ЭЛЕМЕНТ, ИМИТИРУЮЩИЙ АТОМ ИЛИ ИОН ИЛИ ГРУППУ АТОМОВ ИЛИ ИОНОВ, ДЛЯ МОДЕЛИ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ ОТКРЫТОГО ТИПА
ELEMENT OF SIMULATING ATOM OR ION OR GROUP OF ATOMS OR IONS, FOR MODEL OF ATOMIC-MOLECULAR STRUCTURE OF OPEN TYPE

Изобретение относится к учебным наглядным пособиям, предназначенным для демонстрационных целей, а также к научным приборам, предназначенным для визуализации пространственного строения или структуры кристаллических веществ или иных атомно-молекулярных структур, а именно к элементу, предназначенному для имитирования атома или иона или группы атомов или ионов в моделях открытого типа.
Известны различные подходы к конструктивному выполнению моделей кристаллического строения вещества, применимые и при моделировании иных атомно-молекулярных структур. При всем разнообразии моделей они могут быть подразделены на две основные группы: "закрытые" и "открытые" (см.: Deane К. Smith. Bibliography on Molecular and Crystal Structure Models. U.S. department of commerce. National bureau of standards. National Bureau of Standards Monograph 14. Issued May 20, 1960 [1]).
В "закрытых" моделях элементы, представляющие собою обычно шары (иногда усеченные) или многогранники, имитирующие атомы или ионы, практически полностью заполняют пространство, т.е. размещены таким образом, что обеспечивается их касание по границам поверхностей или по плоскостям сечений (срезов).
Моделям такого типа, возможно, присущи специфические достоинства, однако они имеют недостаточную наглядность из-за их перегруженности, "закрытого" характера, невозможности наблюдения и измерения расстояний между ионами или атомами. Иллюстрируя характер "упаковки" частиц, например, в кристалле, они искажают либо размеры атомов (ионов), либо расстояния между этими атомами (ионами), либо и то, и другое.
К "открытым" моделям, главным образом, относятся шаростержневые модели (см., например: В.М. Потапов. Стереохимия. Москва, Изд. "Химия", 1988, с. 10-11 [2]; патент Великобритании №1144851, опубл. 12.03.1969 [3]).
В этих моделях элементы, имитирующие атомы или ионы, имеют такие размеры и размещены на таких расстояниях друг от друга, которые позволяют свободно наблюдать их относительное расположение и измерять расстояния между ними и углы между линиями, их соединяющими. Это обстоятельство является важным преимуществом моделей "открытого" типа. Конструкции моделей такого типа тоже весьма разнообразны. Наиболее распространены модели, содержащие элементы в виде шариков, имитирующих атомы или ионы, и соединяющие эти шарики стержневые элементы, ориентированные в соответствии с геометрией моделируемой структуры, что позволяет объемно отобразить эту структуру.
Однако и в пользовательском, и в технологическом отношении такие модели недостаточно удобны. Для сохранения правильного отображения взаимного расположения атомов или ионов при пользовании моделью необходима механическая фиксация модели, исключающая возможность вращения вокруг стержневых связей. Поэтому сборка пространственных стержневых конструкций с соблюдением правильного взаимного расположения элементов чрезвычайно трудоемка.
Производство подобных моделей сложно осуществить, даже если необходимо тиражирование модели одной и той же структуры. Тем не менее, такие модели наиболее распространены. По названным причинам нередко они поступают в продажу не собранными, а в виде набора шариков и стерженьков, с возложением сборки на пользователя. Вместе с тем выполнение в виде набора создает существенно более широкие возможности для демонстрации и изучения атомно-молекулярных структур не отдельных веществ, а целых их классов. Однако весьма непростой задачей при изготовлении таких наборов является получение в шаровых элементах, имитирующих атомы или ионы, отверстий, в которые должны быть вставлены концы соединительных стержней, поскольку в каждом таком элементе может потребоваться выполнение нескольких отверстий, ориентированных в пространстве под определенными углами друг к другу.
