Радиусы атомов

     Существует несколько способов определения радиуса атомов.  К экспериментальным методам относятся:  измерения с помощью рентгеновских лучей  (предполагая радиус атома вдвое меньшим расстояния между ядрами атомов); спектральный анализ водородоподобных атомов;  соотношению плотности вещества и числа Авогадро; теоретические исследования  на основе решения уравнения Шредингера.

      В результате сопоставления всех этих способов по всем атомам периодической системы известны стали радиусы и последовательность заселения электронами всех орбиталий составляющих атом. Определено, что у каждого электрона имеется своя орбита,  эти орбиты не пересекаются. На одной орбите  находится один (валентный) или два (спаренных – находящихся друг напротив друга) электрона. Вся схема заселения электронов носит название «электронная конфигурация».

   В каждом периоде по мере увеличения атомного номера элемента величина атомного радиуса уменьшается. Происходит сжатие орбиталей. Эта сжатие является  причинами того, что расстояние между орбит электронов в орбиталях неопределенно и аналитического обоснования спектров атомов до сих пор не найдено. Хотя спектры всех атомы давно известны и изучены.

  Орбита электрона находится на поверхности сферы.  Последовательность орбит представляет собой поверхности вложенных друг в друга сфер, где каждый последующий электрон расположен на орбите большего радиуса. Наибольшее удаление заселяющихся электронов друг от друга  будет тогда, когда электроны  расположатся по высотам равных между собой шаровых сегментов, полностью заполняющих объем шара. Для любого атома достаточно двенадцати таких шаровых сегментов. Радиус шара равен радиусу атома и определен наиболее удаленным от ядра электроном.

      При заполнении орбиталей валентные  электроны заселяют орбитали последовательно слева направо, а спаривание электронов происходит последовательно справа налево.  Электроны занимают места как можно далее друг от друга и как можно ближе к ядру. Место расположения вновь появляющегося электрона будет там, где  сумма сил отталкивания от всех ранее заселенных электронов и сумма силы притяжения ядра будут равны друг другу.

 Для атомов, где идет заселение d-орбитали, наиболее удаленной от ядра является  s-орбиталь. При увеличении заряда ядра на единицу эти атомы  временно становятся катионами +1. Электроны s-орбитали переходят в валентную зону. Радиус атома уменьшается до ковалентного радиуса. Перешедшие в валентную зону электроны s-орбитали вместе с заселяющимся электроном ищут свою позицию.  Происходит  перестройка  d-орбитали.    

   Атом, как трехмерный объект, можно изобразить в прямоугольной аксонометрической проекции.  Орбиты электронов становятся эллипсами, а Кулоновское отталкивание позволяет на этой проекции вполне конкретно разместить электроны друг относительно друга по осям  X, Y, Z.  Достаточно трех цветов (зеленый, красный, синий) чтобы на проекции из шести окружностей по высотам  шаровых сегментов   разместить любую орбиталь электронной конфигурации. По совокупности таких проекций определится порядок заселения орбитали валентными и  спаренными электронами.

   Еще более компактной формой является известная логическая модель, где последовательно заселяющимся электронам присваивается цветовой признак. Логическая модель состоит из двух линеек для спаренных и валентных орбит. Каждая линейка разделяется на две строки  по три позиции в каждой, что эквивалентно шести орбитам. Позициям последовательно присваивается зеленый, красный и синий цвет.

    На рисунке в прямоугольной аксонометрической проекции приведено заселение электронами 4d-орбитали 5-го периода. В левом верхнем углу проекции каждого атома приведена его логическая модель. Заселение электронов полностью повторяет структуру принятой таблице электронной конфигурации.

   4d-орбиталь начинается атомом Иттрия. Зеленым обводом обозначены 37 и 38 электроны  5s-орбитали, а желтой заливкой их принадлежность к спаренной орбите. 5s-орбиталь определяет радиус атома Иттрия. Зона, куда заселяется  электроны 4d-орбитали, расположена под  5s-орбиталью. Согласно выбранной цветовой палитре, 39 электрон будет синего цвета, расположится на позиции d3. 40 электрон (красного цвета), расположится на позиции d2, образует атом Циркония с симметричной структурой из трех взаимно перпендикулярных орбит.

