КОНСТРУКТОР МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОННЫХ ОБОЛОЧЕК И ЯДЕР АТОМОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
CONSTRUCTION KIT OF MODELS OF ELECTRON SHELLS AND ATOMIC NUCLEI OF CHEMICAL ELEMENTS

Изобретение относится к учебным наглядным пособиям для интерактивного обучения и научно-технических работ, с помощью моделирования внутри атомных структур и внутриатомных процессов.
Изобретение может быть использовано в качестве наглядного учебного пособия в процессе интерактивного изучения внутреннего строения атомов химических веществ, структурных элементов атома, взаимодействия элементарных частиц, из которых состоит атом, изучения механизма возникновения валентности и химических связей, изучения процессов, происходящих на электронном, внутриядерном и атомно-молекулярном уровне на уроках химии и физики. Также изобретение может быть использовано в качестве настольной развивающей игры головоломки.
При изучении физики и химии большую роль играют средства наглядности, обеспечивающие возможность демонстрации, создания образа изучаемого объекта или явления. Практика обучения химии и физики показала, что особое значение имеет применение моделей при изучении процессов, которые невозможно наблюдать из-за большой разницы временных или пространственных масштабов. Модели служат для наглядного изображения молекул органических и неорганических соединений, позволяют судить о взаимном расположении атомов, входящих в молекулу. Модель оказывается единственным объектом, который является носителем информации о процессе или явлении. Молекулярные модели используют в тех случаях, когда по структурной формуле трудно или практически невозможно представить пространственное расположение атомов, в частности при изучении пространственной изомерии.
Известны молекулярные мелели, наглядные учебные пособия, изображающие молекулы органических и неоргнеорганических соединений. Различают два основных типа молекулярных моделей скелетные и объемные. Скелетные модели приближенно отражают ориентацию валентностей, а иногда и орбиталей электронов в пространстве, но не дают представления об относительных размерах атомов. Объемные модели отображают валентные углы, ковалентные радиусы атомов и их эффективные радиусы, близкие по значениям ван-дер-ваальсовым.
4
3
2
2
3
2
2
К первому скелетному типу относятся, известные с 1865 г., модели Кекуле-Вант-Гоффа сделанные из шариков соединенных отрезками проволоки. Более совершенны модели Дрейдинга, предложеные в 1959, состоят из стальных стержней и трубок, соединенных в точке, изображающей ядро атома, под углами, равными валентным, (см. статьи «Молекулярные модели»: Илиел Э., Стереохимия соединений углерода, пер. с англ., М., 1965, с.20-21; Темникова Т.И., Курс теоретических основ органической химии, 3 изд., Л., 1968, с.122-27; Потапов В.М., Стереохимия, 2 изд., М., 1988, с.9-14; Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, 4 Aufl., Bd 3, Tl 1, Stuttg., 1955; Vogtle F., Neumann P., "Chem. Ztg", 1974, Jahrg. 98, №8, S.375-86). Длины трубок и стержней пропорциональны длинам связей между атомами водорода и данного элемента (0,1 нм соответствует 2,5 см). Свободные концы трубок и стержней изображают ядра атомов водорода, поэтому каждый фрагмент в отдельности является моделью молекулы простейшего водородного соединение данного элемента (CH, NH, HO, HS и т.д.). Расстояние между их центрами пропорционально соответствующему межатомному расстоянию. Модель Дрейдинга верно отражает межатомные расстояния и валентные углы в молекулах. Она позволяет имитировать внутреннее вращение, оценивать энергетическую выгодность различных конфигураций, измерять расстояния между непосредственно не связанными атомами. По тому же принципу сконструирована модель Фишера, изготовляемая из пластмассы; из-за более крупного масштаба (0,1 нм соответствует 5 см), она преимущественно используются при лекционных демонстрациях. Разновидность скелетных молекулярных моделей, орбитальные модели. Орбитальные модели дают представление об атомных и молекулярных орбиталях. Одна из наиболее известных моделей такого типа - каркасная модель FMM (Framework Molecular Models). Их собирают из металлических узлов (кластеров) трех типов, соответствующих sp-, sp- и sp-гибридизации. Узлы соединяются между собой пластмассовыми трубочками; при этом короткие штырьки, не использованные для механического связывания кластеров, имитируют расположение p-орбиталей электронов (в случае sp- и sp-гибридизированных атомов). Разновидность скелетных молекулярных моделей, орбитально-лопастные модели, в которых атомные орбитали имитируются объемными фрагментами, напоминающими по форме шары или неправильные эллипсоиды. Подобные модели особенно полезны при изучении реакций, регулируемых правилами орбитальной симметрии. Молекулярные p-орбитали электронов могут быть представлены отрезками трубочек.