Решение задачи изготовления элементов, имитирующих атомы или ионы, упрощается в моделях атомно-молекулярных структур по патентам РФ на полезную модель №119504 (опубл. 20.08.2012) [4] и на изобретение №2494466 (опубл. 29.09.2013) [5]. В этих моделях элементы, имитирующие атомы или ионы, размещают на прозрачных пластинах постоянной толщины. Такие модели, как отмечено в патентах [4], [5], обладают рядом достоинств как в пользовательском, так и в технологическом отношении.
Модели открытого типа, имеющие конструкцию по патентам [4], [5], применимы и для такого моделирования, при котором одним элементом осуществляется имитация не отдельных атомов или ионов, а группы атомов или ионов, в частности группы, образующей молекулу. Модель такого типа способна адекватно отображать, например, структуру льда-VI, в рентгеноструктурных данных которого исследователем приведены не координаты отдельных атомов кислорода и водорода, а координаты молекул воды в целом (В. Kamb. Structure of ice VI. Science №150, 1965; pp. 205-209 [6]).
Каждый из элементов, имитирующих атомы или ионы или группы атомов или ионов, для моделей [4], [5] может быть выполнен, например, в виде двух одинаковых шаровых сегментов, располагаемых при сборке модели симметрично друг другу по разные стороны пластины и соединенных друг с другом с помощью штифта, проходящего через отверстие в пластине. В другом варианте шаровые сегменты просто приклеиваются к пластине. При такой конструкции указанных элементов их изготовление и фиксация на требуемых местах при сборке модели существенно проще, чем в шаростержневых моделях [2], [3]. Тем не менее, элементы для имитирования атомов или ионов или группы атомов или ионов продолжают оставаться "узким местом" и в этих моделях, затрудняя их сборку и трансформирование (при использовании элементов, соединяемых с помощью штифтов, поскольку сделанные в пластине отверстия под штифт подразумевают только возможность "детерминированного" изменения моделируемой структуры, т.е. возможность переустановки элемента, имитирующего атом или ион или группу атомов или ионов, только из одного отверстия в пластине в другое), или делая трансформирование вообще невозможным (при фиксации положения элементов на пластинах с помощью клея).
Известны элементы для имитирования атомов или ионов по патенту США №4622014 (опубл. 11.11.1986) [7] в виде тел шарообразной или усеченной шарообразной формы, предназначенные для использования в моделях закрытого типа, в которых они соединяются друг с другом с помощью ввинчиваемых в них деталей. Такие элементы применимы также и в моделях открытого типа по патентам [4], [5] и принципиально не отличаются от упомянутого выше имитирующего элемента по этим патентам, части которого соединяются с помощью штифтов.
Последний наиболее близок к предлагаемому, поскольку предназначен для имитирования атомов или ионов именно в открытых моделях атомно-молекулярных структур, предусматривающих выполнение таких элементов в виде двух частей, располагаемых на двух сторонах прозрачной несущей пластины.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении простоты сборки и трансформирования моделей атомно-молекулярных структур, в которых элементы, имитирующие атомы или ионы или группы ионов, размещают на прозрачных пластинах, за счет конструкции этих элементов, позволяющей осуществлять простую их установку, снятие и замену, переустановку, в частности, путем перемещения рукой одной из частей элемента по пластине, сопровождающегося одновременным с ним скользящим симметричным перемещением другой части.
Согласно предлагаемому изобретению, элемент для имитирования атомов или ионов или группы атомов или ионов в модели атомно-молекулярной структуры, как и наиболее близкий к нему известный, содержит два симметричных друг другу шаровых сегмента, предназначенных для размещения в указанной модели на разных сторонах прозрачной несущей пластины.
Для достижения указанного технического результата в элементе для имитирования атомов или ионов или группы атомов или ионов по предлагаемому изобретению, в отличие от наиболее близкого к нему известного, один из шаровых сегментов выполнен в виде постоянного магнита или из немагнитного материала со вставкой в виде постоянного магнита. При этом другой шаровой сегмент выполнен либо целиком из магнитно-мягкого материала, либо в виде постоянного магнита, либо из немагнитного материала со вставкой в виде постоянного магнита или из магнитно-мягкого материала, а магниты обоих шаровых сегментов имеют направления намагничивания, обеспечивающие возможность встречной взаимной ориентации противоположных полюсов магнитов этих шаровых сегментов при размещении их на прозрачной несущей пластине.
