А.А. Русановг. Балашов, Россия
Аннотация
В работе представлена модель, устанавливающая в рамках Единой Дипольной Теории Поля (ЕДТП) корреляцию между пространственным распределением протон-нейтронных диполей в атомном ядре и структурой электронных оболочек. Показано, что эмпирическое правило заполнения электронных оболочек (2n²) является следствием фрактальной организации ядерной структуры. Теория предлагает единое объяснение Периодического закона элементов, физической интерпретации квантовых чисел и механизма гибридизации орбиталей. Количественные оценки энергий связи электронов и радиусов оболочек демонстрируют согласие с экспериментальными данными, открывая перспективы для предсказания свойств атомов и молекул.
Ключевые слова: атомное ядро, электронные оболочки, дипольная теория, протон-нейтронные диполи, Периодический закон, квантовые числа, фрактальная структура.
1. Введение
Современная квантовая механика успешно описывает распределение электронов по энергетическим уровням в атоме, однако физические причины, определяющие последовательность заполнения оболочек и их связь со структурой атомного ядра, остаются не до конца выясненными. Традиционные подходы не дают удовлетворительного объяснения строгой корреляции электронных конфигураций с атомным номером и наблюдаемой периодичности свойств элементов. В данной работе предлагается подход, основанный на Единой Дипольной Теории Поля (ЕДТП), который устанавливает прямую связь между дипольной организацией протон-нейтронных пар в ядре и распределением электронов по оболочкам. Данная модель позволяет не только объяснить эмпирические правила, но и предсказать изотопные эффекты, влияющие на химические свойства.
2. Теоретические основы
2.1. Структура протон-нейтронного диполя
Протон-нейтронная пара формирует элементарный диполь с несимметричным распределением эффективных зарядов: протонный конец обладает эффективным зарядом порядка –¹/₃e, тогда как нейтронный конец характеризуется зарядом порядка +²/₃e. Данная асимметрия обеспечивает направленное взаимодействие диполей и их способность к образованию устойчивых узлов. Эта базовая структура лежит в основе организации материи в ЕДТП.
2.2. Организация ядерной структуры
Атомное ядро формируется посредством соединения протон-нейтронных диполей в тройные узлы через нейтринные связи, что гарантирует выполнение принципа полной электрической нейтральности на каждом уровне организации. Фрактальный характер структуры проявляется в самоподобном усложнении: от простых конфигураций к тетраэдрическим и более сложным формам по мере роста числа диполей. Такой подход объясняет устойчивость ядер легких элементов и переход к сферическим конфигурациям в тяжелых ядрах.
2.3. Энергетика связей
Энергия связи протон-нейтронного диполя определяется параметром нейтральности узла S(N) и описывается квадратичной зависимостью от отклонения от идеальной нейтральности. Для дейтрона, представляющего собой одиночный диполь, расчет дает значение энергии связи ≈ –2.2 МэВ, что соответствует экспериментальным данным. Данная энергетическая модель масштабируется на более сложные ядерные конфигурации, определяя общую стабильность атома.
3. Механизм формирования электронных оболочек
3.1. Базовый принцип
Электронные оболочки формируются в результате электростатического взаимодействия электронов с протонными концами диполей, распределенными в объеме ядра. Пространственное расположение этих концов определяет разрешенные энергетические уровни и емкость каждой оболочки. Фрактальная иерархия ядерной структуры непосредственно предопределяет последовательность заполнения оболочек согласно правилу 2n².
3.2. K-оболочка (n=1)
K-оболочка соответствует двум протонным концам, локализованным в центральной области ядра, и характеризуется радиусом ≈ 0.53 Å. Электронная конфигурация 1s² обеспечивает сферически симметричное распределение плотности вероятности вблизи ядра. Данная оболочка является универсальной для всех элементов.
3.3. L-оболочка (n=2)
L-оболочка формируется четырьмя протонными концами в тетраэдрической конфигурации с характерным радиусом ≈ 2 Å и электронной конфигурацией 2s²2p⁶. Увеличение числа протонных центров позволяет разместить восемь электронов, что согласуется с наблюдаемой периодичностью химических свойств.
