авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Астрологический Прогноз на год: карьера, финансы, личная жизнь


Дмитрий Иванович, МЕНДЕЛЕЕВ (1834 - 1907)

(художник И.Репин)

Эта история началась сто сорок лет тому назад...

1

Таблица Менделеева. Сто сорок лет спустя

Периодический закон ждёт не только новых приложе-

ний, но и усовершенствований, подробной разработки и

свежих сил.

- Менделеев (1834 -1907) § 1. Некоторые предварительные замечания.

Общепризнано, что Периодический закон Менделеева и его графическое вы ражение - Периодическая таблица химических элементов нужны для изучения их физико-химических свойств и выявления общих закономерностей их химических взаимодействий между собой, для химического предвидения и предсказания но вых фактов.

Действительно, в настоящее время Периодическая система химических эле ментов является научной основой изучения важнейших свойств элементов и их соединений: кислотно-основных, окислительно-восстановительных, каталитиче ских, комплексообразующих, полупроводниковых, металлохимических, кристал лохимических, радиохимических и т.п.

Однако значение Периодической таблицы химических элементов не ограни чивается прикладными и полуприкладными областями физики и химии. Эта таблица может явиться "золотым ключиком", открывающим дверь, ведущую из эмпирического мира материальной действительности в мир новой реальности.

Несмотря на то, что с момента открытия Менделеевым Периодического за кона химических элементов (1869) прошло почти сто сорок лет, до сих пор су ществует немало попыток уточнить и усовершенствовать его таблицу.

Многообразие вариантов вызвано стремлением разных авторов найти удо влетворительное решение некоторых спорных моментов в самой структуре Пе риодической таблице химических элементов, существующих до сих пор.

Однако, казалось бы, частная задача усовершенствования хорошо известной таблицы Менделеева может стать частью общей научно-философской пробле мы огромной важности, если взглянуть на неё свежим взглядом современно го физика-теоретика, отыскивающего в природе всё более скрытые и всё более фундаментальные симметрии для того, чтобы понять не только как устроен наш мир, но и почему он устроен именно таким образом.

За истекшие 140 лет Периодический закон, открытый Менделеевым не только не устарел и не утратил своего значения. Наоборот, развитие науки показало, что его значение ещё до конца не понято и не завершено, что оно много шире, чем мог предполагать его творец, чем представляют себе многие современные учёные.

И теперь, спустя многие годы, по-прежнему справедливы полные достоин ства слова самого Менделеева: "вышеизложенное содержит не всё то, что уви дели до сих пор через телескоп периодического закона в безграничной области химических эволюции, и тем паче не всё то, что можно ещё увидеть" С 1921 года, когда Нильс Бор заложил основы квантово-механического объ яснения Периодической системы химических элементов Менделеева, прошло по чти восемьдесят пять лет. За это время в физике произошли революционные из менения, сравнимые с теми, которые совершались во время создания теории от носительности и квантовой механики.

Для современной физики очень важным стало понятие симметрии. Именно симметрия стала тем самым инструментом, используя который удаётся выявить в калейдоскопе физических явлений основные структуры, свести всё разнообра зие физического мира к нескольким фундаментальным уравнениям.

Предлагаемые нами две Таблицы химических мультиплетов представляют собой дальнейшее развитие на феноменологическом уровне оригинальных идей известного советского физика Ю.Б.Румера и математика А.И.Фета, предложив ших изучать свойства химических элементов по аналогии с элементарными ча стицами с точки зрения их "внутренней" симметрии.

Следует отметить, что для понимания общего принципа, лежащего в основа нии предлагаемой Таблицы, нет необходимости в знании квантовой механики.

Согласно этому принципу каждый атом рассматривается как возбуждённое состояние некоторой универсальной протоматерии. И подобно тому, как в со временной теории элементарных частиц ничего не говорится о внутреннем стро ении частиц, так и здесь, для установления общих свойств атомов и их класси фикации нет необходимости рассматривать их электронное строение.

Дело в том, что наиболее общие свойства атомов заложены глубже - в самой их первоначальной симметрии и могут быть извлечены оттуда с помощью полу феноменологического формализма изотопического спина, основные идеи кото рого могут быть сделаны доступными ученику средней школы.

Новосибирский государственный университет, где была создана Новосибирская таблица химических мультиплетов Заметим, что создание двух принципиально новых современных Таблиц хи мических мультиплетов началось в начале семидесятых годов в стенах Ново сибирского университета (в работах Ю.Б.Румера, А.И.Фета и Ю.И.Кулакова) и окончательно завершилось в 1995 году в нашей работе, сделанной в Горно Алтайском государственном университете.

