О КОРРЕЛЯЦИИ ЗАКОНОВ СИММЕТРИИ И ПЕРИОДИЧНОСТИ В ГРУППОВОЙ КЛАССИФИКАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Работа посвящена актуальной проблеме исследования групповой классификации и периодичности свойств атомов [1,2] с учетом специфики размещения химических элементов в квадратной спиральной матрице 14-го ранга с первым периодом (водород и гелий), охваченным шестью кольцевыми периодами, включающими лантаноиды и актиноиды [3,4]. В статье рассматриваются вопросы, связанные с анализом причин корреляции законов периодичности и некоторых видов симметрии между четно-нечетными группами химических элементов в декартовой системе координат в рамках планетарной модели строения атомов.

Идея разделения элементов на группы и периоды стала фундаментальным принципом при создании периодической системы элементов Д.И. Менделеева (ПСЭ), каждая из 8 групп химических элементов при этом подразделяется на главную (а) и побочную (б) подгруппы, содержащие элементы, обладающие сходными химическими свойствами. Периоды определяют совокупность элементов, начинающихся щелочным металлом и заканчивающихся инертным газом. Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в качестве стандартной предлагает полудлинный вариант таблицы ПСЭ, разбитой на 7 периодов и 18 групп, пронумерованных арабскими цифрами, причем лантаноиды и актиноиды размещаются, как в классической ПСЭ, под основной таблицей. В рамках квантовой модели атома была разработана общая схема формирования электронных конфигураций атомов в ПСЭ при периодическом повторении сходных типов внешних электронных оболочек атомов по мере роста Z, связанная с представлением о квантовых числах (главном, орбитальном, магнитном и спиновом) и с принципом запрета В. Паули, определяющими емкости периодов: 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32.

Как было отмечено [1,2,3] в области классификации химических элементов 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. Из трех этапов эволюции ПСЭ (химический, электронный и ядерный) на сегодняшний день «ядерный» этап наименее изучен. На наш взгляд, именно новая концепция групповой классификации ПСЭ позволяет, на основе теоретико-числовых представлений о симметрии групп элементов, более наглядно отобразить структуру закона периодичности в зависимости от увеличения атомной массы элементов от водорода до элементов седьмого периода.

Для подтверждения особого влияния на периодичность массового фактора укажем на то, что частицы, составляющие атом, принадлежат к разным группам элементарных частиц - ядра состоят из барионов, оболочки атомов – из лептонов, при этом отношение их масс для легчайшего элемента водорода составляет 1840 и резко увеличивается для тяжелых элементов. Электромагнитное взаимодействие достаточно эффективно используется в расчетах структуры электронных конфигураций оболочек атомов. Согласно рассматриваемой концепции сильное взаимодействие ответственно не только за связи между протонами и нейтронами ядер и особую устойчивость атомов, но и за периодическое изменение их свойств в результате изменения массы ядер и спина барионов.

Новая система групповой классификации химических элементов, разработанная в ОИВТ РАН, основана на использовании  планетарной или координатной системы элементов (ПлСЭ). В результате анализа закона периодичности по принципу четно-нечетного распределения массовых характеристик элементов в предложенной системе классификации были выявлены новые виды осевой и зеркальной симметрии между периодами, четно-нечетными группами и подгруппами элементов. Было показано, что конфигурация ПлСЭ в виде ортогональной суперматрицы в декартовых координатах совершенно по- новому раскрывает структуру периодического закона (см. РИС. 1). При этом ПлСЭ сравнительно свободно элиминирует существенные недостатки предыдущих табличных форм представления периодического закона [4].

