Три проблемы теории периодической системы химических элементов и их общее решение

                                               Периоды элементов носят, таким образом, иной  характер, чем периоды, геометрами  столь просто выражаемые. Это точки, числа, это скачки массы, а не ее непрерывные эволюции. В этих скачках…  должно видеть такую задачу, в которой приложение анализа бесконечно малых непригодно… Только в «теории чисел» есть задачи, напоминающие здесь предстоящую.
                                    Д.И. Менделеев. Фарадеевская лекция. Лондон. 1889 г.


 

     В 1871 г., через два года после открытия периодического закона Д.И. Менделеев  публикует короткопериодную таблицу элементов, которую рассматривает как крупный шаг в дальнейшем развитии учения о периодичности, и до конца жизни считает ее наиболее совершенной формой отображения закона. Эту таблицу он использует для предсказания свойств неоткрытых элементов, именно она увековечена на стене менделеевского мемориала в С-Петербурге. Впоследствии, когда выявилась колоссальная содержательность периодического закона, было много сказано о “потрясающей интуиции Менделеева”.  Однако в ХХ в. “короткая” периодичность оказалась почти единственным крупным обобщением в химии и атомной физике, перед которым квантовая механика отступила, так и не найдя ей объяснения. Отступление выразилось и в том, что сегодня практически весь мир отдает предпочтение длиннопериодной таблице, - обычно в ее “лестничной” форме, предложенной Н. Бором, имеющей прочное обоснование в виде системы электронных оболочек. Само существование “короткой” периодичности ставится под сомнение. В 1989 г. Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) официально рекомендовал отказаться от “коротких” периодов.    

    Однако и “длинная” периодичность, при всех откровениях, которые она в себе несет, остается еще одной большой загадкой для теории. Так, водородоподобная схема заполнения электронных оболочек - теоретически не обоснованная, но хорошо "работающая" эмпирическая закономерность (теория многоэлектронных атомов все еще не создана) - предсказывает последовательность чисел элементов в периодах 2, 8, 18, 32, 50, (2n2), тогда как реальная периодичность оказывается иной – 2, 8, 8, 18, 18, 32, (32). Материальная причина систематического удвоения оболочек и периодов каждого нового типа после первой, 2-электронной оболочки (2-элементного периода) остается неизвестной. Оценивая ситуацию в целом, можно констатировать, что периодическая система элементов не вмещается в рамки, очерченные «классической» квантовой механикой. Настоящая статья посвящена обсуждению природы “избыточной”  периодичности в свойствах элементов, и "длинная" химическая периодичность дает на этот счет вполне определенную "подсказку": за периодами должны скрываться материальные структуры. В частности, если "короткие" периоды существуют, но при этом отсутствуют их корреляции с электронными оболочками, не остается ничего иного, как искать причину существования "коротких" периодов в ядерной структуре атомов. Поэтому вынесенные в эпиграф статьи слова Д. И. Менделеева представляют огромный интерес и, как ни странно, "новизну".

    Они были произнесены в Королевском обществе Великобритании  через 20 лет после открытия закона, после триумфального открытия элементов, свойства которых поразительно точно совпали с предсказаниями автора периодического закона. Имея возможность в Лондоне быть лучше услышанным научным сообществом, Д. И. Менделеев впервые излагает там неожиданные выводы: “Периоды элементов… это точки, числа, это скачки массы, а не ее непрерывные эволюции. … Только в «теории чисел» есть задачи, напоминающие здесь предстоящую”. - Развивая свой основополагающий тезис, о свойствах элементов как периодической функции атомного веса, он делает новый акцент: периоды - это скачки массы, числа. Надо ли говорить, насколько эти выводы, больше похожие на новые предсказания, касающиеся уже не элементов, а периодов, далеки от того, что сегодня, через полтора столетия после открытия закона (после “революции в физике”) положено в обоснование и объяснение закона, так и не объяснив его природу. Эти предсказания не были услышаны и остались "за бортом" современного естествознания. Трудно поверить, но приведенное выше высказывание Д.И. Менделеева еще никто не комментировал и не цитировал.

     Ниже изложены доказательства того, что “потрясающая интуиция” Д. И. Менделеева не подвела: свойства элементов действительно являются периодической функцией атомного веса и одновременно периодической функцией атомного заряда, так как, образуя два подобных ряда, - весовой и зарядовый - химические элементы порождают  на весовой и на зарядовой основе  две физически очень разные, но согласованные, гармонически сосуществующие периодичности, - “короткую” и "длинную". За "короткими" периодами скрываются и их существование определяют “скачки массы” - давно  разыскиваемые материальные носители "короткой" периодичности в виде 21-нуклонных кластеров, вместе с сопутствующей им регулярной 21-нуклонной ядерной периодичностью подобной “короткой” химической. Эта периодичность предсказана и открыта [1-3] примерно полвека назад под влиянием С. А. Щукарева, в то время заведовавшего Менделеевской кафедрой Ленинградского университета, при использовании элементов «теории чисел».  Ход рассуждений выглядел следующим образом.