Предлагаемые нами Таблицы химических мультиплетов опубликованы в двух сборниках научных трудов:

Структурный анализ символьных последовательностей (Изд-во Академии наук СССР. Сибирское отделение, Институт математики. 1984 год );

Классическое естествознание и современная наука (Изд-во Новосибирского государственного университета. 1991 год ).

Однако малый тираж этих изданий и очень небольшой круг читателей дела ют практически неизвестными эти Таблицы.



Горно-Алтайский государственный университет, где была создана Горно-Алтайская таблица химических.мультиплетов Существует традиция включать в название некоторых вновь открытых хи мических элементов наименование стран и городов, так или иначе связанных с историей их открытия.

Так, например:

скандий Sc назван в честь Скандинавии, галлий Ga назван в честь Франции (средневековое латинское название Hallia), германий Ge назван в честь Германии, рутений Ru назван в честь России (лат. Ruthenia) его первооткрывателем, проф. Казанского университета Карлом Клаусом1, Заметим, что название химического элемента самария Sm не имеет никакого отношения к го роду Самаре. Он назван так в честь начальника штаба Корпуса горных инженеров, полковника Самарского-Быховца, предоставившего профессору Берлинского университета Розе для ис следования образец уральского минерала.

лютеций Lu назван в честь столицы Франции - Парижа (средневековое ла тинское название Lutetia), гафний Hf назван в честь столицы Дании - Копенгагена (средневековое ла тинское название Hafnia), рений Re назван в честь Рейнской провинции, родины его первооткрыватель ницы Иды Ноддак, полоний Ро назван в честь Польши (лат. Polonia), родины его первооткрыва тельницы Марии Склодовской-Кюри, франций Fr назван в честь Франции, родины его первооткрывательницы Мар гариты Пере, европий Ей назван в честь Европы, гольмий Но назван в честь Стокгольма - столицы Швеции (лат. Holmia), тулий Tin назван в честь Скандинавии (средневековое латинское название Thule), иттербий Yb, тербий ТЬ, иттрий Y и эрбий Ег названы в честь маленького шведского местечка Иттербю, америций Am назван в честь Америки, подобно тому как его редкоземельный "брат" получил своё название в честь Европы, берклий Вк назван в честь Беркли - маленького пригорода Сан-Франциско, го рода учёных и студентов, калифорний Cf назван в честь Калифорнийского университета, где были по лучены его первые атомы.

Аналогичным образом маленький немецкий городок Эрланген был увекове чен в названии Эрлангенской программы Клейна.

Перенесём эту традицию на названия двух форм Таблицы химических муль типлетов, явившейся окончательным итогом нашей многолетней работы.

Первую, "ступенчатую" таблицу химических мультиплетов, внешне напо минающую древневавилонский зиккурат, назовём Новосибирской таблицей химических мультиплетов в честь Новосибирского государственного университета, в котором мы втроём (Ю.Б.Румер, А.И.Фет, Ю.И.Кулаков) начинали работу над созданием этой Таб лицы.

Вторую, "треугольную" таблицу мы предлагаем назвать Горно-Алтайской таблицей химических мультиплетов в честь Горно-Алтайского государственного университета, в котором нами была найдена её окончательная идеальная форма, и в котором идеи физических струк тур получили своё дальнейшее развитие в моих трудах и в двух монографиях мо его талантливого ученика доктора физ.-мат. наук, профессора Г.Г.Михайличенко, а также в аспирантских и студенческих работах наших учеников уже второго и третьего поколений.

§ 2. От Периодической таблицы химических эле ментов к Таблице химических мультиплетов.

Читатель, приступающий к изучению этой статьи, подготовлен вековыми традициями — физикой, которой он обучался в школе и в университете. Он привык мыслить образами, оперировать наглядными представлениями, опираясь на традиционное физическое мировоззрение, и не будем отучать его от этого, не говоря уже — вооружать его против этого. Переход к новому физическому мышле нию мы будем осуществлять no-возможности по степенно и гладко.

— Автор Согласно традиции, идущей от Менделеева, рассматриваются свойства каж дого химического элемента в отдельности и ищется такая форма классифика ции элементов, при которой естественным, путём выделяются, подмножества элементов с близкими физико-химическими свойствами (главные и побочные подгруппы - столбцы на традиционной таблице Менделеева).

Значение Периодической системы элементов для химиков состоит в суще ствовании некоторого общего правила, по которому получаются гомологические ряды, содержащие химические элементы с близкими физико-химическими свой ствами.