Целесообразны размещение каждой из указанных вставок в шаровом сегменте, содержащем такую вставку, со стороны плоской поверхности основания данного шарового сегмента заподлицо с нею и выполнение данной вставки в форме цилиндра с осью, ориентированной по радиусу этого шарового сегмента, перпендикулярному его основанию, причем во вставке, выполненной в виде постоянного магнита, последний предпочтительно имеет аксиальное или диаметральное направление намагничивания.
Например, один из шаровых сегментов может быть выполнен из немагнитного материала со вставкой со стороны плоской поверхности его основания и заподлицо с нею в виде цилиндрического магнита с осью, ориентированной по радиусу данного шарового сегмента, перпендикулярному к плоскости его основания. Указанный цилиндрический магнит имеет аксиальное или диаметральное направление намагничивания. При этом другой шаровой сегмент может быть выполнен либо целиком из магнитно-мягкого материала, либо из немагнитного материала и иметь в этом случае со стороны плоской поверхности его основания установленную заподлицо с нею цилиндрическую вставку из магнитно-мягкого материала или вставку в виде цилиндрического магнита.
Такое выполнение технологично и облегчает соблюдение условия, согласно которому должна быть обеспечена встречная взаимная ориентация противоположных полюсов магнитов шаровых сегментов при размещении их на прозрачной несущей пластине.
(Выше использована терминология, применяемая в технологии постоянных магнитов, см., например: Постоянные магниты. Справочник. Под ред. Ю.М. Пятина. Москва, "Энергия", 1980, 488 с. [8].)
Элемент для имитирования атомов или ионов или группы атомов или ионов, имеющий предлагаемую конструкцию, может быть легко установлен и зафиксирован в требуемом положении на прозрачной несущей пластине, используемой в модели атомно-молекулярной структуры. Во всех случаях описанного выше выполнения шаровые сегменты этого элемента силой магнитного взаимодействия притягиваются друг к другу и прижимаются к поверхностям пластины. Перемещение рукой одного из сегментов по пластине сопровождается одновременным с ним скользящим симметричным перемещением другого сегмента, притягиваемого к первому сегменту магнитной силой и прижимаемого этой силой к противоположной стороне пластины. Этим обеспечивается легкая и удобная установка элемента для имитирования атома или иона или группы атомов или ионов в нужном месте пластины. Столь же легко могут быть осуществлены его снятие и замена. При этом не требуется наличия в несущей пластине отверстий, которые необходимы в моделях, использующих наиболее близкий к предлагаемому известный элемент для имитирования атомов или ионов, а сам элемент не содержит деталей для механически фиксированного размещения его шаровых сегментов на несущей пластине.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых показан элемент для имитирования атомов или ионов или группы атомов или ионов (далее - элемент), имеющий предлагаемую конструкцию, установленный на несущей пластине модели атомно-молекулярной структуры:
- на фиг. 1 а - при выполнении обоих шаровых сегментов в виде магнитов;
- на фиг. 1 б - при выполнении одного шарового сегмента в виде магнита, а другого - из магнитно-мягкого материала;
- на фиг. 1 в, г - при наличии цилиндрических вставок в виде магнитов в обоих шаровых сегментах;
- на фиг. 1 д, е - при наличии в одном шаровом сегменте цилиндрической вставки в виде магнита, а в другом - цилиндрической вставки из магнитно-мягкого материала;
- на фиг. 1 ж, з - при наличии в одном шаровом сегменте цилиндрической вставки в виде магнита и выполнении второго шарового сегмента целиком из магнитно-мягкого материала;
- на фиг. 1 и - при выполнении одного из шаровых сегментов в виде магнита, а другого - из немагнитного материала с цилиндрической вставкой в виде магнита;
- на фиг. 1 к - при выполнении одного из шаровых сегментов в виде магнита, а другого - из немагнитного материала с цилиндрической вставкой из магнитно-мягкого материала.
