др.) являются базовыми понятиями естествознания, они подразумевают инвариантность объектов или параметров объекта по отношению к некоторым преобразованиям или к операциям, выполненным над объектом. Понятие симметрии можно применить к вещественным объектам, физическим, химическим и математическим законам. Эмми Нетер, в частности, установила связь между симметриями и законами сохранения - каждому виду симметрии должен соответствовать определенный закон сохранения: следствием однородности пространства является закон сохранения импульса, следствием его изотропности - закон сохранения момента импульса, следствием однородности времени является закон сохранения энергии и т. п.

В связи с выявлением сложных видов симметрии возникло и новое понятие «суперсимметрия», которое было введено в 70 годах прошлого века в отношении физической системы, объединяющей состояния, подчиняющиеся разным статистикам - статистике Бозе-Эйнштейна (бозоны) и статистике Ферми-Дирака (фермионы), которые относится к квантовой теории поля. Подобно другим типам симметрии, рассматриваемым в физике, суперсимметрия формулируется в терминах некоторой группы преобразований, действующих на состояние системы, что, по нашему мнению, можно использовать при исследовании  различий в свойствах систем атомов, состоящих из адронов и лептонов, составляющих атомы химических элементов. В результате оказалось возможным конструирование новых матричных структур, в том числе, суперматрицы атомов химических элементов, обладающей особыми свойствами суперсимметрии, выражающимися в их структурной классификации по Периодическому закону.

Интерес исследователей к представлению спиральных чисел в виде матрицы чисел недавно возродился в связи с неожиданным наблюдением С. М. Улама о распределении простых чисел в виде значений квадратных многочленов. Разместив по спирали натуральные числа он отметил, что простые числа выстраиваются по диагоналям, образуя довольно длинные цепочки. Стремление простых чисел располагаться в цепочки вдоль диагоналей было обнаружено сравнительно недавно и ещё не получило какого-либо математического объяснения. В связи с данным свойством спирально-матричных структур сравнительно недавно были проведены дополнительные исследования, касающиеся связи свойств групповой симметрии объектов суперматрицы, образованной спиральным числовым рядом в соответствии с зарядом атомного ядра химических элементов.

Поскольку, с математической точки зрения, матрица или суперматрица - есть способ записи системы уравнений, то каждое уравнение в отдельности описывает вектор. Построив из точки начала координат векторы, заданные в суперматрице по спиральному закону, мы зададим на плоскости или в пространстве некоторую группу или фигуру, а ее частные определители – некоторую площадь или иные ее характеристики. На наш взгляд – это одно из направлений возможности строгой формализации Периодического закона.

Новая система классификации химических элементов [2,3,4], разработанная в ОИВТ РАН, основана на использовании групповой симметрии атомов в виде планетарно-симметричной конфигурации системы химических элементов (кратко - планетарной системы элементов – ПлСЭ), представляющую собой квадратную суперматрицу (96 ячеек, 14 столбцов, 14 рядов), образованную спиральным числовым рядом в соответствии с зарядом атомного ядра входящих в нее химических элементов.

Для анализа проблемы периодичности элементов следует сравнить предложенную ПлСЭ и современную классификацию химических элементов в виде полудлинной таблицы химических элементов ИЮПАК, разбитой на 7 периодов и 18 групп и в которой лантаноиды и актиноиды размещаются под основной формой таблицы, тогда как в ПлСЭ они органично входят в состав суперматрицы, а не за ее пределами (см. сайт meta- synthesis.com). Как следует из анализа суперматрицы новой ПлСЭ легкие элементы первого периода Не и Н совмещены в центральных клетках таблицы на пересечении декартовых осей координат, при этом Н находится в контакте с лидирующим элементом группы фтора, а Не – с лидирующим элементом группы неона. Данный порядок взаимной связи легких элементов в ПлСЭ соответствует последним теоретическим представлениям о периодичности и частично устраняет, характерные для классической ПСЭ, противоречия в альтернативной принадлежности водорода и гелия к несвойственным группам. При этом в структуре суперматрицы ПлСЭ водород естественным образом соседствует с гелием и фтором, а гелий – с неоном и литием. Так как в ядре атома водорода содержится только один протон (меньше в ядре атома элемента протонов быть не может), то становится ясным, что водород образует естественную нижнюю границу ПлСЭ. При этом водород относится к группе щелочных металлов, поскольку находится в одном с ними ряду и одновременно к группе галогенов, т. к. соседствует с фтором, а гелий относится одновременно к группам щелочных металлов и инертных газов. В отличие от классической таблицы Д. И. Менделеева новая ПлСЭ и ее воплощение в суперматрице демонстрирует групповую и секторную симметрию в строении электронных оболочек атомов и, следовательно, обусловливает нетрадиционные возможности анализа периодичности свойств химических элементов и использования результатов в фундаментальных и прикладных целях.