 

     Величинами своих электрических зарядов и массовых чисел (барионных зарядов) атомы образуют два достаточно протяженных ряда целых натуральных чисел: 1, 2, 3, … 100… Сходство этих материализованных "чисел" с числами натурального ряда оказывается глубоким, т.к. основывается, c одной стороны, на принципиальной неразличимости одноименных микрочастиц (базовый принцип квантовой механики), а с другой – на неразличимости нейтрона n и протона p в ядерном взаимодействии. Эта простейшая и предельно естественная математическая модель системы элементов приводит к простейшему и естественному выводу: в  системе элементов и атомных ядер могут существовать закономерности, присущие натуральному ряду чисел, не принимавшиеся ранее в расчетТакая закономерность обнаружена в свойствах рядов короткопериодной таблицы элементов, явившись отправной точкой для ряда обобщений и предсказаний как на атомном, так и на ядерном уровне [1-3]. Приступая к обсуждению и истолкованию этой закономерности, примем  во внимание тот факт, что применение в физике микромира понятий (элементов) теории чисел не имеет прецедентов в истории естествознания  (теорию чисел,  как и полтора века назад, обычно приводят в пример, как раздел математики, который никогда не имел прикладного значения). 

    Обратимся к таблице элементов, представленной ниже. Как видим, номера типических рядов таблицы являются простыми числами (1, 2, 3, 5, 7, 11), а номера переходных рядов (4, 6, 8, 9, 10, 12) являются числами составными. Оговорим особенности таблицы, связанные с размещением в ней лантанидов. Лантаниды – переходные элементы, и образование за их счет именно двух переходных рядов является единственным условием, необходимым для выполнения числовой закономерности (обычно они "выпадают" из ряда, числовая же закономерность нуждается в их наличии внутри общего ряда, внутри таблицы). Относительно размещения этих элементов в группах таблицы заметим коротко, что данное решение основано на учете проявляемой лантанидами внутренней периодичности, что позволяет поделить их на две семерки аналогов. При этом Ce, Pr и Tb попадают в IV и V группы в согласии с их высшими валентными состояниями и др. свойствами, а часть лантанидов уподобляется элементам "триад" (группе железа), что также достаточно оправдано.

      Допустим теперь, что числовая закономерность в рядах таблицы существует не как случайное совпадение. Тогда приходим к следующему принципиальному выводу: за номером ряда короткопериодной таблицы элементов скрывается соответствующее число неразличимо одинаковых материальных единиц. Вывод предельно жесткий. Но в истории периодического закона уже имеется похожий прецедент – за порядковыми номерами элементов когда-то скрывались соответствующие числа неразличимо одинаковых электрических зарядов. Кроме того, поскольку и в основу распределения элементов по группам короткопериодной таблицы также положен числовой принцип - величина высшей валентности элемента, - наличие единиц означало бы универсальность числового принципа в построении таблицы элементов, что само по себе является доводом в пользу существования таких единиц.

    Прежде, чем мы перейдем к обсуждению природы "одинаковых единиц", следует заметить, что короткопериодная таблица помимо общеизвестной химической аргументации имеет под собой и физическую подоплеку, которую так же трудно отмести, как химическую. Дело в том, что с ее строением четко коррелируют магнитные свойства простых веществ, - магнитная восприимчивость у типических и переходных элементов имеет противоположные знаки: почти все типические элементы являются диамагнетиками, а переходные парамагнитны или ферромагнитны. (На этом фоне ферромагнетизм всех элементов группы железа и части лантанидов подчеркивает правомерность уподобления этих "проблемных" элементов). Эта закономерность имеет особую значимость, т.к. история естествознания свидетельствует, что магнитные свойства вещества относятся к числу наиболее структурочувствительных. Основываясь только на ней одной, можно полагать, что за "короткими" периодами действительно скрываются внутриатомные структуры неразгаданной природы, как за "длинными" периодами скрывались электронные оболочки. Кроме того, она подчеркивает наличие именно двух типов периодов (+ и -).  И даже немногочисленные нарушения этой закономерности, располагаясь на стыках "коротких" периодов, "маркируют" стыки, подчеркивая своим существованием наличие в этих местах невидимых границ (аномалии - частый спутник или признак пограничных областей).

    Вернемся к числовой закономерности. Можно допустить, что "одинаковые единицы" имеют сложную (составную) природу, однако сразу приходится отказаться от предположения, что они представляют собой равночисленные группировки электронов, - уже потому, что число элементов в "коротких" периодах непостоянно. К тому же, такие образования не могли бы остаться незамеченными. И последний аргумент, который можно было бы поставить на первое место: соседство ансамбля электронов с заряженным ядром несовместимо с числовой моделью, зачеркивает ее. Т.о. попытка интерпретации "коротких" периодов на электронной основе, как и раньше, заводит в тупик.

