Статья: Теоретическая химия в глобальном научном тупике

Главным фундаментальным ошибочным научным утверждением, на котором базируется здание современной Химии, как науки, - орбитальное движение электронов вокруг ядер атомов. «Авторитет» этого научного утверждения усилен рядом Нобелевских премий, выданных за якобы «доказанную» достоверность орбитального движения электронов в атомах, которая базируется не на законе формирования спектров атомов и ионов, а на приближённых методах расчёта спектров, в основе которых - теории Бора, Луи - Де Бройля, Шредингера и других учёных прошлого. Вот химические знания, которые следуют из старых теорий и преподаются школьникам [1].

Рис. 1

Прошло уже 20 лет, как была доказана ошибочность орбитального движения Электронов в атомах. Ошибочность эта следует из закона формирования спектров атомов и ионов и закона формирования энергий связей электронов с протонами ядер атомов. Поскольку директор НИИ Спектроскопии, академик Виноградов отказался тогда от публикации нашей статьи в академическом журнале, то она была опубликована в ряде брошюр неакадемического издания [3], [4]. Доказательство отсутствия орбитального движения электронов в атомах получено нами в 1992г. Опишем кратко, как это было сделано [2].

Вспоминаю, с трудом удалость связать спектр атома водорода с орбитальным движением его электрона. Попытка заставить электроны атома гелия - второго химического элемента, летать по орбитам вокруг ядра оказалась безуспешной. Экспериментальный спектр его первого электрона с энергий ионизации, равной 24,587eV, отказывался подчиняться математической модели Нильса Бора для расчёта спектра атома водорода. Поиск причины столь необычного поведения первого электрона атома гелия длился более года и завершился выявлением закона формирования спектров атомов и ионов, детальное описание которого было опубликовано в брошюрах [3], [4].

В этих брошюрах представлено линейное взаимодействие электронов с протонами ядер, которое следовало из нового закона формирования спектров атомов и ионов. Вот краткая информация об этом из статьи [2] и Монографии микромира [5].

Закон формирования спектров атомов и ионов.

Обратим внимание читателей на главное: возможности уравнения Шредингера по точному расчету спектров заканчиваются водородоподобными атомами. Спектр первого электрона атома гелия уравнение Шредингера не позволяет рассчитать точно. Посмотрим на возможности нашей математической модели (1) формирования спектров атомов и ионов рассчитать спектр первого электрона атома гелия [5].

, (1)

Здесь - энергия поглощённого или излучённого фотона; - энергия ионизации атома; - энергия связи электрона с протоном ядра, соответствующая первому энергетическому уровню; - главное квантовое число. Как видно (1), нет в математической модели закона формирования спектров атомов и ионов энергии, соответствующей орбитальному движению электрона в атоме, а есть лишь энергии его линейного взаимодействия с ядром атома.

Из уравнения (1) следует закон формирования энергий связи электрона с протоном ядра атома в момент пребывания его на любом энергетическом уровне

(2)

Итак, чтобы рассчитать спектр первого электрона атома гелия, надо найти его энергию связи с протоном ядра, соответствующую первому энергетическому уровню. Известно, что энергия ионизации первого электрона атома гелия равна [6]. Напомним, что энергии связи первого электрона с ядром атома определяются как разность между энергией ионизации и энергиями возбуждения , равными энергиям поглощаемых или излучаемых фотонов (табл. 1).

Таблица 1. Энергетические показатели стационарных энергетических уровней первого электрона атома гелия

Решающее значение в нашем поиске имела точность экспериментальных данных спектроскопии, так как на их основе формируются правильные представления о картине взаимодействия первого электрона с ядром атома гелия [5].

Отметим, что в справочниках [6] и [7] экспериментальные значения энергий ионизации определены с точностью до третьего знака, а энергии возбуждения стационарных энергетических уровней - до второго. Составители справочников отмечают, что значение второго знака энергий возбуждения отличаются у разных авторов на , а в ряде случаев и более.

Следовательно, для выявления эмпирического закона, формирующего серию энергий возбуждения стационарных энергетических уровней первого электрона атома гелия, надо округлить результаты вычислений энергий связи до второго знака после запятой.

И это не все, что нужно учитывать при анализе экспериментальных данных. Обратим внимание на такую запись в справочнике [6]: «Наряду с экспериментально измеренными длинами волн в предлагаемых таблицах есть такие линии, длины волн которых рассчитаны по энергетическим уровням с учетом правил отбора. Это или до сих пор не обнаруженные линии тонкой структуры, или слабые, грубо измеренные спектральные линии. Законность такого расчета не вызывает сомнений, так как энергетические уровни устанавливаются по надёжно измеренным линиям с использованием вторичных стандартов».