Центральное размещение в суперматрице Не и Н (первая и вторая клетки системы) свидетельствует, прежде всего, о их преимущественном распространении в качестве основного, доминирующего во Вселенной, строительного материала звезд и космического газа. Так на долю водорода приходится около половины массы Солнца и других звезд, он присутствует в атмосфере ряда планет. На его долю приходится около 1% массы земной коры, а в составе воды (водород и кислород – соседи по суперматрице) он распространен на Земле повсеместно. Элемент водород в планетарной системе элементов обеспечивает необыкновенное разнообразие химических соединений с примыкающим к нему углеродом, который является лидером группы р – элементов.

Следует также заключить, что водород и указанные элементы и соединения второго и третьего периодов в значительной степени инициируют основные процессы в живой и неживой природе. Здесь, возможно, прослеживается будущая роль ПлСЭ и суперматрицы в синтезе законов органической и неорганической химии. При этом главные особенности конфигурации элементов в суперматрице   заключаются   в   центральной симметрии известных элементов относительно водорода и гелия, зеркальной симметрии между смежными главными и побочными подгруппами относительно осей координат, компактном размещении в таблице триад переходных элементов, а также лантаноидов, актиноидов и трансактиноидов в соответствии с их конфигурационными индексами, нашедшими свое место внутри ПлСЭ в шестом и седьмом периодах. Полное завершение седьмого периода в суперматрице происходит на элементе с порядковым номером 118, который явля- ется аналогом радона.

Прогнозирование электронных конфигураций еще неоткрытых элементов (110 - 118) или уже открытых, но полностью не изученных (102 - 109), облегчается сравнением индексов электронной конфигурации соседних по подгруппам элементов с известными свойствами и ближайших элементов по периоду, что позволяет определить разницу в свойствах элементов больших и малых периодов, главных и побочных подгрупп, оценить степень устойчивости некоторых трансурановых элементов к распаду. В качестве примера укажем на возможность существования «островов» стабильности элементов 110 и 111 - гомологов платины и золота, а также предположительно элемента 112 и ртути. Новая концепция ПлСЭ, моделирующая, в известной степени, электронные оболочки атомов в суперматрице в соответствии с зарядом ядер, выражает глобальный характер их эволюции в зависимости от увеличения атомной массы и нуклонного заряда элементов при условном движении в направлении от водорода в центре ПлСЭ к сверхтяжелым заурановым элементам шестого и седьмого периодов. Элементы второго и третьего периодов ПлСЭ в значительной степени формируют структуру планетарных систем, обращающихся вокруг массивных звезд, а шесть кольцевых семейств элементов, вместе с центральным из двух элементов, ответственных за внутреннюю энергетику Солнечной системы и, возможно, нашей планеты, образуют семь полностью завершенных периодов, моделируя, в известном смысле, структуру электронных оболочек соответствующих атомов.

Использование предложенной конфигурации ПлСЭ в форме суперматрицы открывает новые возможности для изучения и анализа всей совокупности процессов, обеспечивающих распределение и концентрацию вещества в галактических, планетарных и геосферных системах, для которых характерна конформность спирально- вихревых, концентрически-зональных и подобных им структур. Проведение такого анализа с современных методологических позиций синергизма и периодичности рассматриваемых процессов в неравновесных системах может придать новый импульс фундаментальным исследованиям и прикладным разработкам, в частности, в области нетрадиционной энергетики и техноэкологии. В этой связи представляется своевременным анализ с точки зрения практического использования новой ПлСЭ в составе суперматрицы как фундаментальной прогностической основы прикладных наук.

Список литературы

1.     Семишин В. И. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. — М: Химия, 1972. — 188 с.

2.     Короткий В. М. Структурный вариант периодической системы элементов Д. И. Менделеева // Оборонный комплекс — народному хозяйству: Сб. инф. листков о науч.-технич. достижениях. Химическая технология. М: ФГУП "ВИМИ", 1997. С. 11.

3.     Короткий В.М., Мелентьев Г.Б.  О распределении s-, p-, d-, f- элементов по группам симметрии. В ж. Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России, № 4. – М: ФГУП ВИМИ, 2007. С. 75 – 78

4.     Мелентьев Г.Б., Короткий В.М. Новая планетарно-симметричная конфигурация Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, фазовая несмесимость вещества и их глобальное ресурсно- экологическое значение. В ж. Экология промышленного производства, вып. 1. М: ФГУП ВИМИ, 2008.С.18 – 34.