    Если принять во внимание неразличимость нейтронов и протонов в ядерном взаимодействии, то на роль "одинаковых единиц" в ядре могут претендовать равночисленные группировки нуклонов (кластеры), в которых соотношение протонов и нейтронов в ходе застройки меняется. В 1970 г. не сложно было вычислить и величину кластера: поскольку число "коротких" периодов в таблице равно 13, а наиболее тяжелые изотопы имели массовые числа несколько более 260, получается, что кластер скорее всего содержит 21 нуклон. (Обсуждение современного состояния вопроса о конце системы элементов отложим, ниже будет видно почему.) При этом заметим, ядро не дает оснований для каких-либо иных трактовок природы "одинаковых единиц". В результате (следуя снова за Д. И. Менделеевым, который считал, что свойства элементов являются периодической функцией атомного веса), приходим к двум фундаментальным выводам:

  1. должна существовать регулярная 21-нуклонная ядерная периодичность, которая подобна "короткой" химической периодичности хотя бы по числу периодов;
  2. существование 21-нуклонных кластеров в ядре через неизвестный механизм оказывает влияние на химические свойства элементов, причем наравне с влиянием электронных оболочек.

    Такой универсальный ядерный феномен, как 21-нуклонная кластеризация, должен обнаруживать себя в различных ядерных реакциях. На рис. 1 дана сводная зависимость полных энергий   альфа-распада изотопов тяжелых элементов от их массового числа А, которая включает в себя почти все известные альфа-излучатели. Как видим, изотопные кривые элементов в областях А=210 и А=252 испытывают своего рода инверсию, а в области А=231 энергия распада имеет четкий минимум. Т.е. 9-я, 10-я и 11-я границы ядерных периодов обнаруживают себя в альфа-распаде тяжелых элементов точно на предсказанных местах, подтверждая универсальность явления 21-нуклонной кластеризации атомных ядер в целом. 

Рис. 1   Зависимость полной энергии альфа-распада тяжелых ядер (в Мэв) от массового числа А.

    Повторение инверсий в зонах завершения застройки четного числа кластеров (10 и 12) указывает на спаривание кластеров, что логично для "частиц" нечетного типа. Рис. 1 свидетельствует также о периодическом изменении высоты кулоновского барьера ядер. Масштаб  этих изменений, как видим, значительно превосходит масштаб оболочечных эффектов в ядре (порядка 1 Мэв), с которыми в свое время было связано столько надежд понять строение ядра и природу ядерных сил.

    Столь же непринужденно с 21-нуклонной кластеризацией согласуются особенности реакции деления ядер. Исторически первым было обнаружено асимметричное деление, не вписавшееся в капельную модель ядра (она предсказывала возможность деления) по двум основным параметрам: вместо узкого симметричного пика массовое распределение осколков деления оказалось двугорбым и весьма широким. При этом, еще в 1957 г., нобелевский лауреат по физике И.М. Франк подчеркнул "особенность наблюдаемой асимметрии: выход осколков сравнительно мало меняется в пределах изменения массы осколка примерно на 20 единиц массы (он меняется в пределах от нескольких процентов до долей процента). Однако вне этих пределов величина выхода меняется весьма резко... Таким образом, механизм деления допускает многозначность масс, но эта многозначность заключена в строго ограниченных пределах" [4]. Эта особенность не получила объяснения до сих пор. Со временем также выяснилось, что некоторые тяжелые ядра делятся строго симметрично, что еще больше запутало теоретиков. Представление о 21-нуклонной кластеризации "одним махом" разрубает все имеющиеся здесь противоречия: ядра, состоящие из четного числа кластеров, должны делиться и делятся симметрично, а состоящие из нечетного числа кластеров - наиболее асимметричноЭто представление подтверждается количественно: примерами ярко выраженного симметричного деления являются спонтанное деление Cf252  (ровно 12 кластеров) и вынужденное деление At210  (ровно 10 кластеров), а наиболее асимметричное деление демонстрирует Th232.

    Здесь пришло время напомнить о третьем виде периодичности в свойствах элементов, который был подмечен еще современниками Д.И. Менделеева, но остался почти неизвестным научной общественности. И. Ридберг [5] и А.И. Базаров [6] одновременно обратили внимание на то, что элементы, если нанести их атомные веса на массовую ось, образуют на ней периодические сгущения и разрежения (Д.И. Менделеев отметил эти работы в "Основах химии".) В начале ХХ в. С.А. Щукарев, основываясь на более точных определениях атомных весов, обратил внимание на сходство этой периодичности с химической периодичностью. Полемизируя с Н. Бором, который только что опубликовал свою "лестничную" форму длиннопериодной таблицы и ее электронное обоснование, С.А. Щукарев писал: "Можно стать на ту точку зрения, что периодичность есть свойство заложенное в самом ядре" [7]. Впоследствии он много лет пытался привлечь внимание физиков к этому явлению, не лезущему ни в какие теоретические "ворота". Периодичность С.А. Щукарев иллюстрировал посредством функции А – 2Z= f(Z), где А – атомный вес элементов, а Z – заряд [8].