Недостатком скелетных моделей является то, что сам атом химического элемента изображается условно точкой пересечения стержней штырьков или трубок, либо просто шариком произвольного размера. Недостатками орбитальных и орбитально-лопастных моделей является то, что они ограничиваются только показом вероятной формы орбиталей -s -p электронов только одной внешней электронной оболочки атома, а невалентные и внутренние электроны атома никак не обозначены. Данные модели никак не объясняют, почему именно столько электронов, не больше и не меньше, участвуют в химической связи. Скелетные модели не способны раскрыть механизм возникновения валентности и не раскрывают внутреннее строение атомов.
Известны объемные молекулярные модели, правильно передающие размеры и форму молекул. Они были разработаны в 1934 Г. Стюартом и позднее усовершенствованы Г. Бриглебом (см. статьи «Молекулярные модели»: Илиел Э., Стереохимия соединений углерода, пер. с англ., М., 1965, с.20-21; Темникова Т.И., Курс теоретических основ органической химии, 3 изд., Л., 1968, с.122-27; Потапов В.М., Стереохимия, 2 изд., М., 1988, с.9-14; Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, 4 Aufl., Bd 3, Tl 1, Stuttg., 1955; Vogtle F., Neumann P., “Chem. Ztg", 1974, Jahrg. 98, №8, S.375-86). Каждый фрагмент, изображающий атом определенного элемента, в моделях Стюарта представляет собой шаровой сегмент, причем радиус шара пропорционален эффективному радиусу атома, а расстояние от центра шара до плоскости среза ковалентному радиусу. В случае многовалентных атомов, делают соответствующее число срезов, причем угол, между перпендикулярами из центра шара на плоскость среза, равен валентному. По предложению Г. Бриглеба для атомов, соединенных кратными связями, сегменты изготовляют не из шаров, а из эллипсоидов, большая полуось которых соответствует эффективному радиусу, обусловленному наличием p-электронного, а малая s-электронного облака. Модели изготовляют обычно из пластмассы, окрашенной в цвета, установленные для каждого элемента. Для углерода черный, для водорода белый, для кислорода красный, для азота синий, для серы желтый и т.д. При сборке моделей сегменты соединяют между собой по плоскостям срезов, причем в случае простых связей сегменты могут вращаться один относительно другого. Модели Стюарта-Бриглеба верно передают валентные углы, межатомные расстояния и эффективные радиусы; они позволяют измерять расстояния между различными атомами и группами (0,1 нм соответствует 1,5 см). Эффективные радиусы, принятые в моделях Стюарта-Бриглеба, на 10-15% меньше ван-дер-ваальсовых радиусов, получаемых из кристаллографических данных. Известны объемные молекулярные модели, отличающиеся от описанных выше моделей масштабом, раскраской и некоторыми конструктивными особенностями. Так, модели Фишера-Хиршфельдера-Тейлора и модели "Эугон" близки к моделям Стюарта в их первоначальном варианте, но выполняют их в масштабе 0,1 нм-1 см. Модели СРК (Corey-Pauling-Koltun, Кори-Полинг-Колтун) делают пустотелыми в масштабе 0,1 нм-1,25 см. Эти модели отличаются особо прочным креплением сегментов и наиболее удобны для построения моделей макромолекул. Модели Хартли-Робинсона ("модели Курто"), благодаря эластичному соединению сегментов, с помощью специальных кнопок с резиновыми прокладками, позволяют собирать модели напряженных молекул. В этих моделях валентный угол существенно отличается от стандартного, что дает возможность иметь в наборе меньше типов сегментов, чем в моделях Стюарта-Бриглеба. Такие же возможности дают и модели Стюарта-Бриглеба, изготовленные из резины.