Мы отступаем от этой традиции и в качестве основных объектов класси фикации выбираем не отдельные химические элементы, конкретные свойства которых нас, в отличие от химиков, мало интересуют, а их совокупности - муль типлеты, обладающие определённой целостностью, то есть блоки, состоящие из конечного числа рядом расположенных элементов.

Итак, принципиальное отличие предлагаемой нами Новосибирской таблицы химических мультиплетов от всех других известных периодических таблиц со стоит в том, что наша Таблица - это не таблица химических элементов, а табли ца химических мультиплетов.

Значение таблицы Менделеева состоит в том, что она предоставляет нам уни кальную возможность взглянуть на множество всех химических элементов как на единую систему, состоящую из различных химических таксонов2 или блоков, то есть совокупностей химических элементов с атомными номерами, лежащими в конечных интервалах от до. При этом для характеристики тех или иных таксонов необходимо вводить физические величины принципиально иной приро ды.

В отличие от традиционных непосредственно измеряемых физических ве таксон (от лат. taxare - оценивать) - соподчинённая группа дискретных объектов, свя занных между собой той или иной степенью общности свойств. Иерархическая система таксо нов позволяет дать полное описание определённой сферы реальности с точки зрения её иерар хического строения.

личин, таких как масса, электропроводность, температура плавления и кипе ния, потенциал ионизации, магнитная восприимчивость и т.п., существуют та кие "коллективные" физические величины как изотопический спин T, странность S, очарование (чарм) С, красота Ь, истинность t, гиперзаряд Y, барионное В и леп тонное L числа и т.п., которые имеют совершенно иную природу, и не могут быть измерены непосредственно традиционными методами.

Чтобы выявить глубинное содержание, скрытое за внешней и далеко не со вершенной формой Периодической таблицы химических элементов Менделеева, воспользуемся тем, что лежит буквально на поверхности и давно всем хорошо известно.

§ 3. Естественная эволюция формы таблицы хими ческих элементов.

Основная идея лежащая в основании Периодической системы химических элементов, состоит в следующем: Периодическая таблица Менделеева разбивает естественную последовательность химических элементов на отдельные мульти плеты, отмеченные разным цветом.

Отметим особую роль цвета при построении всех последующих таблиц. Дело в том, что цвет в этом случае играет роль некоторого квантового числа, кото рый позволяет увидеть3 на таблице четыре типа мультиплетов - играющих роль своеобразных "химических хромосом": красные, состоящие из двух элементов, жёлтые, состоящие из шести элементов, зелёные, состоящие из десяти элемен тов, и, наконец, синие, состоящие из четырнадцати элементов, и осуществить разделение всего множества химических элементов, соответственно, на четыре ) "химических царства"4: красное, жёлтое, зелёное, синее.

(при На традиционной чёрно-белой таблице разделение всей последовательности химических элементов на мультиплеты затруднено ещё и тем, что длинные муль типлеты, состоящие из десяти элементов, чтобы быть втиснутыми в прямоуголь ную форму таблицы, оказываются разрезанными в самом неподходящем месте, Использование цвета в данном случае можно сравнить с применением специальных красителей в гистологии, позволяющих увидеть в оптический микроскоп хроматины, составляющие осно ву хромосом, которые в противоположность ахроматинам хорошо окрашиваются при ги стологической обработке.

Термин "химическое царство" введён нами по аналогии с биологической таксономией, где имеется следующая иерархическая структура порядка:

надцарства (прокариоты, эукариоты), царства (вирусы, дробянки, грибы, растения и животные), подцарства (..., низшие, высшие,..., одноклеточные, многоклеточные,... ).

отделы (раст.) (..., цветковые,... ) или типы (жив.), классы (..., однодольные,... ).

порядки (раст.) (..., коммлеминовые,... ) или отряды (жив.), семейства(..., злаки,... ).

роды (..., кукуруза,... ) виды (..., кукуруза жёлтозернистая,... ).

и вследствие этого сам факт существования химических мультиплетов не броса ется в глаза. На цветной же таблице это хорошо видно.

Короткая периодическая таблица химических элементов Менделеева При этом возникает естественный вопрос: как разбить эмпирическую после довательность химических элементов на мультиплеты ("химические хромосо мы"), которые на всех наших таблицах окрашены четырьмя различными цветами — красным, жёлтым, зелёным, синим и фиолетовым?