    Воспользуемся несколько иной зависимостью, а именно А – 2Z = f(A), т.е. зависимостью, на координатных осях которой по существу отложены квантовые числа формализма изобарического спина, описывающего ядерное взаимодействие нуклонов (его основа - неразличимость n и p), взятые в виде величин средневзвешенных по естественной смеси изотопов элемента. Если на нее нанести сетку изобар кратных 21–му, то становится очевидным, что под периодичностью атомных весов скрывалась регулярная ядерная периодичность, которая подобна "короткой" химической периодичности и по числу периодов и по порядку чередования двух типов периодов (рис. 2). В самом деле, линии изобар делят эту зависимость на ряд довольно прямолинейных отрезков, одни из которых в целом горизонтальны, а другие наклонены к массовой оси под одним и тем же углом. При этом чередование "горизонтальных" и "наклонных" периодов-отрезков совпадает с чередованием типических и переходных рядов таблицы элементов, т.е. соответствует числовой закономерности. Горизонтальные отрезки являются зонами сгущения элементов на оси масс, а наклонные – зонами разрежения. Число элементов в ядерных периодах, как и в "коротких" химических, достигает 10-ти.

Рис. 2  Зависимость средневзвешенных изотопических чисел элементов A-2Z от их атомного веса А .

    Отклонения от прямолинейности в ряде случаев довольно велики, однако при их ближайшем рассмотрении можно заметить, что почти все они носят систематический характер, будучи связаны с "магическими числами" нейтронов и протонов (места замыкания ядерных оболочек). С такими отклонениями связаны, в частности, все классические аномалии атомного веса (Ar – K, Co –Ni, Te – I ), что позволяет считать другие отклонения такого рода аномалиями, имеющими вторичное происхождение. Яркий пример в этом смысле представляет собою аномалия Ar - K, вызванная, как известно, распадом K40. Одним из механизмов вторичного перераспределения масс земного вещества между элементами является и спонтанное деление тяжелых ядер, с которым можно связать ряд искажений прямолинейности функции A - 2Z = f (A) в 5-ом и 7-ом ядерных периодах, поскольку двугорбая кривая массового распределения осколков деления сходна для многих делящихся ядер. В частности, многие цепочки радиоактивного распада тяжелых осколков деления заканчиваются на Ba и La, обогащая  их тяжелыми изотопами, что существенно завышает их атомный вес. В то же время легкие осколки деления обеднены нейтронами, что занижает атомные веса ряда элементов в 5-ом ядерном периоде. В этой же связи важно отметить деталь на рис. 1: изотопные кривые Bi, Po и At, расположенные в области инверсии А=210, имеют два максимума устойчивости по сторонам границы 10-го и 11-го ядерных периодов. Если за атомный вес этих элементов  принять массовые числа ядер, расположенных во втором максимуме устойчивости (Bi214, Po218 , At219), а не в первом, то огромный провал в 11-ом ядерном периоде равномерно заполняется и 11-й отрезок, выпрямляясь, в целом становится горизонтальным (на рис. 2 нанесено пунктиром).

    Если раньше сохранялись иллюзии найти со временем электронное объяснение "коротким" периодам, то данный феномен возвращает нас к менделеевской трактовке природы "коротких" периодов как "скачков массы" и "чисел". Но какие рациональные основания для всех этих провидений  были тогда?

    По свидетельствам друзей Д.И. Менделеева, он был сторонником гипотезы английского врача Проута о происхождении всех элементов из самого легкого элемента – водорода (1816 г.), справедливость которой впоследствии блестяще подтвердилась. Кроме философских соображений в ее основе лежала кратность атомных весов многих легких элементов, а также ряда более тяжелых, атомному весу водорода, подтверждаемая в ходе научно-технического прогресса все более точными анализами. Т.е. с течением времени сам весовой ряд элементов во многих своих звеньях (но далеко не во всех) представал как единая и регулярная первичная периодичность с множеством пропусков, которые постепенно заполняются и, не исключено, будут заполнены целиком, что и подтвердилось впоследствии, с открытием изотопов. Д.И. Менделеев, разумеется, отчетливо осознавал эту тенденцию, и ссылка на теорию чисел в  докладе, произнесенном на родине Проута и Дальтона очень естественна (закон кратных отношений в химии, - 1803 г, явившийся и предпосылкой гипотезы Проута и предпосылкой самой периодической системы в виде представления о последовательности высших валентных состояний элементов в рядах таблицы, как чисел натурального ряда 1,2,3, ... 8). Стоит также отметить, что к этому времени больших успехов в молекулярной физике достигла статистическая механика, имеющая дело с поведением больших ансамблей неразличимо-одинаковых телец (“чисел”) – огромного массива явлений ближайшего надатомного масштабного уровня.

   С другой стороны, строение  “короткой” периодичности давало откровенный намек на ее скрытую регулярность, поэтому “короткую” химическую периодичность в весовом ряду элементов естественно было воспринимать тоже как систему регулярных  “скачков массы”, но более высокого порядка, а ввиду кратности "длинных" периодов  - и как первичную по отношению к "длинной". Отсюда - общее восприятие периодов как "чисел". При нацеленности на “теорию чисел” в объяснении периодичности  Д.И. Менделеев, видимо, заметил и числовую закономерность в свойствах “коротких” периодов. На это указывает, в частности, тот факт, что "длинный" период, включающий в себя лантаниды, он называл "четверным". Не случайно, спустя еще 10 лет, в крошечной статье о периодическом законе для энциклопедии Брокгауза и Ефрона он счел необходимым вернуться к “теории чисел” , что говорит особенно много об итоговом восприятии Д.И. Менделеевым сути периодического закона.