Особенно заметно влияние массовых характеристик ядер на их устойчивость и периодичность свойств атомов: у четных по Z элементов число стабильных изотопов может достигать 10 у олова, у ксенона – 9 и т.п., тогда как элементы с нечетным Z имеют не более двух стабильных изотопов. Как правило, число нейтронов N в таких ядрах четное, и, следовательно, массовое число А — нечетное. Некоторые химические элементы состоят лишь из одного стабильного изотопа (бериллий, фтор, золото и др.). Широкие вариации в числе стабильных изотопов у различных элементов обусловлены сложной зависимостью энергии связи ядра от числа протонов и нейтронов в ядре. По мере изменения числа нейтронов N в ядре с данным числом протонов Z энергия связи ядра и его устойчивость изменяется, наблюдается дробное значение атомных масс элементов. На рис. 1 наглядно показано распределение в ячейках четных элементов (обозначены красной заливкой ячеек 2, 4, 6, 8 групп) и нечетных элементов (обозначены синей заливкой ячеек 1, 3, 5, 7 групп). Лантаноиды и актиноиды также имеют четно-нечетную градацию.

Таким образом, для стабильных атомов и изотопов характерно то, что их место в ПлСЭ определяется порядковым номером Z, равным числу электронов в оболочке атома или числу протонов, содержащихся в атомном ядре. Ядра элементов имеют различные массовые числа А= Z + N, полное число протонов Z и нейтронов N в ядре определяет массу ядра и по существу массу всего атома и периодические свойства элементов. Изотопы данного химического элемента отличаются друг от друга только числом нейтронов N, количество которых в ядре атома с данным Z может быть различным, но в определенных пределах. Следствием квантово-механического принципа Паули и того, что энергия взаимодействия (рn) в среднем больше, чем (рр) и (nn) является то, что равные числа р и n создают лучшие условия для существования стабильных ядер. Данные соотношения можно проследить и в структуре ПлСЭ. Изучение протон- нейтронной диаграммы ядер [5] приводит к следующим заключениям: известны ядра от Z = 0 до Z = 118 (последние получены искусственно); нет стабильных ядер с Z > 84; известны ядра от А = 1 до А = 263; нет стабильных ядер с А > 210. Свойства и стабильность ядер зависят от четности Z и N. При малых А у ядер число р равно числу n, а с ростом А увеличивается доля нейтронов. Спин ядра определяется количеством (четностью и нечетностью) нуклонов, поэтому ядра могут быть как фермионами, так и бозонами, что можно наблюдать в схеме классификации ПлСЭ.

Свойства адронов и лептонов, как составных частей атомов в квантово-механическом описании зачастую допускают использование формализма материальных волновых функций де Бройля при описании квантовых состояний и ансамблей тождественных частиц. Применение классических и квантовых методов расчета волновых функций многоэлектронных атомов приводит к непреодолимым трудностям при численном моделировании их свойств. В этой связи был предложен [6] альтернативный метод описания свойств произвольной квантовой системы путем представления некоторых характеристических функций в волновом приближении де Бройля, который может способствовать упрощению математического аппарата статистической термодинамики и ее квантовых приложений. Результаты данного исследования позволяют, на наш взгляд, также приблизиться к пониманию закона периодичности и некоторых острых проблем атомной физики.

Ранее [7] в структуре ПлСЭ были выявлены закономерности распределения s, р, d, f – элементов в основном состоянии по группам симметрии в декартовой системе координат, при этом обнаружено шесть видов зеркальной и  осевой  симметрии для четно – нечетных  групп элементов Осевая  симметрия заключается в одинаковом удалении элементов с равным числом электронных оболочек от центра декартовой системы координат по радиальным направлениям вдоль групп элементов по возрастанию их порядкового номера. При этом первый период системы включает два элемента Не и Н, а другие шесть периодов охватывают первый и содержат, как и в классической ПСЭ - 8, 8, 18, 18, 32 и 32 элементов, образуя оболочечную структуру, моделирующую квазипланетарный характер строения электронных оболочек атомов по Н. Бору. Матрица ПлСЭ также характеризуется зеркальной симметрией четно- нечетных главных групп s, р – элементов и четно-нечетных подгрупп d – элементов относительно осей декартовой системы координат. Кроме указанных в ПлСЭ отмечены другие формы симметрии: координатная симметрия дублетов групп, зеркальная симметрия и дополнительная парная симметрия f - элементов, симметрия массивов элементов по квадрантам и др.