Как будет показано в этом параграфе, наличие мультиплетов уже заложе но в самой Периодической таблице элементов Менделеева. Задача в том, чтобы извлечь их оттуда. Как это сделать?

Ответом на этот вопрос служит этот параграф, посвященный преобразова нию традиционной формы Периодической таблицы химических элементов в Новосибирскую таблицу химических мультиплетов.

Сначала, чтобы иметь хотя бы грубое представление о химических мульти плетах, мы будем использовать терминологию, уже сложившуюся в квантово механической теории Бора периодической таблицы элементов и обозначать красным цветом - s-элементы, жёлтым цветом - p-элементы, зелёным цветом - d-элементы, синим цветом - f-элементы Но потом, в четвёртом параграфе, мы увидим, что за этим понятием скры вается иная, более глубокая сущность.

Как будет показано в четвёртом параграфе, элементы, принадлежащие к "красному" царству, имеют изотопический спин, к "жёлтому" царству, имеют изотопический спин, к "зелёному" царству, имеют изотопический спин, к "синему" царству, имеют изотопический спин.

Отметим, что введение четырёх цветов имеет принципиальное значение.

Тем самым указывается на существование четырёх "химических царств", к одному из которых принадлежит каждый из первых ста двадцати химических элементов.

Заметим, что ещё неоткрытые химические элементы с при надлежат уже к качественно новому "фиолетовому" химическому царству с изо топическим спином (по традиционной терминологии к множеству элементов с ).

Появление в короткой таблице химических элементов Менделеева главных и побочных подгрупп и, а также неестественной восьмой группы, состоя щей из одной главной а и трёх побочных подгрупп - триады,,, является типичным артефактом5 и связано с желанием сохранить пер воначальную прямоугольную форму таблицы, предложенной Менделеевым, что делает её излишне громоздкой и сложной.

Этой неоправданной сложности можно избежать, если перейти от истори чески возникшей короткой таблицы Менделеева к Удлинённой периодической таблице химических элементов, раздвинув её на десять столбцов.

Кстати говоря, именно эта Периодическая таблица химических элементов ре комендована в 1985 году Ассоциацией научного образования (ASE) и с тех пор широко используется в мировой физико-химической литературе [8], [9].

Прежде всего в Удлинённой таблице нет рядов, так как каждый период рас полагается в одной горизонтальной строке.

Далее, в Удлинённой таблице нет необходимости расщеплять группу на глав ную и побочную, так же как нет необходимости рассматривать неестественную восьмую группу с её триадой побочных подгрупп.

Правда при этом почти вдвое возрастает число групп, а следовательно и её го ризонтальные размеры, что делает её достаточно громоздкой. По-видимому из-за этого Удлинённая таблица, несмотря на её очевидные достоинства, не получила широкого распространения в отеческой физической и химической литературе.

артефакт (от лат. artefactum - искусственно сделанное) - образование, не свойственное изу чаемому объекту и возникающее обычно в ходе его исследования.

Удлинённая таблица химических элементов.

Однако и в этой Удлинённой таблице остаются некоторые неувязки, среди которых прежде всего бросается в глаза необходимость по-прежнему втискивать пятнадцать элементов - лантан и четырнадцать лантаноидов и другие пятнадцать элементов - актиний и четырнадцать актиноидов в соответствующие две клетки.

Длинная форма Периодической таблицы химических элементов Чтобы преодолеть и эту трудность, придётся раздвинуть Удлинённую табли цу ещё на 14 клеток и получить Длинную периодическую таблицу химических элементов:

Итак, Длинная таблица стала более совершенной. Однако и здесь осталось три тёмных пятна, которые нарушают желанную симметрию таблицы:

1. В отличие от всех остальных элементов, объединённых в соответствующие мультиплеты, содержащие 2, 6, 10, 14, 18 элементов, водород и гелий по прежнему остаются "единоличниками".

Существуют хорошо известные трудности с определением положения водо рода Н 1 в таблице. С одной стороны он возглавляет таблицу и как s-элемент должен находиться в первой главной подгруппе I а вместе с другими s-элементами. С другой стороны, он по своим физико-химическим свойствам должен находиться в седьмой главной подгруппе VII а галогенов.

Подобные же трудности возникают при определении положения в таблице. По своим физико-химическим свойствам он должен возглавлять гелия восьмую главную подгруппу VIII а инертных газов. С другой стороны, он является s-элементом, в то время как все остальные инертные газы являются p элементами.

2. Кажется неестественным такое расположение мультиплетов, при котором возникают пустые места - разрывы между ними. Неестественным кажется существо вание первого и единственного сверхкороткого периода, состоящего из водорода и гелия, разъединённых пустыми клетками.