   Таким образом, три по достоинству не оцененных обобщения Д.И. Менделеева – короткопериодная таблица элементов, свойства элементов как периодическая функция атомного веса и теория чисел как инструмент осмысления периодичности – гармонично соединились, обнажив несомненное наличие ядерной подоплеки химической периодичности, наряду с электронной. Это обстоятельство радикально меняет ситуацию и, с одной стороны, объясняет, наконец, столь затянувшееся отсутствие прогресса в этой области естествознания, а с другой означает вызов современной теоретической физике, - и атомной и ядерной одновременно, который предполагает радикальный выход за рамки "классической" квантовой механики. - Объяснение того, как регулярные "скачки массы" ядра влияют на химические свойства элементов, не может быть ординарным. Существующая теория строения атомов исходит из того, что величина заряда ядра полностью определяет строение электронных оболочек, и структура ядра, какой бы она ни была, не оказывает никакого влияния на поведение валентных электронов. Попытаемся поискать хотя бы общее направление выхода.

     Эта периодичность означает чередование двух простых алгоритмов застройки кластеров: в "простых" периодах (горизонтального типа на рис.2) прирост нейтронов равен приросту протонов, а в периодах наклонного типа прирост нейтронов вдвое превышает прирост протонов, что особенно хорошо видно на подобной зависимости, построенной для индивидуальных стабильных изотопов [2]. Говоря иначе, протоны в периодах первого типа оказываются “одновалентными” по отношению к нейтронам, а в периодах второго типа  “двухвалентными ", что, при всей своей неожиданности (два вида протонов в ядре, или два вида нейтронов?), хорошо сочетается с подмеченным Д.И. Менделеевым общим числовым мотивом Системы элементов и несомненно несет в себе какое-то неординарное содержание, которое еще предстоит расшифровать.  

   Обратимся к распределению бета-стабильных изотопов по 10-ти первым ядерным периодам.

       Номер периода:     I        II      III      IV     V      VI     VII    VIII     IX      X       

      Число изотопов:    21      23      25     27     28     30     28     27     24     23

     Распределение оказывается почти  зеркально-симметричным относительно Vl периода (до полной симметрии недостает только одного изотопа в lX периоде). Это распределение примечательно и тем, что из всех имеющихся здесь элементов бета-стабильных  изотопов не имеют  Tc и Pm, расположенные в V и  Vll периодах соответственно. Эти две  симметрично расположенные аномалии разрушают другую отчетливую упорядоченность: регулярное изменение числа изотопов от периода к периоду на 2 единицы. Т.е. V  и  Vll периоды "должны были" иметь по 29 бета-стабильных изотопов, но "не досчитались" по одному изотопу из-за нестабильности Tc и Pm.

     Приведенные материалы позволяют перейти от вопроса о существовании 21-нуклонных кластеров к вопросу о причинах "избранности" кластеров именно этой величины. В этой связи обращает на себя внимание фундаментальное свойство ядерных сил - их насыщенный характер. Т.е. нуклон в достаточно большом ядре имеет связи не со всеми остальными нуклонами, а с ограниченным их числом. Насыщение достигается именно в районе А~20. - Кластеризация выглядит результатом насыщения, его "оборотной" стороной, формой его реализации.

    Общий числовой мотив в Системе элементов и числовой принцип в построении таблицы элементов, отражающий этот мотив, очевидно, давно уже не несут в себе принципиальной новизны, однако деление сложных микрообъектов на "простые" и "составные" по аналогии с числами натурального ряда содержит в себе принципиальную новизну, и этот момент требует осмысления. Физический смысл такого разделения можно выразить одним не новым словом: СИММЕТРИЯ. - Составные "числа", состоя, как и простые, из неразличимо-одинаковых единиц, содержат соразмерные части, а простые асимметричны, не содержат, что  порождает  систематические различия в поведении таких образований.

    Поскольку в атомах кроме ядер и электронов ничего другого не найдено, 21-нуклонную  периодичность просто по факту ее наличия естественно  рассматривать как причину существования подобной ей химической периодичности, так и не получившей никакого объяснения с 1871 г. Но кроме того, поскольку различия между нейтроном и протоном сводятся к различию их электромагнитных характеристик,  периодическое изменение "валентности" протонов по отношению к нейтронам означает периодическое изменение электромагнитной структуры атомных ядер, подобное "короткой" химической периодичности. Более того, сопоставление рис. 2 с зависимостью рассчитанных для природных смесей изотопов химических элементов средних энергий ядерной связи на один нуклон (ср.Есв.), , от атомного веса (А) элементов -  ср.Есв.= f(A)  - показывает [1], что на этой очень гладкой зависимости нет никаких признаков 21-нуклонной периодичности. Этот замечательный факт имеет, видимо, очень простой физический смысл: 21-нуклонная кластеризация ядер есть чисто электромагнитный феномен, роль которого внутри ядра быстро усиливается с ростом Z, и он особенно ярко проявляется в тяжелых ядрах (альфа-распад, деление). Это выглядит тем более правдоподобно, что 21-частичная кластеризация существует, видимо, и у электронов [3]. Приведенное выше распределение бета-стабильных изотопов по ядерным периодам тоже указывает на электромагнитную природу 21-нуклонной кластеризации.