Недостатком объемно молекулярных моделей является то, что все они изображают атомы химических элементов в виде шаров или сегментов шаров различного диаметра и цвета, при этом не раскрывают внутреннее строение атомов. Они не раскрывают причину возникновения той или иной валентности у атомов химических веществ в них рассматривается только атомно-молекулярное строение веществ и не рассматривается структура строения атомов химических веществ.
Известна модель строения ядра атома состоящая из шариков, изображающих протоны и нейтроны (см. статью «Ядра атомов»: Канарев Ф.М. с.4-18. kanphil@mail.ru). В этой модели шарик, изображающий протон имеет два магнитных полюса. Шарик, изображающий нейтрон имеет шесть симметричных магнитных полюсов, причем векторы магнитного поля перпендикулярны друг другу. Протон имеет возможность стыковаться одним из полюсов с нейтроном. Нейтроны имеют возможность стыковаться шестью магнитными полюсами с шестью соседними нейтронами и протонами. Протоны не могут стыковаться друг с другом напрямую, им необходим изолирующий посредник один или лучше два нейтрона. Начиная с ядра атома углерода, образуется устойчивая гексагональная нуклонная структура, состоящая из внутреннего шести нейтронного кольца и наружных шести протонов, примагниченных одним из магнитных полюсов к этому нейтронному кольцу. Дальнейшее построение атомных ядер сводится к комбинации этого гексагонального углеродного кольца с моделями, полученными при строительстве ядер атомов водорода, дейтерия, гелия, лития, бериллия, бора. Затем в построении модели ядер химических элементов, начиная с кремния, используется комбинация из двух гексагональных углеродных колец, а начиная с ванадия, комбинация из трех гексагональных углеродных колец. Модель ядра атома меди последняя фигура, которой автор закончил свои построения. Строительство моделей электронных оболочек автор закончил на атоме кислорода. Модель электронной оболочки атомов состоит из очень маленьких тороидальных кольцевых орбит электрона, которые равномерно покрывают всю сферу атома химического элемента, наподобие одуванчика.
Недостатком моделей строения атомного ядра по Канареву Ф.М. является то, что модель нейтрона с шестью магнитными полюсами противоречит экспериментальным научным данным. Достоверно установлено, что у нейтрона только два магнитных полюса. Большинство построенных моделей ядер атомов, по Канареву Ф.М., имеют суммарный ядерный спин и четность, не совпадающую с научными экспериментальными данными. Разработано строение только двадцать девять из ста восемнадцати открытых, на сегодняшний день, ядер химических элементов. Электронная оболочка атома разработана только для восьми химических элементов из ста восемнадцати ядер химических элементов открытых, на сегодняшний день.
Известно техническое решение два патента одного автора Карла Швайгера на одну тему учебных атомных моделей. Первый патент Англии №713955, кл. G09B 23/26. 1954 г. «Учебная модель, представляющая структуру атома». В этой модели структура атома представлена в соответствии с теорией, основанной на математической аналогии между электромагнитными и гидродинамическими явлениями. В этой теории структурные компоненты атома представлены в виде гидродинамических вихревых колец, сечение которых соответствует двум равным кругам, имеющим форму лемнискаты. Конструктивные элементы, изображающие вихревые кольца, примерно цилиндрической формы высотой примерно равной половине их диаметра, которые размещены друг против друга и слоями друг на друге в виде стандартных блоков. Направление вращения вихревого потока указано цветом, стрелкой и т.п. Элементы монтируются, в соответствии с теорией строения атома и, как следствие, основой структуры являются треугольники, неполные треугольники, тетраэдрические или октаэдрические структуры, усеченные октаэдры. Из этих конструктивных элементов можно собрать все атомы или компоненты атома, в многогранные, и особенно восьмигранные, структуры.