3. Кажется странным и труднообъяснимым наличие нерегулярного распо ложения мультиплетов, начиная с четвёртой строки:

1 — 1, 2 — 6, 2 — 6, 2 — 10 — 6, 2 — 10 — 6, 2 — 14 — 10 — 6, 2 — 14—10 — Чтобы придать Длинной таблице более естественный и симметричный вид, свободный от указанных выше недостатков, преобразуем, сохраняя порядок сле дования мультиплетов, Длинную таблицу в Новосибирскую таблицу химических мультиплетов по следующей схеме:

объединим водород и гелий в один двухэлементный мультиплет и пере местим все остальные двухэлементные мультиплеты с левого края таблицы на правый край при одновременном их перемещении на одну строку вверх.

Таким образом оказалось возможным, не строя никаких гипотез ("гипотез не измышляю!") только лишь за счёт нескольких естественных шагов преобразовать прямоугольную таблицу Менделеева в треугольную ступенчатую таблицу Новосибирскую таблицу химических мультиплетов.

При этом сохраняется общее правило заполнения этой таблицы химическими элементами при последовательном увеличении их атомного номера Z:

слева направо сверху вниз.

Следующий шаг - разбиение исходной последовательности химических эле ментов на дублеты - пары, состоящие из рядом стоящих элементов с нечётными и чётными Z. В результате чего Новосибирская таблица химических мультиплетов превращается в Ступенчатую таблицу химических мультиплетов.

Выравнивая Ступенчатую таблицу по левому краю и сдвигая чётные строки на одно деление вправо относительно нечётных, то есть переходя от координат (T,U) к координатам (U,V), получаем окончательную Горно-Алтайскую таблицу химических мультиплетов:

Горно-Алтайская таблица химических мультиплетов § 5. В итоге имеем...

Итак, мы видим, что Периодическая таблица элементов Менделеева разби вает всю последовательность химических элементов на отдельные блоки — так соны:

химические элементы, химические дублеты, состоящие из двух химических элементов;

химические мультиплеты, состоящие из 2Т + 1 химических дублетов;

супермультиплеты, состоящие из N мультиплетов, и наконец гипермультиплеты, состоящие из двух супермультиплетов. Именно в этом и состоит, на наш взгляд, наиболее важное общенаучное значение Периодической таблицы химических элементов.

Подведём некоторые итоги:

1. Основными таксонами - главными объектами классификации множества химических элементов являются не сами элементы, а химические мультиплеты.

2. Естественной является не традиционная прямоугольная, а треугольная форма таблицы.

3. В целом Горно-Алтайская таблица химических мультиплетов напоминает план некоторого "химического" Академгородка, застроенного двухэтажными 1-, 3-, 5-, 7-, 9-подъездными домами-мультиплетами.

4. Этот "химический" Академгородок тщательно распланирован и напоминает шахматную доску, повёрнутую на 45 градусов. Все дома-мультиплеты, распо ложенные на чёрных клетках, образуют две системы рядов:

горизонтальные "суперавеню" — химические супермультиплеты с поряд ковыми номерами ортогональные к ним вертикальные "улицы" с порядковыми номерами расположенные по диагонали "проспекты" с порядковыми номерами ортогональные к ним "переулки" с порядковыми номерами 5. Важной особенностью Горно-Алтайской таблицы является существование гипермультиплетов, состоящих из двух супермультиплетов, требующих введения двух новых квантовых чисел появление которых невозможно с точки зрения традиционной квантово механической модели атома.

Итак, два соседних супермультиплета образуют гипермультиплет - своего рода "район" или "зону" химического Академгородка, состоящие из двух парал лельных "суперавеню", с порядковым номером Верхний супермультиплет (верхняя "суперавеню") характеризуется полуце лым числом нижний супермультиплет (нижняя "суперавеню") - полуцелым числом 6. Мультиплеты, входящие в состав верхнего и нижнего супермультиплета, ха рактеризуются изотопическими спинами:

7. Каждый мультиплет состоит из "двухэтажных" химических дублетов.

8. Каждый химический дублет, входящий в мультиплет с изотопическим спи ном, характеризуется целым числом, принимающим следующие значения:

9. Верхний этаж;

дублета занимает химический элемент с нечётным атомным но мером который характеризуется полуцелым числом нижний этаж;

занимает химический элемент с чётным атомным номером который характеризуется полуцелым числом где — порядковый номер дублета в исходном множестве химиче ских элементов.