     Казалось бы, очевидно, что в совокупности все это - именно та почва, из которой может произрасти и произрастает влияние найденных нами ядерных электромагнитных структур на химические свойства атомов. Но есть еще одна проблема: найденная  “почва”, хотя и “правильная” в качественном отношении, электромагнитная, крайне скудна - трудно себе представить каким образом ничтожные в энергетическом плане изменения электромагнитной структуры ядер могут существенно влиять на химическое поведение атомов. 

    Переходим в связи с этим к обсуждению второго базового предсказания -  о наличии неизвестного механизма влияния  кластерной структуры ядра на химические свойства элементов, порождающего "короткие" химические периоды. Для этого уточним понимание того, что собою представляют "неразличимо одинаковые единицы", скрывающиеся за "короткими" периодами. Если принять, что таковыми являются одинаковые по числу нуклонов, но различающиеся по соотношению протонов и нейтронов кластеры вместе с дополняющими их до электронейтрального состояния электронами (в “числовой” логике такое представление напрашивается, но физически механизм достройки нуклонных кластеров электронами совершенно непонятен), то неразличимость таких образований, которая в идеале должна быть абсолютной, будет выполняться уже "с точностью до нейтрино"  (p+e~n), задавая т.о. величину "коротких" химических периодов. И дело не сводится к компенсации электрических зарядов и небольшой разницы в массах p и n (помня при этом о "дефекте массы" ядер). Числовая  закономерность  в  свойствах  периодов  заставляет  сделать  вывод  о  периодическом образовании не только неразличимо-одинаковых, но одновременно и замкнутых структур.  Ярким подтверждением этой замкнутости является не имеющая сейчас никакого внятного объяснения химическая инертность триад благородных металлов, располагающихся в необычно большой 8-ой группе таблицы, мало отличающаяся от химической инертности благородных газов. "Числовая" логика т.о. указывает на систему одинаковых "субатомов" внутри атома – принципиально новое представление о внутреннем устройстве средних и тяжелых атомовПериодичность в свойствах элементов оказывается т.о. сложением (гармоническим сосуществованием) двух электромагнитных периодичностей – ядерно-электронной (короткопериодной) и электронной  (длиннопериодной). Двойственную, ядерно-электронную природу химической периодичности долго скрывала согласованность двух периодичностей (кратность "длинных" периодов), как и согласованность весового и зарядового рядов элементов. Общепризнанная электромагнитная структура атомов  "ядерный заряд - электронные оболочки", видимо,  постоянно "осциллирует", то распадаясь на систему одинаковых электромагнитных кластеров, то возникая вновь как единое целое.

     О ядерной подоплеке "короткой" периодичности и о наличии неизвестного мощного взаимодействия атомных электронов с ядром, не учитываемого квантовой механикой, прямо говорит загадочная “ядерно-химическая” симметрия в короткопериодной таблице элементов. Обратимся к таблице, к ее стабильной части. Стабильная часть системы элементов компактна и заканчивается на Pb208, далее идет "почти стабильный" изотоп Bi209. Т.е. стабильная часть системы элементов имеет резкую границу, и эта граница довольно четко совпадает с  достройкой 10-го 21-нуклонного кластера (А=210). Ядерные периоды содержат до 10-ти элементов. При этом в стабильной части короткопериодной таблицы химических элементов обнаруживается своеобразная симметрия:  ряд таблицы содержит до 10-ти стабильных элементов, причем имеется только один ряд, где стабильны все 10 элементов, 4-й; группа таблицы тоже содержит до 10-ти стабильных элементов и имеется только одна такая группа, 4-я; элемент имеет до 10-ти стабильных изотопов и единственный элемент с 10-ю стабильными изотопами расположен в 4-ой группе, это Sn; стабильные изотопы имеют ядерный спин, принимающий 10 значений - от 0 до 9/2, но высшее значение 9/2 имеет только один изотоп - Hf179, стоящий в 4-ой группе 10-го ряда. 

    Такое количество таких совпадений не может быть случайным, поэтому делаем вывод: наряду с пребыванием в электронных оболочках, электроны действительно встроены и в электромагнитную структуру ядерных кластеров, являются в каком-то смысле их неотъемлемой, «влиятельной» частью и продолжением, что порождает кластеризацию замкнутых на ядерный кластер электронов, не учитываемую существующей теорией. Эти глубинные, и потому малозаметные электронные структуры, еще не обнаружены в прямых экспериментах (атомная спектроскопия, например, должна бы указывать на их существование, но, имея нерешенные теорией проблемы, пока что не указывает). Однако косвенно эти  структуры четко проявляют себя в магнитных свойствах атомов, в "беспричинной" инертности металлов 8-ой группы и в существовании особых, ненаправленных (не ковалентных) химических связей – координационных, которые Д.И. Менделеев называл «остаточным сродством», подчеркивая тем самым и их меньшую в сравнении с ковалентными связями значимость и непохожесть, естественную при глубинной (опосредованной) природе. Т.е. двум сосуществующим в единой Системе элементов и очень разным по своей физической природе химическим периодичностям, - одна из которых менее ярко выражена и оказалась «в тени» другой, - сопутствуют две валентные зоны в электронной структуре многоэлектронных атомов (глубинная и наружная) и два очень отличающихся вида химической связи. Ясное осознание этого фундаментального обстоятельства, надо полагать, снимет с химии многие имеющиеся «покровы».