Второй патент Англии №750514, кл. G09B 23/26, 1956 г. «Улучшения, связанные с учебными моделями, представляющими атомную структуру» (Дополнение к патенту №713955). В нем Карл Швайгер дополнил и развил первый патент. В развитии учебной модели для представления атомной структуры с использованием цилиндрических элементов, которые могут быть размещены друг против друга или друг на друге. Для того, чтобы представлять строение атома и различные условия возбуждения, протон представлен двумя конструктивными элементами, вихревыми кольцами, помещенными бок обок с противоположно направленными положительными и отрицательными полюсами. Нейтрон представлен двумя конструктивными элементами, вихревыми кольцами, помещенными один на другой, отдельно и без признака положительных или отрицательных полюсов. Атомы, представлены с числами протонов и нейтронов, соответствующих изотопу атома. В модели атомы состоят из отдельных конструктивных элементов или групп элементов, выполненных на принципе октаэдра. На таких восьмигранных структурах также представлены электронные облака, окружающие атом, орбиты электронов иллюстрированы изогнутыми проводами или группами проводов, внутри ограждающих прозрачных сферических поверхностей или проволочных сеток. Излучаемая радиация, направленная наружу атома, от тепловых потоков и световых волн, отмечена на модели прямолинейными и центрально направленными группами проводов с маркировкой, + и -. Треугольные группы кольцевых элементов могут быть соединены по их краям или по их вершинам для представления молекул различных веществ и для представления поведения веществ под действием механических, тепловых или электрических сил. Кольцевые элементы могут состоять из постоянных магнитов, и могут быть навесными или упруго соединенными вместе так, чтобы элементами можно было бы манипулировать по отношению друг к другу. Главная ось вращения октаэдра атома может быть показана, чтобы указать эффект, когда внутреннее давление атомных зарядов, в газовой фазе, превышает нормальное атмосферное противодавления на поверхность атома. Поверхность атома может, вспучиваться от внутреннего избыточного давления зарядов, и может взорваться. Оси вращения атома, могут проходить через две поверхности, два ребра, или, через две вершины. В последнем случае преобладание внутреннего давления зарядов над центробежной силой, созданные низкой скоростью вращения, создает амплитудные колебания параллельных элементов. Центробежная сила дает перевес над внутренними силами, при высокой скорости вращения и вызывает деформацию октаэдров, т.е. сокращение осевого размера и увеличение радиального размера. Вся периодическая система химических элементов, при желании, в том числе все изотопы, могут быть показаны как различные атомы тетраэдрической или октаэдрической структуры. Эти структуры, состоящие из конструкционных элементов атомов, каждого горизонтального ряда периодической системе только, более или менее, отличаются друг от друга по форме, элементов сколов в углах и на краях октаэдров.
Недостатком данного технического решения является то, что модели строения элементарных частиц нейтрона и протона противоречат экспериментально установленным научным данным. Нейтрон изображается с помощью двух вихревых колец помещенными один на другой, отдельно и без признака положительных или отрицательных полюсов, что противоречит экспериментальным данным. Экспериментально установлено, нейтрон обладает двумя магнитными полюсами. Протон представлен двумя конструктивными элементами, вихревыми кольцами, помещенными бок обок с противоположно направленными положительными и отрицательными полюсами, что означает наличие у протона четырех магнитных полюсов, что противоречит экспериментальным данным. Экспериментально установлено, протон обладает двумя магнитными полюсами. Из модели атома Карла Швайгера не ясно, как электрон будет взаимодействовать с протоном, у которого четыре магнитных полюса. Радиуса орбит электронов не квантованы.
Известно техническое решение «Машина модель атома» патент США №2601729, кл. G09B 23/26, 1952 г. В этой модели атома кислорода, с механическим приводом шары, представляющие ряд элементарных частиц, вращающихся по круговым орбитам в пределах или около центрального ядра. Полые резиновые шары, представляющие атомные частицы, с надписями N, P, и E, означая нейтрон, протон и электрон, соответственно, имеют различный цвет. Шары насажены на спицы и вращаются, с помощью ручного или электрического привода, моделируя воображаемое движение частиц в пределах фактического атома, как в планетарии, в показе движения планет около солнца. За основу взят атом кислорода, у которого есть восемь протонов и восемь нейтронов в его ядре и восемь электронов в его планетарных орбитах, два из которых во внутренней орбите, остальные шесть, во внешней валентной орбите. Машина может быть приспособлена для демонстрации других элементов и молекул, например воды. Для демонстрации молекулы воды. Прилагаются два атома водорода, каждый имеющий один протон и один электрон, Эти два электрона от двух водородных атомов, заполняют внешнюю валентную орбиту кислородного атома и формируют модель молекулы воды.