Новая классификация элементов демонстрирует поразительную многогранную симметрию в структуре таблицы ПлСЭ при размещении элементов в декартовых или полярных координатах (см. РИС. 2) внутри осесимметричной таблицы с необычным структурным индексом четырнадцатого ранга, для которой в связи с ее уникальными свойствами можно использовать эвристический термин суперматрица, представляющая собой квадратную или полярную таблицу (196 ячеек, 14 столбцов, 14 рядов), образованную спиральным числовым рядом в соответствии с зарядом атомного ядра входящих в нее химических элементов. На рис. 2 показано распределение в ячейках четных элементов (обведены красным кругом в ячейках 2, 4, 6, 8 групп) и нечетных элементов (обведены синим кругом в ячейках 1, 3, 5, 7 групп). Лантаноиды и актиноиды также имеют четно-нечетную градацию.

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 вещественными, в том числе, атомными объектами. Подобно другим типам симметрии, рассматриваемым в физике, суперсимметрия формулируется в терминах некоторой группы принятых в ПлСЭ обобщенных 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.

Структура ПлСЭ представляет собой схему интеграции периодического закона и полуклассической модели атома в варианте унифицированной конфигурации планетарной системы химических элементов и обеспечивает получение важной информации об электронном строении оболочек известных и неоткрытых элементов в соответствии с возрастанием заряда и массы ядер атомов. Наглядно сравнить состав электронных оболочек лантаноидов и актиноидов с другими элементами основных групп существующие периодические системы классификации ПСЭ и ИЮПАК не позволяют. В декартовых координатах при спирально матричном распределении элементов лантаноиды и актиноиды органично вписываются в соответствующие группы шестого и седьмого периодов суперматрицы ПлСЭ. На этом основании они перенесены из дополнения к таблице в её основную часть. При указанном распределении перемещенных лантаноидов и актиноидов в двух подгруппах (между второй – третьей и четвертой-пятой группами) вскрывается их вторичная периодичность, сопровождающаяся известным подобием конфигураций их электронных оболочек.

Прогнозирование в структуре ПлСЭ электронных конфигураций, еще не открытых или не полностью изученных элементов (102 -118), облегчается сравнением индексов электронной конфигурации соседних по подгруппам элементов с известными свойствами и ближайших элементов по периоду. К примеру, для элементов с порядковыми номерами 104 и 111 соответствующие электронные конфигурации, предположительно, будут иметь вид: для  резерфордия  - [Rn] 5 f ¹¹ 6 d ² 7 s ² и  для элемента 111 с учетом его аналога - золота - [Xe] 4 f ¹¹ 5 d ¹º 6 s ¹.

Представляется, что исследование корреляции законов симметрии и периодичности в предложенной классификации химических элементов помогут решить некоторые из упомянутых проблем для создания более совершенной системы знаний о структуре и эволюции вещества. Исследование математических свойств суперматрицы ПлСЭ, на наш взгляд, является одним из направлений возможности строгой формализации периодического закона.

Список литературы

1.        Трифонов Д.Н. О количественной интерпретации периодичности. - М.: Наука, 1971. - 159 с.-   Библиогр.: 140 назв.

2.      Потапов К.И. Спиральные модели периодической системы. - СПб.: Копи-Р Групп, 2011. - 79 с. – Библиогр.: 40 назв.

3.     Короткий В.М., Мелентьев Г.Б. Инновационное значение новой планетарно-симметричной конфигурации Периодической системы элементов и концепции многоуровневой фазовой несмесимости вещества // Междунар. науч. журн. - 2008. - N 3. - С.77-91. - Библиогр.: 25 назв.

4.      Короткий В.М., Дадашев М.Н., Мелентьев Г.Б. Векторно-матричный подход к анализу периодичности химических элементов // Мониторинг. Наука и технологии. - 2015. - N 1(22). - С.70-75.-   Библиогр.: 6 назв.

5.    Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. -М.: Наука, 1972.

6. Короткий В.М. Возможность введения кванта действия в системе определений классической физики и феноменологической термодинамики // Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России: Межотраслевой научно-технический журнал / ФГУП «ВИМИ», 2009. Вып. 1., с. 3- 5.

7.   Короткий В.М., Мелентьев Г.Б. О распределении s, p, d, f - элементов по группам симметрии // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. - 2007. - N 4. - С.75-78. - Библиогр.: 5 назв.