10. Заселение домов-мультиплетов химическими элементами в порядке воз растания атомного номера происходит без единого нарушения установ ленного правила, столь характерных для традиционной квантово-механической трактовки Периодической таблицы химических элементов Менделеева.

Последовательное заселение происходит в мультиплетах, принадлежащих су пермультиплетам с фиксированным номером в порядке возрастания по рядковых номеров"улиц" Переход в следующий супермультиплет осуществляется только после пол ного заселения последнего мультиплета на предыдущей "суперавеню".

11. Мультиплет с порядковыми номерами и (одиозные во дород и гелий) является единственным химическим мультиплетом, играющим роль выделенного "нулевого дублета".

12. Все химические мультиплеты, имеющие одинаковый изотопический спин, (то есть число "подъездов" ) химически подобны. Это означает, что физико-химические свойства, входящих в мультиплет элементов, могут су щественно зависеть от чисел и (при фиксированном значении ), но сла бо зависеть от порядкового номера "переулка" Грубо говоря, для того, чтобы знать свойства всех химических элементов, до статочно знать свойства элементов, входящих в мультиплеты, расположенные в начале каждого супермультиплета, то есть в мультиплеты с Другими словами, обнаруженные Менделеевым химические аналоги, распо ложенные в главных или побочных подгруппах таблицы Менделеева, в Горно Алтайской таблице химических мультиплетов располагаются на прямых, парал лельных главной диагонали § 6. Физические величины двух типов:

подлинно физические (наблюдаемые) и условно-физические (ненаблюдаемые).

До сих пор периодическая таблица химических элементов Менделеева рас сматривалась исключительно с точки зрения периодической зависимости физико химических свойств элементов от их атомного номера Однако эта таблица содержит в себе гораздо более важный в принципиальном отношении факт - существование новых условно-физических (ненаблюдаемых) величин, характеризующих иерархическую структуру порядка всего множества химических элементов и играющих важную роль при описании общих свойств химических элементов.

Новосибирская и Горно-Алтайская таблицы химических мультиплетов позво ляют взглянуть на множество всех химических элементов как на единое целое и увидеть его внутренние законы, которым подчиняется всё множество элементов, и которые не могут быть получены из квантово-механической модели отдель ного атома.

Для описания этих законов нужны новые физические величины принципи ально иной природы.

Все физические величины можно разбить на два класса:

1. подлинно физические (наблюдаемые) 2. условно-физические (ненаблюдаемые) Подлинно физические величины характеризуют отношения между физиче скими объектами и произвольно выбранными соответствующими эталонами.

Произвол выбора эталона находит своё отражение в наличии различных фи зических единиц измерения. В результате этого для физических величин этого рода характерно существование размерности и численных значений, определя емых с конечной ошибкой измерения.

Условно-физические величины в конечном итоге связаны с целыми числа ми возможных состояний, в которых может находиться та или иная физическая система.

В связи с этим отпадает необходимость в выборе эталонов и в использо вании измерительных приборов. Таким образом условно-физические величины безразмерны и имеют точные целые или дробные (как правило полуцелые) численные значения.

В качестве примеров такого рода условно-физических величин можно при вести изотопический спин и его проекцию, барионный заряд, гиперза ряд, лептонный заряд, странность (strange), очарование (charm), кра соту (beauty), истинность (truth) и т. п.

Факт существования двух типов физических величин: наблюдаемых и нена блюдаемых можно трактовать в пользу разделения теоретической физики на две части - пространственно-временную или "дольнюю" и структурно-симметрийную или "горнюю".

Понятия дольней теоретической физики допускают интерпретацию на язы ке наглядных, хотя и не всегда адекватных моделей, в основе которых лежат пространственно-временные и импульсно-энергетические представления.

Ключевыми словами дольней теоретической физики являются:

координата и время, импульс и энергия, момент импульса, взаимодействие, законы сохранения, группа трёхмерных вращений, группа движения, группы Лоренца и Пуанкаре, вероятность, волновая функция, гамильтониан, волна, частица, постоянная Планка, постоянная скорость света и т.д.

Абстрактные понятия горней теоретической физики, будучи прообразами понятий дольнего мира, требуют для своего описания другого языка, не своди мого к наглядным пространственно-временным и энергетическим моделям.