Недостатком данного технического решения является то, что представлена структура только одного атома кислорода, и нет объяснения, почему из шести внешних электронов валентны только два электрона. Радиуса орбит электронов не квантованы.
Известно техническое решение «Магнитно-соединяемая модель для научных и математических структур» патент США №3091870, кл. G09B 23/26, 1963 г. Модель состоит из двух полюсных мульти-симметричных магнитных образцовых элементов. Наборы таких моделей-элементов включают дискретное число классов одного размера, идентичных в пределах каждого класса. В магнитное зажимное приспособление или структуру вставлен магнит, который имеет полусферы, прерванные промежутком, регулируемым по длине. Образцовые элементы, изображающие s- и p-электронные облака, собираются в модели, содержащие три типа парамагнитных сфер, с включенными в них экваториально кольцевых и биполярно стержневых магнитных элементов. С помощью магнитных сфер различного диаметра строятся комбинации тетраэдров, изображающих электронные оболочки химических элементов.
Недостатком данного технического решения является то, что радиуса орбит электронов в данной модели не квантуются, а валентные электроны никак не выделены. Строение атомного ядра в данной модели не рассматривается.
Известно техническое решение «Динамическая демонстрационная машина модели атомов» патент США №4074443, кл. G09B 23/00, 1978 г. В демонстраторе атома на поверхности шара расположены ряды лампочек, которые имитируют электроны. Когда шар вращается вокруг двух перпендикулярных осей в затемненной комнате, светящиеся яркие лампы, представляющие движение электронов, описывают криволинейные пути
Недостатком данного технического решения является то, что для демонстрации движения электронов вокруг атомного ядра требуется затемненная комната. При этом невозможна демонстрация взаимодействия электронов при химических реакциях атомов. Орбиты электронов в этой модели не квантованы и не различаются по видам s-, р-, d-, f-орбитам.
Известно техническое решение «Интерактивная атомная модель» европейский патент №1842177, кл. G09B 23/24, 2007 г., состоящая из цилиндрического пластикового отсека, между стенками и крышкой, которых содержится некоторое число круглых плоских пластиковых цветных шайб. Эти цветные пластиковые плоские шайбы изображают элементарные частицы: электроны, протоны и нейтроны. На плоских шайбах черного цвета, изображающих электроны, изображен знак «минус», на шайбах протонах белого цвета изображен знак «плюс». На шайбах белого или голубого цвета, изображающих нейтроны, нет никакого знака. На внешней поверхности крышки имеется центральная рельефная круглая впадина и четыре круговых выступа, изображающие модель строения атома. Центральная круговая впадина, изображающая область атомного ядра, окружена четырьмя концентрическими выступами, изображающими замкнутые электронные орбиты. Концентрические выступы электронных орбит имеют прямоугольный профиль. Пластиковые шайбы, изображающие электроны, имеют прямоугольный паз, которым они крепятся на концентрические прямоугольные выступы, изображающие электронные орбиты. Электроны могут беспрепятственно скользить по круговым выступам-орбитам. В центральной впадине выкладываются другие пластиковые шайбы, изображающие протоны и нейтроны. Задача учащихся - так выложить протоны, нейтроны и электроны, чтобы получалась равновесная фигура атома. Днище коробки так же может повторять рельеф крышки и использоваться для изображения строения ядра и электронной оболочки второго атома.