Элемент по фиг. 1 а, б, в, г, д, е, ж, з, и, к состоит из двух частей: верхней, предназначенной для размещения на несущей пластине 40, и нижней, предназначенной для размещения симметрично верхней части с нижней стороны указанной пластины, и содержит по два шаровых сегмента (соответственно: 11.3 и 12.3; 11.3 и 32; 11.1 и 12.1; 11.2 и 12.2; 11.1 и 12.1; 11.2 и 12.2; 11.1 и 32; 11.2 и 32; 11.3 и 12.1; 11.3 и 12.1). Элемент контактирует с обеими сторонами несущей пластины 40 плоскими основаниями входящих в его состав шаровых сегментов.
Шаровые сегменты 11.3 (верхние на чертежах фиг. 1 а, б, и, к) и 12.3 (нижний на фиг. 1 а) выполнены в виде постоянных магнитов, имеющих направление намагничивания по радиусу шарового сегмента, перпендикулярному его основанию, т.е. вертикальное по чертежу. В элементе по фиг. 1 а оба шаровых сегмента являются постоянными магнитами с такими направлениями намагничивания, что в шаровых сегментах 11.3 и 12.3, размещенных на пластине 40, противоположные полюсы магнитов расположены напротив друг друга.
В элементе по фиг. 1 б только один шаровой сегмент (11.3, верхний по чертежу) является магнитом, а нижний шаровой сегмент 32 выполнен из магнитно-мягкого материала.
Шаровые сегменты 11.1 элемента по фиг. 1 в, д, ж (верхние на чертежах) выполнены из немагнитного материала. В этих шаровых сегментах со стороны их плоских оснований и заподлицо с их поверхностью размещены вставки в виде цилиндрического магнита 13.1 с осью, ориентированной по перпендикулярному к плоскости основания шарового сегмента 11.1 радиусу этого сегмента (по чертежу - вертикально).
Общим для этих трех частных случаев выполнения элемента является то, что магниты 13.1 указанных вставок имеют аксиальное направление намагничивания и обращены одним из полюсов (в показанных на чертежах случаях - северным) к основанию шарового сегмента 11.1, т.е. при размещении элемента на пластине 40 - в сторону этой пластины и находящегося с другой ее стороны второго шарового сегмента.
Эти три частных случая отличаются друг от друга выполнением нижней по чертежам части.
Нижняя часть элемента по фиг. 1 в содержит одинаковый с верхней частью шаровой сегмент 12.1 со вставкой в виде цилиндрического магнита 14.1 и отличается от верхней части лишь тем, что этот магнит ориентирован по отношению к основанию полюсом (по чертежу - южным), противоположным полюсу магнита 13.1, вставленного в верхний шаровой сегмент 11.1.
Элемент по фиг. 1 д отличается от элемента по фиг. 1 в тем, что вставка в виде магнита в нижнем шаровом сегменте 12.1 заменена вставкой 24.1 из магнитно-мягкого материала, а элемент по фиг. 1 ж - тем, что шаровой сегмент 32 нижней части не имеет вставки и выполнен целиком из магнитно-мягкого материала.
Элемент по фиг. 1 г, е, з выполнен аналогично описанным выше элементам по фиг. 1 в, д, ж соответственно, отличаясь от них тем, что входящие в его состав магниты, в виде которых выполнены вставки шаровых сегментов 11.2, 12.2, имеют диаметральное направление намагничивания. На чертежах элементы показаны при такой ориентации магнитов, что их полюсы расположены справа и слева от осевой линии цилиндров, форму которых имеют эти магниты. Осевые линии этих цилиндров, как и в элементе по фиг. 1 в, д, ж, ориентированы перпендикулярно плоскости оснований шаровых сегментов 11.2, 12.2 (по чертежу - вертикально).