В частности, таким языком является, с одной стороны, язык теории физиче ских структур, а с другой - язык представлений групп симметрии - своеобразной "горней" квантовой механики6 без гамильтониана и без постоянной Планка Применение такого термина будет оправдано, когда мы обнаружим в теории представлений групп все характерные признаки квантово-механического описа ния:

векторы состояния в гильбертовом пространстве, эрмитовы опе раторы условно-физических величин, перестановочные соотношения базисных матриц алгебры Ли, унитарные операторы в, сохраняющие скалярное произведение Многие трудности понимания и изложения традиционной ("дольней") квантовой механики от падут сами собой, если ей будет предшествовать, как это предполагается сделать в курсе тео ретической физики Ю.И.Кулакова, изложение "горней" квантовой механики.

Ключевыми словами горней теоретической физики, кроме уже приведённых выше, являются:

абстрактные понятия теории физических структур, а также симметрия, ка либровочная инвариантность, группы и т.п., представления групп, алгебры Ли, матрицы Окубо и Гелл-Манна, опера тор Казимира, обычный и изотопический спины, электрический заряд, стран ность, очарование, красота и т.д.

Отметим, что среди ключевых слов горней теоретической физики мы не встретим таких понятий как энергия, импульс, взаимодействие, гамильтониан.

После всего сказанного возникает естественный вопрос: к какому разделу тео ретической физики относится проблема классификации элементарных частиц и химических элементов? Применима ли здесь традиционная квантовая механика?

§ 7. О неприменимости традиционной квантовой механики для классификации химических элементов Под химическим элементом мы будем понимать некоторое состояние про томатерии. Каждый химический элемент, в свою очередь, может находиться в ос новном и в возбуждённых состояниях которые мы будем называть "атомами химического элемента ".

Итак, имеем следующие множества:

множество химических элементов множество атомов водорода множество атомов гелия множество атомов лития — множество возбуждённых состояний протоматерии Химические элементы, обладающие - симметрией Связь, существующая между множеством химических элементов и множествами возбуждённых состояний атомов водорода, гелия, лития и т.д. показана на предыдущей диаграмме.

Как показали Малкин и Манько [10], множество атомов водорода обла дает симметрией, которая описывается группой Малкина и Манько Её представление характеризуется хорошо известными из квантовой механи ки четырьмя квантовыми числами:

Что же касается атомов гелия, лития, бериллия и т.д., то по-видимому множества вообще не обладают какой-либо групповой,,, симметрией. Возникает ситуация, сходная с той, которая имеет место в клас сической механике: система, состоящая из двух частиц, взаимодействующих по кулоновскому закону, обладает определённой симметрией и допускает аналити ческое решение в явном виде;

система, состоящая из трёх и более частиц такой симметрией не обладает и не имеет явно выраженного аналитического решения.

Наличие симметрии в одном случае и отсутствие её в другом является главным свидетельством принципиального различия рассматриваемых систем.

Точно так же множество атомов водорода, обладающее симметрией, имеет совершенно иную природу нежели множества всех других многоэлектронных атомов, не обладающих подобной симметрией.

Таким образом в принципе невозможно описывать многоэлектронные атомы по образцу атома водорода "водородными" квантовыми числами п, I, m, ms. А это значит, что строго говоря, мы до сих пор не знаем, даже в рамках существующей квантовой механики, как "устроены" любые атомы за исключением атома водо рода. Вместо многоэлектронного атома мы имеем дело с его неадекватной боров ской моделью образца 1921 года, которая без каких-либо оснований выдаётся за истинное устройство атома.

Как установил А.И.Фет [11], множество химических элементов обладает симметрией, которая описывается группой Румера-Фета Её представление характеризуется пятью квантовыми числами:

(В работе [11] для этих параметров используются другие обозначения:

Именно из-за этой симметрии всё множество химических элементов разби вается на гипермультиплеты, те в свою очередь разбиваются на пары супермуль типлетов, супермультиплеты разбиваются на мультиплеты, мультиплеты - на дуб леты и, наконец, дублеты разбиваются на отдельные химические элементы. Не обходимо признать, что "электронные оболочки" с их "водородными" числами "руками" перенесённые из задачи об атоме водорода, являются типичным арте фактом. Они в принципе не адекватны многоэлектронным атомам и не могут, строго говоря, получены из квантовой механики, так как только множество со стояний водорода обладает такой уникальной симметрией, которая по рождает квантовые числа Но к счастью, проблема строгого решения уравнения Шрёдингера для мно гоэлектронного атома не имеет прямого отношения к общим физико-химическим свойствам химических элементов.