Недостатками данного технического решения модели строения атома является то, что размеры радиусов орбит электронов не квантованы, и не показана связь радиусов орбит электронов с главным квантовым числом. Количество моделей атомов, которые можно построить здесь ограниченно тремя неполными оболочками. В центральной области ядра может поместиться менее 20 протонов и нейтронов. Модель атома получается плоская не объемная. Электроны не имеют деления на валентные и не валентные и все электроны одного размера. У данного технического решения модели атома невозможно правильно отобразить взаимосвязь протонов с электронами, и как строение ядра влияет на валентность химических элементов
Известно техническое решение, два патента на одну тему учебных атомных моделей одного автора Кеннета Снельсона. Первый патент США №3276148, кл. G09B 23/26, 1966 г. «Модель для атомных форм». Автор обнаружил уникальный набор семи мер симметрии, которые разрешают идентичным круглым кольцевым магнитам связываться непрерывно на сфере. Семь мер симметрии содержат 2, 5, 8, 10, 14, 18 и 32 кольцевых магнита, что позволяет моделировать электронные оболочки атомов различных химических элементов, чтобы представлять электронные системы с более низкой энергией связи. «Модель для атомных форм» включает множество идентичных круглых магнитных колец или дисков, имеющих осевую полярность уложенных в определенном порядке на поверхностях сфер, образованных прутами поддержки. Причем каждый магнит контактирует краями, по крайней мере, с двумя другими магнитными дисками с противоположной полярностью. Диаметр открытой круглой области между любыми смежными магнитами меньше, чем диаметр самих магнитов. Модель может включать средства для того, чтобы вращать один из кольцевых магнитов, причем все остальные магнитные кольца будут согласованно вращаться, как единая механическая система. Модель может включать множество концентрически встроенных сфер для того, чтобы представлять различные энергетические уровни атома. Магнитные кольца лежат на шаровой структуре, состоящей из множества прутов с плоскими круглыми ферромагнитными поддержками, равного диаметра для магнитных колец. Пруты поддержки простираются во всех направлениях от общей точки в указанной структуре. В общей точки пересечения прутов поддержки находится шар, изображающий ядро атома. Плоскости круглых поддержек перпендикулярны прутам поддержки и образуют сферу, представляющую энергетический уровень электрона.
Второй патент США №4099339, кл. G09B 23/26, 1978 г. Кеннета Снельсона дополняет и улучшает модель электронных оболочек атома и предусматривает возможность демонстрации различных эффектов спаривания электронов, ответственных за химическую связь в молекулах, например, таких как ковалентное связывание.
Недостатком данного технического решения, модели строения электронных оболочек атомов является то, что для каждой электронной оболочки нужно свое устройство поддержки кольцевых магнитов. Невозможно в одной модели устройства совместить все семь мер симметрии для демонстрации семи электронных оболочек атомов. Электронные оболочки между собой магнитно никак не согласованы и не симметричны. Отсутствует причинно следственная связь между протонами ядра и электронами оболочек. Не раскрыто строение атомного ядра. Модель, для демонстрации электронной оболочки, ограниченна тридцатью двумя химическими элементами, дальнейшая симметрия в построении электронных оболочек автором не обнаружена. Данная модель не может объяснить ограничения валентности химических элементов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранная, в качестве прототипа, «Молекулярная модель» по патенту США №3183608, кл. G09B 23/26, 1965 г. Данное изобретение имеет отношение к улучшенным и более подробным атомным и молекулярным моделям. Модель состоит из множества концентрических сферических единиц для того, чтобы представлять различные структуры электронных оболочек классической структуры атома. Эти сферические единицы могут разделяться на полушария для сборки и разборки полной структуры. Сферические структуры, для физического представления теоретических положений о местоположении электронов в атоме, снабжены дополнительными, средствами обеспечения для удержания собранных структурных единиц. Ядро атома изображает, внутренняя сфера приспособленная вмещать множество меньших шариков, изображающие протоны и нейтроны, атомного ядра. Шарики, изображающие нейтроны, протоны и электроны, раскрашены в различные цвета. Одна прозрачная полусфера стыкуется с другой прозрачной полусферой с помощью соединительной обечайки. На совмещаемых плоскостях прозрачных полусфер имеются три соосные радиальные круговые канавки полуцилиндрического профиля. В эти канавки вкладываются, в определенном порядке, шарики изображающие электроны и жестко зажимаются между прозрачными полусферами. В центре прозрачной сферы образованной состыкованными полусферами имеется внутренняя сфера, в которую вкладываются другие шарики изображающие протоны и нейтроны. Для демонстрации взаимодействия валентных электронов на поверхности прозрачной сферы имеется до восьми резьбовых углублений. В этих резьбовые углубления ввинчиваются магнитные контактные площадки. С помощью этих магнитных контактных площадок демонстрируются молекулярные связи атомов.