4. Квантовые числа в дипольной модели
4.1. Интерпретация квантовых чисел
Главное квантовое число (n) описывает радиальное распределение протонных концов диполей в ядре. Орбитальное квантовое число (l) определяет пространственную ориентацию дипольных связей, а магнитное (mᵢ) – их конкретные пространственные направления. Подобная интерпретация придает квантовым числам прямой физический смысл, связанный с геометрией ядра.
4.2. Количественные соотношения
Радиус электронной оболочки пропорционален квадрату главного квантового числа (rₙ ∝ n²) с базовым значением 0.53 Å для атома водорода. Энергия уровня обратно пропорциональна n² (Eₙ ∝ 1/n²) с константой ≈ –13.6 эВ. Эти зависимости выводятся непосредственно из дипольной модели.
5. Периодический закон
5.1. Принцип заполнения
Периодический закон Менделеева отражает последовательное усложнение фрактальной ядерной структуры по мере добавления протон-нейтронных диполей, что определяет порядок заполнения электронных оболочек и периодичность свойств элементов. Каждая новая оболочка соответствует новому уровню фрактальной иерархии.
5.2. Примеры элементов
Для лития (Z=3) три диполя образуют треугольную конфигурацию, что соответствует электронной структуре [He] 2s¹ и энергии ионизации 5.39 эВ. Углерод (Z=6), чьи шесть диполей формируют тетраэдр, характеризуется энергиями связи 1s-электронов ≈ –296 эВ и 2p-электронов ≈ –11.3 эВ, что согласуется с экспериментальными значениями.
6. Гибридизация орбиталей
6.1. Механизм гибридизации
В рамках ЕДТП гибридизация валентных орбиталей возникает как следствие динамического перераспределения дипольных связей в процессе образования химических соединений, что позволяет ядерной структуре адаптироваться к внешним химическим условиям. Этот процесс обеспечивает оптимальную пространственную ориентацию электронных облаков для образования связей.
6.2. Примеры
sp³-гибридизация соответствует тетраэдрической конфигурации (CH₄), sp² – треугольной (графит), sp – линейной (C₂H₂). Энергия гибридизации оценивается в 0.1–0.5 эВ, что определяет энергетику молекулообразования.
7. Экспериментальные предсказания
7.1. Корреляция ядерной и электронной структуры
Модель предсказывает строгую корреляцию между радиальным распределением протонной плотности в ядре и энергиями связи электронов на различных оболочках, что может быть проверено методами фотоэлектронной спектроскопии и рассеяния частиц. Для пары H–D ожидается разность энергий связи ≈ 3.7 мэВ.
7.2. Изотопные эффекты
Различия в нейтронном составе изотопов приводят к модификациям фрактальной структуры ядра, что, в свою очередь, влияет на энергии связи валентных электронов, длины химических связей и, следовательно, на химическую реакционную способность. Данный эффект согласуется с наблюдаемым изотопным фракционированием.
8. Количественные оценки
Расчетные значения радиуса атома водорода (0.529 Å) и энергии ионизации (13.60 эВ) точно соответствуют экспериментальным. Для лития расчетная энергия ионизации составляет 5.32 эВ при измеренном значении 5.39 эВ. Для углерода расчетная энергия связи 1s-электронов (–296 эВ) близка к экспериментальной (–284 эВ). Структурные параметры легких ядер, включая число диполей и фрактальную размерность (от ~2.0 для He до ~3.0 для H), подтверждают геометрическую интерпретацию модели.
9. Заключение
Разработанная в рамках Единой Дипольной Теории Поля модель устанавливает фундаментальную связь между фрактальной дипольной структурой атомного ядра и конфигурацией электронных оболочек, предлагая объяснение эмпирического правила 2n², Периодического закона и гибридизации орбиталей как следствий ядерной геометрии. Количественные предсказания теории демонстрируют согласие с экспериментальными данными. Перспективы дальнейших исследований включают описание свойств тяжелых и сверхтяжелых элементов, прогнозирование свойств молекулярных систем и экспериментальную верификацию предсказанных изотопных эффектов.
Комментариев нет:
Отправить комментарий