     Второй вывод – таблица элементов "правильная" и в ней могут таиться другие "совпадения", несущие новые откровения.

     Третий вывод состоит в том, что ядерные и электронные структуры хорошо подогнаны друг к другу, атомный вес и распространенность элементов через стабильность изотопов определяются не только ядерными структурами, но и электронными. Это явление, столь же "немыслимое", как и влияние ядерных электромагнитных структур на химические свойства атомов, говорит о сопутствующем встраиванию электронов в кластеры необычно сильном электромагнитном взаимодействии ядер и электронов в глубинах атомов, малозаметном извне, которое, видимо, сопровождается "немыслимой" внутренней трансформацией электронов. (Это обсуждается ниже в статье “Периодическая система элементов – ключ к атомоподобной структуре нуклонов и других частиц”). Вызывает удивление, что эта мощная "аномалия", периодически меняющая свою интенсивность по мере роста Z, не замечена в экспериментах по рассеянию энергичных электронов на ядрах со сформированной кластерной структурой.

 

    На время отстранимся от "коротких" периодов и перейдем к проблеме удвоения "длинных" периодов. Если реальную последовательность заполнения электронных оболочек атомов представить в виде последовательности подоболочек, то можно заметить, что структурно эта система оказывается полностью удвоенной, тогда как границы энергетических оболочек (обозначены сплошными линиями) сдвинуты на две единицы заряда назад по отношению к границам структурных оболочек (обозначены пунктиром):

 

Т.е. если отказаться от энергетического критерия завершенности оболочек и взять за основу симметрию электронных структур (ее завершенность), то система оболочек и подоболочек приобретает простой и стройный вид. – Наблюдается не только полное удвоение, но и последовательность заполнения подоболочек в таких оболочках оказывается строго обратной нормальной последовательности, причем обратный порядок заполнения обусловлен тем, что удвоение носит характер зеркальной симметрии. Это хорошо видно на электронной структуре s2 – элементов, замыкающих структурные оболочки:

Глубинная часть электронных структур имеет нормальный порядок оболочек и подоболочек, а наружная - обратный. Это явление  трудно назвать малозаметным и малозначительным, но оно фактически замалчивается. Аппарат квантовой механики объяснения ему не дает.

    Судя по всему, перед нами скрытая, спонтанно нарушенная симметрия, - т.е. сохраняющаяся  в структурном отношении, но нарушенная в энергетическом. Поскольку спонтанное нарушение симметрии, согласно  теории, возможно только при наличии вырожденных состояний, с необходимостью приходим к цепочке ошеломляющих выводов, и первый из них состоит в том, что в атомах существует не один, а два вида электронов, которые являются зеркальными антиподами (“левые” и “правые”). - Обнаруживается еще один, недостающий материальный носитель периодичности. Такой вывод, как показали специальные исследования проблемы тождественности фундаментальных частиц, не вступает в противоречие ни с какими экспериментальными данными при условии достаточно малого различия в массах [9]. Учитывая, что в теории электрослабого взаимодействия электрон образует изоспиновый дублет с нейтрино, приходим также к выводу, что зеркальность электронов обусловлена их  противоположной внутренней  четностью. Т.е. электроны, считающиеся точечными, бесструктурными объектами, на самом деле имеют внутреннюю динамическую структуру, поэтому второй электрон имеет внутриструктурный орбитальный момент, в связи с чем является нестабильной частицей (распадается с несохранением четности), которая в связанном состоянии м.б. стабильной. Квантово-механическое описание строения атомов следует т.о. дополнить 5-м квантовым числом электрона - его внутренней четностью. (Когда-то Луи Пастер, обнаружив левосторонние и правосторонние кристаллы винной кислоты, догадался, что зеркальными антиподами бывают молекулы. Это привело в дальнейшем к обнаружению оптической асимметрии живого вещества, природа которой не разгадана до сих пор. Поскольку живое вещество почти целиком состоит из легких элементов H, C, N, O, P, S, практически все их электроны, получается, относятся к одному, стабильному виду. Поэтому оптическая асимметрия живого вещества, скорее всего, коренится именно в "односторонности" и стабильности  его электронов.)