У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие сходные существенные признаки. Оба изобретения соединяют в себе две модели, модель ядра атома и модель электронной оболочки атома. У обоих изобретений модель ядра атома включает два типа шариков изображающих протоны и нейтроны. Оба изобретения демонстрируют электронные оболочки, состоящие из нескольких слоев шариков, изображающих разные энергетические уровни электронов в атоме. Оба изобретения имеют возможность демонстрации различных валентных состояний атома. Оба изобретения позволяют демонстрировать деление атомного ядра.
Недостатками известного технического решения, принятого за прототип, является то, что данная конструкция позволяет демонстрировать всего три электронные оболочки атома, т.е. восемнадцать химических элементов. Ограничения накладывает прозрачность конструкционного материала и переотражение света, возникающие на границах раздела сред. Ядро атома в этой модели неструктурированно, шарики изображающие протоны и нейтроны укладываются во внутреннюю сферу хаотично. Не показана связь протонов с электронами. Электроны, находящиеся в кольцевых канавках не имеют деления на s- и p-электроны и не имеют деления на валентные и не валентные. Модель электронной оболочки выполнена в одной плоскости.
Эти недостатки обусловлены тем, что невозможно в одной плоской модели атома корректно совместить сразу две модели, модель атомного ядра и модель электронной оболочки атома, различающиеся геометрическими размерами друг от друга примерно в 100000 раз.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков ближайших аналогов и прототипа и создание универсального конструктора электронных оболочек и ядер атомов химических элементов, позволяющего корректно отражать строение элементов атома, атомного ядра и электронной оболочки атома, геометрически различающиеся между собой примерно в 100000 раз. Показать пространственную взаимосвязь электронов протонов и нейтронов в атоме. Раскрыть причинно следственную связь, как изменения в ядре атома влияют на валентность его электронной оболочки. Разрешить проблемы в объяснении нарушений в строении электронной оболочки некоторых атомов. Показать в чем причина коренного различия между валентными и не валентными электронами. Показать поведения валентных электронов и связанных с ними протонов во время химических реакций. Показать, как изменяется внутреннее строение атома при полиморфных превращениях вещества. Показать, как строение ядра атома влияет на результаты ядерных реакций.
Для достижения поставленных целей, заявляемое изобретение конструктор электронных оболочек и ядер атомов химических элементов, как и прототип, имеют общие существенные признаки. Оба изобретения содержат разноцветные шарики, изображающие электроны, которые закрепляются в приспособлении для физического представления, различных энергетических уровней в электронных оболочках атома и разноцветные шарики изображающие протоны и нейтроны для демонстрации состава атомного ядра и для демонстрации деления атомного ядра.
По отношению к прототипу у заявляемого изобретения имеются следующие отличительные признаки. Конструктор моделей состоит из двух специализированных взаимосвязанных наборов: электронного набора моделей и ядерного набора моделей. Наличие двух специализированных наборов моделей позволяет корректно отражать строение элементов атома, атомного ядра и электронной оболочки атома, геометрически различающиеся между собой примерно в 100000 раз. С помощью специализированных наборов моделей, создаются все возможные варианты строения электронных оболочек атомов и строение всех возможных изотопов ядер атомов. Что позволяет раскрыть причинно следственные взаимосвязи, как изменения в ядре атома отражаются на строении его электронной оболочки.
Наличие сразу двух специализированных наборов, позволяет демонстрировать пространственные взаимосвязи электронов протонов и нейтронов в атоме. Показывать поведение при химических взаимодействиях валентных электронов и связанных с ними валентных протонов. Показывать, как изменяется внутреннее строение атома, его электронная оболочка и строение ядра при полиморфных превращениях вещества.
Первый электронный набор моделей предназначен для изображения электронной оболочки атома. Он содержит, по крайней мере, 120 легковесных шариков, на экваторе которых нарисован электрон в виде кольца со стрелкой указывающей направления вращения и делящего шарики на полусферы, раскрашенные как стержневые магниты. Эти шарики делятся на 14 размеров радиуса, соотносящихся друг к другу как r=1; r=1,5; r=2; r≈2,3; r=2,5; r≈2,8; r=3; r≈3,2; r≈3,3; r=3,5; r≈3,7; r≈3,8; r=4; r=4,5. Шарики маркируются с обозначением, порядкового номера электронной оболочки. Шарики имеют сквозные и глухие отверстия для крепления их на, по крайней мере, трех различных стендах.