Дело в том, что свойства химических элементов определяются не строением их "электронных оболочек", а положением химического элемента в их исходной последовательности, то есть квантовыми числами где - порядковый номер гипермультиплета в исходной последо вательности;

- порядковый номер супермультиплета в гипермультиплете;

- порядковый номер мультиплета в супермульти плете;

- порядковый номер дублета в мультиплете;

- порядковый номер химического элемента в дублете.

Или их линейными комбинациями, совпадающими с квантовыми числами представления группы симметрии Румера-Фета:

где - порядковый номер гипермультиплета в исходной последо вательности;

- проекция изотопического спина гипермуль типлета;

- изотопический спин мультиплета;

- проекция изотопического спина мультиплета;

- проекция изотопического спина химического дублета.

Если - какая-либо физическая величина (плотность, ионизационный по тенциал, температура плавления или кипения, энтальпия испарения и т.п.), то её зависимость от выбора того или иного химического элемента может быть пред ставлена в виде нескольких функций различного числа переменных где Как известно, функция ведёт себя в высшей степени нерегулярно, обнаруживая при этом определённую квазипериодичность.

Однако, если вместо одной переменной - атомного номера выбрать четыре переменных то при фиксированных зависимость представляет собой монотонно растущую (или убывающую) функцию, близкую к линейной, что позволяет с большой точностью предсказывать физико-химические свойства ещё неоткрытых элементов.

Резюме Итак, все химические элементы делятся на четыре химических царства красное, жёлтое, зелёное и синее.

В основе этого деления лежит не строение "внешней электронной оболочки атома", а причина более глубокая - факт существования универсальной симметрии Румера-Фета, присущий всему множеству химических элементов как едино му целому.

Что же касается общепринятой квантово-механической классификации хи мических элементов, то, как известно, в её основе лежит тот же принцип, что и в основе классификации возбуждённых атомов водорода. Но множество энерге тических уровней водорода обладает универсальной симметрией Малки на-Манько, отличной от симметрии Румера-Фета (сравните матрицы пред ставлений групп Румера-Фета и Малкина-Манько, приведённые на стр. 20).

Строение Новосибирской и Горно-Алтайской таблиц химических мультипле тов абсолютно точно соответствует группе симметрии Румера Фета и находится в явном противоречии с группой симметрии Малкина-Манько что, строго говоря, говорит о не применимости квантово-механической модели Бора и необходимости использо вания теоретико-групповых методов для объяснения свойств Периодической системы химических элементов.

Литература [1] N.Bohr. Fysik Tiddskr., 19, 153 (1921);

[2] Бор Нильс. Три статьи о спектрах и строении атомов. М.-Пг., ГИЗ, 1923, 23 с, [3] Румер Ю.Б., Фет А.И. Группа Spin(4) и таблица Менделеева //Теорет. и мат.

физика. - 1971. - Т. 9, № 2. - С. 203-210.

[4] Byakov V.M., Kulakov Y.I., Rumer Y.B., Fet A.I. Group-Theoretical Classification of Chemical Elements. - M., 1976-1977. - (Препринт/АН СССР. Ин-т теоретич. и эксперим. физики;

1967. - 4.1. - 28 с. - № ITEP-26;

1976.

- Ч.П/ - 40 с, - № ITEP-90;

1977. - Ч.Ш. - 25 с, - № ITEP-7).

[5] Fet A.I. The Madelung Numbers and the System of Chemical Elements //Теоретико-групповые методы в физике. Т. 1. Тр. междунар. сем. Звенигород, 1979. - М.: Наука, 1980. - С. 327-336.

[6] Кулаков Ю.И. Естественная таблица химических элементов //Структурный анализ символьных последовательностей. Выпуск 101. Вычислительные си стемы. - Новосибирск. Институт математики СОАН СССР, 1984, С. 82-90.

[7] Кулаков Ю.И. Классификация химических элементов на новой основе.

//Классическое естествознание и современная наука. - Новосибирск. Изд-во НГУ, 1991, С. 97-118.

[8] Физические величины: Справочник/А.П.Бабичев, Н.А.Бабушкина и др., - М.: Энергоатомиздат, 1991. Передний форзац.

[9] Фримантл М. Химия в действии. В двух частях. Ч. 2.;

Пер. с англ. - М.: Мир, 1991. С. 14 - 15.

[10] Малкин И. А., Манько В.И. Симметрия атома водорода. //Письма в ЖЕТФ.

- 1965. - Т. 2, Ш 5. - С. 230-234.

[11] Фет А.И. Группа симметрии химических элементов. //Математическое мо делирование в биологии и химии. Новые подходы. - Новосибирск: Наука. Сиб.

отделение, 1992. С. 118 - 203.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.