   Появление 41 протона в ядре атома и до появления 41 электрона в d-орбитали на некоторый промежуток времени вместо  атома Ниобия имеем катион Ниобия +1. Электроны 5s-орбитали переходят в валентную зону и занимают свободные орбиты, к которым относятся позиции d1 и d4. Заселяющийся 41 электрон занимает позицию d5 (красного цвета). Позиции d4 находится в шаровом сегменте между осями X-Z, а позиция d5 в сегменте между осями X-Y на более высоких орбитах по высоте шарового сегмента. Атом Ниобия становится нейтральным. Позиция d5 теперь соответствует позиции s1 в электронной конфигурации.

   42 электрон (синего цвета)  вполне ожидаемо займет в шаровом сегменте позицию d6 между осями Y-Z над позицией d5 – атом Молибдена.  43 электрон спаривает позицию d6 – атом Технеций. Начинается процесс  спаривания валентных электронов. Появление 44 протона в ядре атома разваливает атом Технеция до катиона Технеций +1, электроны 42 и 43 переходят в валентную зону.  Электрон 44 занимает позицию d5 (красного цветв) и спаривает электрон 41. Валентный электрон 42 переходит на позицию d4 и спаривает электрон 38. Электрон 43 возвращается на свою позицию, но уже за спаренными позициями. Формируется атом Рутения. Позиция электрона 43 определяет позицию s1.

    45 электрон (синего цвета)  занимает позицию d3 по оси Z и с 39 электроном образует спаренную позицию – атом Родия. 46 электрон (красного цвета) занимает позицию  по оси Y и с 40 электроном образует спаренную орбиту. Оставшийся валентный электрон 42 уходит на более выгодную энергетически  низкую орбиту, образуя с 37 электроном спаренную орбиту – атом Паладия. Следующие два электрона (47- атом Серебра  и 48 – атом Кадмия) образуют спаренную орбиту. Спаренная орбита 41-44 образует позицию s2.

   Атом Серебра имеет один 47 валентный электрон естественно на позиции s1. Атом Кадмия формирует орбиту 5s2, а за ней 4р-орбиталь. В совокупности 5s4р6 образуют атом Ксенона.  Описание  аксонометрических проекции заселения электронов достаточно запутано, поэтому проекции  сопровождалась логической моделью.

 По мере роста заряда ядра, расстояние между орбиталями уменьшается пропорционально единицы заряда, а расстояние между соседними орбитами электронов в орбиталях увеличивается пропорционально квадрату расстояния между орбитами. Когда сформируется атом Ксенона, промежуток между 4-м и 5-м периодами увеличиться достаточно для размещения орбиты  электрона. Энергетически выгоднее занять эту орбиту, нежели более высокую в 6-м периоде. В этот промежуток заселяется электрон позиции f1 и еще более раздвигает имеющийся промежуток . Возникает возможность электрону, формирующий атом  Лантана, провалиться на  более энергетически выгодную позицию f2. Таким образом, начинает формироваться 4f-орбиталь, отодвигая 4d-орбиталь атома Кадмия. 

     Для полноты картины,  в нижней части рисунка расписано заселение  электронами 4f-орбитали по правилам  логической модели.  Приводится сопоставление структур спаренных орбит электронов между 4f и 4d- орбиталями. Вполне ожидаемо, эти структуры идентичны. На последней строке рисунка представлена структура  распределения всех спаренных орбит атомов от Гелия до Радона.

   Такая симметричная  структура электронного облака, концентрируемая вокруг ядра, объясняет постоянство спектров атомов, начиная от температуры абсолютного нуля и вплоть до нескольких тысяч градусов. Сохранение постоянства спектров указывает на жесткую увязку между собой скоростей движения электронов по орбитам. Жесткая увязка скоростей  означает, ни что иное как,  одинаковую угловую скорость всех электронов атома.

   Одинаковой угловой скоростью обладают и звездные системы, вращающиеся вокруг центров галактик. Научное сообщество ищет решение постоянства угловой скорости  привлечением понятия «темная материя».

      Альтернативная теории объясняет гравитацию заменой притяжения на приталкивание. В этой теории центральные области галактики отталкивают звездные системы подальше от центра. Окружающие эту область звездные системы и внешние галактики приталкивают границу этой области к центру галактики. При равенстве сил изнутри силам снаружи звездные системы оказываются в равновесии с постоянной угловой скоростью движения вокруг центра галактики.
   
   Ничто не мешает и атом рассматривать как взаимодействие двух встречных сил отталкивания и приталкивания. При равенстве силы излучения от протонов и сил встречного излучения от электронов, электрон находится в равновесии. Собственно на равенстве электромагнитных сил и построены теории распределения электронов вокруг ядра. Электрическое поле определяется излучением, которое переносится  зарядами, а движение этого излучения из-за вращения электронов по орбитам приводит к появлению магнитного поля.