    Вернемся к 21 – нуклонным кластерам, скрывающимся за 13 – ю "короткими" периодами. Если учесть короткодействующий характер ядерных сил, жесткость нуклонов, пропорциональность объема ядра числу нуклонов и др., то с квазиклассических позиций 13 кластеров – это плотнейшая упаковка 12- ти одинаковых сфер вокруг 13 – й такой же. Завершение системы элементов 13 – м периодом выглядит в связи с этим как завершение застройки энергетически наиболее совершенной конструкции, дальнейшая надстройка которой невозможна по причине возникающей рыхлости, неустойчивости. Это предположение имеет замечательное подтверждение. Так, согласно числовой закономерности, 12 – й ряд таблицы должен быть d – переходным и по аналогии с другими рядами должен состоять из 10 – ти элементов, а 13 – й, последний ряд должен быть типическим и состоять из 8 – ми элементов. Тогда последний элемент "идеальной" периодической системы имеет Z = 104, а наибольшее массовое число равно 273. – К моменту предполагаемого завершения периодической системы "одинаковые единицы" оказываются... совершенно одинаковыми: 273 = 13 (8p + 13n) . При этом внутри 21 – нуклонных кластеров обнаруживаем плотнейшие упаковки из 13 –ти нейтронов, что проливает новый свет на причины "избранности" именно 21-нуклонных кластеров. Такая структура кластеров определяет число групп в короткопериодной таблице и значение высшей валентности химических элементов - 8.

    Эта совершенная ядерная постройка, как и числовая закономерность, противоречит, однако, зеркальному удвоению электронных оболочек, которое требует, чтобы элементы 12 – го и 13 – го рядов короткопериодной таблицы соответствовали актиноидной схеме. И природа явно пошла на компромисс. Свойства химических элементов 12 – го и начала 13 – го рядов, в настоящее время достаточно хорошо изученные, являются промежуточными между f - и d – элементами, хотя и ближе к d – элементам. Соотношения нейтронов и протонов у элементов 12 – го и начала 13 – го ядерных периодов находятся в согласии с числовой закономерностью (рис. 2). Но затем ядерные характеристики тяжелых элементов становятся совершенно необычными: у наиболее устойчивых изотопов этих элементов идет линейное падение величины А – 2Z , т.к. от Fm257 до Hs265 масса растет только за счет протонов (“валентность” протонов по отношению к нейтронам равна нулю). Это явление можно объяснить тем, что завершение застройки 13 – кластерной структуры в связи с ее энергетической выгодностью (высочайшей пространственной симметрией) и короткодействующим характером ядерных сил, чувствительных к плотности упаковки частиц, сопровождается ростом энергии связи нуклонов, - эффектом сходным с замыканием оболочек, но более мощным и более плавно нарастающим. Рост энергии связи природа уравновешивает ускоренным ростом кулоновского потенциала ядра, что объясняет изобилие "сверхштатных" (Z > 104) элементов. Протоны в ядре находятся т.о. в трех "валентных" состояниях по отношению к нейтронам: 0, 1 и 2. Феномен "валентности", эмпирически очевидный, не вписывается в доминирующее сейчас представление о сильных взаимодействиях, но согласуется с представлением об атомоподобности нуклонов.

     Подведем общий итог. С тех пор, как Нильс Бор доказал, что таблица элементов отражает строение атомов, и "длинные" периоды являются отражением существования в атомах системы электронных оболочек, описываемых посредством квантовых чисел, Периодическая система элементов превратилась в мощный инструмент познания строения материи. Рассматривая "короткие" химические периоды как регулярные "скачки массы", как числа, оказавшиеся в итоге отражением 21-нуклонной кластеризации атомного ядра, Дмитрий Иванович Менделеев предвидел эту эволюцию еще в ХIХ веке. Проведенный выше анализ подтверждает справедливость этого общего  вывода на трех структурных уровнях - атомном, ядерном и на уровне фундаментальных частиц. Но современная официальная наука игнорирует или прямо отрицает "короткую" менделеевскую периодичность и стоящие за нею регулярные "скачки массы", не видит в атомах "левых" и "правых" электронов, определяющих удвоение "длинных" периодов.

     Неужели в Российской академии наук в год 150-летия Периодического закона, объявленный ООН Международным годом перидической таблицы элементов, не найдутся силы, способные извлечь из "забвения" менделеевское прочтение периодичности как "скачков массы" и использовать его как средство прорыва в познании новых, неизведанных глубин строения материи?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Г.П. Гордеев, ЖОХ, 42, 2359 (1972)
  2. Г.П. Гордеев, ЖОХ, 46, 2704 (1976)
  3. Г.П. Гордеев, ЖОХ, 49, 1178 (1979)
  4. И. М. Франк, Сб. "Физика деления атомных ядер", Изд. "Атомиздат", М. с. 41 (1957)
  5. I.R. Rydberg, Bihang till Kongl. Sven. Vet. Akad. Handl. Bd. 11, H.1, №13, S. 3 (1886)
  6. А.И. Базаров, ЖРФХО, ч. хим. 19, 61, (1887)
  7. С.А. Щукарев, ЖРФХО, ч. хим. , 55, 447 (1924)
  8. С.А. Щукарев, ЖОХ, 19, 3 (1949)
  9. Я.М. Гельфер, В.Л. Любошиц, М.И. Подгорецкий. Парадокс Гиббса и тождественность частиц в квантовой механике. Изд. Наука, М. (1975)
                                      (Обновленная версия статьи.  18.09.18 )

Статьи:

Обратная связь