В элементе по фиг. 1 г после установки его верхней и нижней частей на несущую пластину 40 шаровые сегменты 11.2, 12.2 с магнитными вставками "автоматически" ориентируются так, что противоположные полюсы магнитов 13.2, 14.2 оказываются напротив друг друга. При этом в "свободном" состоянии, т.е. на удалении друг от друга, эти части элемента по фиг. 1 г неотличимы.
В элементе по фиг. 1и верхний шаровой сегмент 11.3 имеет такое же выполнение, как и в элементе по фиг. 1 а, б (т.е. в виде магнита), а нижний сегмент 12.1 выполнен, как и на фиг. 1 в, из немагнитного материала с цилиндрической вставкой 14.1 в виде магнита. Указанные магниты ориентированы к основаниям сегментов 11.3, 12.1 противоположными полюсами, поэтому при установке на пластине 40 такие полюсы оказываются расположенными напротив друг друга.
Элемент по фиг. 1 к отличается от элемента по фиг. 1и тем, что в нижнем шаровом сегменте 12.1 магнитная вставка заменена вставкой 24.1 из магнитно-мягкого материала, как в элементе по фиг. 1  д.
Во всех представленных на фиг. 1 и других возможных частных случаях предлагаемого выполнения элементов для имитирования атомов или ионов или группы атомов или ионов, предназначенных размещения в моделях атомно-молекулярных структур на прозрачных несущих пластинах, обеспечиваются простота и удобство установки этих элементов в любом требуемом месте в сочетании с надежностью фиксации. Наибольшая сила прижатия шаровых сегментов к поверхности прозрачной пластины 40 обеспечивается в частных случаях, иллюстрируемых фиг. 1 а, в, г, и, когда элемент содержит магниты в обоих шаровых сегментах. Особенностью фиксации на несущей пластине 40 элемента по фиг. 1 г, е, з является то, что магнитная цепь замкнута (в частном случае по фиг. 1 г - через обращенные друг к другу противоположные полюсы магнитов 13.2 и 14.2, в случае по фиг. 1 e - через вставку 24.2 из магнитно-мягкого материала, в случае по фиг. 1 з - непосредственно через нижний шаровой сегмент 32, выполненный полностью из магнитно-мягкого материала).
+
-
Размеры шаровых сегментов выбираются с учетом известных размеров атомов или ионов или групп атомов или ионов моделируемой структуры и масштаба модели, в которой они должны быть использованы. Например, при моделировании структуры NaCl в известной системе атомных радиусов Дж. Слейтера (J.C. Slater. Atomic Radii in Crystals. The Journal of Chemical Physics, v. 41, №10, 1964, pp. 3199-3204 [9]) и масштабе модели 100000000:1, при котором 1 см в модели соответствует 1Å в реальной кристаллической структуре, шаровые сегменты ионов Na должны быть выделены из шара диаметром 36 мм, а шаровые сегменты ионов Cl должны быть выделены из шара диаметром 20 мм. Высота шарового сегмента должна быть несколько меньше половины диаметра шара (предпочтительно - на половину толщины прозрачной пластины 5). В этом случае обеспечивается более точное воспроизведение сферической формы имитируемого атома или иона.
Источники информации
1. Deane К. Smith. Bibliography on Molecular and Crystal Structure Models. U.S. department of commerce. National bureau of standards. National Bureau of Standards Monograph 14. Issued May 20, 1960.
2. В.М. Потапов. Стереохимия. Москва, Изд. "Химия", 1988, с. 10-11.
3. Патент Великобритании №1144851, опубл. 12.03.1969.
4. Патент РФ на полезную модель №119504, опубл. 20.08.2012.
5. Патент РФ на изобретение №2494466, опубл. 29.09.2013.
6. В. Kamb. Structure of ice VI. Science №150, 1965; pp. 205-209.
7. Патент США №4622014, опубл. 11.11.1986.
8. Постоянные магниты. Справочник. Под ред. Ю.М. Пятина. Москва, "Энергия", 1980, 488 с.
9. J.C. Slater. Atomic Radii in Crystals. The Journal of Chemical Physics, v. 41, №10, 1964, pp. 3199-3204.