Нам трудно согласиться с таким методом экспериментаторов. Взять, например, энергию возбуждения 23,01eV (табл. 1), соответствующую четвертому стационарному энергетическому уровню. В справочнике [6] её вообще нет, а в справочнике [7] она приводится без указания яркости линии, то есть как очень слабая или ненаблюдаемая. Как нам поступить в этом случае? Правильнее будет исключить её пока из рассмотрения при поиске закономерности формирования энергий возбуждения, соответствующих стационарным энергетическим уровням. В аналогичном положении находится и энергия возбуждения, равная 20,96 eV. Поэтому исключим и её из рассмотрения. В результате получим показатели, представленные в табл. 2.

Таблица 2. Энергии связи первого электрона атома гелия с его ядром

Сразу же обратим внимание на то, как были рассчитаны энергии связи первого электрона атома гелия, приведенные в табл. 2, и полностью совпадающие с законом , формирующим энергии связи электронов с ядрами атомов. Для этого была взята величина экспериментальной энергии 3,37eV, соответствующая в табл. 2 энергии возбуждения 21,22eV, и умножена на 4. Полученное число оказалось энергией связи, соответствующей первому энергетическому уровню первого электрона атома гелия. Образовавшийся при этом ряд энергий (табл. 2, последняя колонка) полностью совпадает с рядом соответствующих экспериментальных значений, подтверждая правомочность исключения энергий возбуждения 20,96eV и 23,01eV. В табл. 3 представлен спектр первого электрона атома гелия, рассчитанный по закону (1) формирования спектров атомов и ионов [5].

Таблица 3. Спектр первого электрона атома гелия

Данные табл. 2 показывают, что энергия связи первого электрона атома гелия, соответствующая первому энергетическому уровню , не равна энергии ионизации этого электрона . Почему? При поиске ответа на этот вопрос обратим внимание на то, что энергии связи с ядром у электрона атома водорода (табл. 4) и первого электрона атома гелия (табл. 4) имеют близкие значения на одноименных энергетических уровнях, а энергии возбуждения , соответствующие этим же уровням, отличаются почти в два раза.

Таблица 4. Энергии связи и энергии возбуждения электрона атома водорода и первого электрона атома гелия

Из этого следует, что когда оба электрона в атоме, то их энергии связи с ядром одинаковые. Как только в атоме остаётся один электрон, то его энергии связи с ядром увеличиваются в раз. По мере удаления электрона от ядра атома, в момент, когда он находится там один, его энергии связи с ядром на более высоких энергетических уровнях должны соответствовать энергиям связи в момент, когда вместе с ним в атоме был и другой электрон. Чтобы убедиться, что это действительно так, представим таблицу с энергиями связи электрона атома водорода и двух электронов атома гелия на одноимённых энергетических уровнях (табл. 5).

Таблица 5. Энергии связи электрона атома водорода , первого и второго электронов атома гелия с ядрами

Как видно, электрон атома водорода и первый электрон атома гелия имеют практически одинаковые энергии связи с ядрами атомов на соответствующих энергетических уровнях. Энергия связи второго электрона атома гелия с его ядром, соответствующая первому энергетическому уровню, в четыре раза больше соответствующей энергии связи атома водорода, поэтому все другие значения энергий связи этого электрона, равные соответствующим энергиям связи первого электрона атома гелия и электрона атома водорода, сдвинуты. Например, электрон атома водорода и первый электрон атома гелия имеют одинаковые энергии связи с ядром (0,85 eV), находясь на 4-м энергетическом уровне, а второй электрон атома гелия имеет такую же энергию связи, находясь на 8-м энергетическом уровне.

Обратим внимание на то, что в рамках приемлемой погрешности энергии связи обоих электронов атома гелия (табл. 4), соответствующие первому энергетическому уровню (), рассчитываются по формуле

(3)

электрон орбитальный химия

где - энергия ионизации атома водорода; - номер электрона в атоме, соответствующий номеру потенциала его ионизации.

Тогда формула для расчета энергии связи любого электрона любого атома, соответствующая любому энергетическому уровню, будет такой

. (4)

Совпадение результатов расчетов по этой формуле с экспериментальными результатами, представленными в табл. 5, доказывает правильность формулы (4). Таким образом, в условиях, когда оба электрона находятся в атоме и каждый из них взаимодействует со своим протоном в ядре, их энергии связи с ядром одинаковы. После удаления одного электрона из атома оставшийся электрон (второй электрон) начинает взаимодействовать не с одним, а с двумя протонами ядра.

Из изложенного следует, что если первый электрон атома гелия возвратится в атом, то энергия связи с ядром второго электрона уменьшится и станет равной энергии связи с этим же ядром первого электрона атома гелия.