Первый стенд состоит из трех направляющих осей, взаимно пересекающихся посередине под прямым углом в одной точке, изображающей ядро атома. Одна из направляющих осей вертикальная, а две оси горизонтальные, пересекаются в одной плоскости под углом 90°. Стенд может, вращаться в горизонтальной плоскости на подставке.
Второй стенд состоит из четырех направляющих осей пересекающихся посередине, в одной точке, изображающей ядро атома. Одна из направляющих осей, самая длинная вертикальная, а три оси горизонтальные, пересекаются в одной плоскости под углом 60°. Стенд может, вращаться в горизонтальной плоскости на подставке.
Третий стенд состоит из семи направляющих осей, взаимно пересекающихся посередине, в одной точке, изображающей ядро атома. Одна из направляющих осей, самая длинная вертикальная, а шесть других направляющих осей располагаются в одной горизонтальной плоскости и пересекаются под углом 30°. Три из этих шести направляющих осей более длинные. Они расположены в горизонтальной плоскости через 60° и между ними, посередине, располагаются более короткие направляющие оси, точка пересечения делит их пополам. На этих коротких осях имеются по четыре ряда, с каждой стороны, коротких штырьков посадочных мест для электронов, перпендикулярно пересекающих короткие оси, но не лежащих с ними в одной плоскости. Точка крепления штырька к короткой оси делит его пополам и образует по два посадочных мест для крепления электронов.
Каждый ряд коротких штырьков, держателей электронов, располагается на одном радиусе от точки пересечения осей. Два первых ряда штырьков имеют по два посадочных места для 3d- и 4d-электронов. Шарики 3d- и 4d-электронов крепятся по парно на штырьках над и под плоскостью вращения стенда.
Третий и четвертый ряд штырьков для 5d-, 6d-, 4f- и 5f-электронов образован удвоенным количеством штырьков взаимно пересекающихся в одной точке с короткой осью и перпендикулярных ей, но не лежащих с ней в одной горизонтальной плоскости. Третий и четвертый ряд штырьков имеет по четыре посадочных места для электронов. На каждой короткой оси, по два для 5d- и 6d-электронов и по два для 4f- и 5f-электронов. Шарики 5d-, 6d-, 4f- и 5f-электронов крепятся попарно на штырьках над и под плоскостью вращения стенда. У одной из этих трех коротких осей, имеется два дополнительных штырька, образующих по одному посадочному месту для 6s- и 7s-электронов, с каждой стороны от точки пересечения. Причем два из них находятся над горизонтальной плоскостью образованной шестью направляющими осями и два других, оппозитно, под горизонтальной плоскостью. Все электроны сориентированы своей осью вращения на ядро атома,
Второй ядерный набор моделей, конструктора позволяет моделировать строение всех возможных изотопов ядер атомов. Модели показывают, как строение ядра атома влияет на результаты ядерных реакций. Модели демонстрируют, как изменяется внутреннее строение атома при полиморфных превращениях вещества.
Конструктор моделей ядер атомов содержит, по крайней мере, 328 разноцветных прочных шариков одного размера, изображающих протоны и нейтроны. Эти шарики имеют сквозные и глухие отверстия для надежного крепления короткими соединительными штырьками одного размера. Из этих 328 шариков, 312 шариков сведены в 27 готовых неразборных гексагональных нуклонных структур шести типов, внутреннее кольцо которых состоит из шести нейтронов, а наружное кольцо может содержать от одного до шести протонов.
Второй ядерный набор моделей конструктора содержит, по крайней мере, три специальных стенда держателя шариков нуклонов с двумя и тремя направляющими осями.
Первый стенд состоит из трех направляющих осей, взаимно пересекающихся посередине под прямым углом в одной точке. Он служит для демонстрации строения ядер атомов от водорода до углерода. Стенд вращается, на подставке, в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси и выниматься из подставки, для надевания и снятия шариков нейтронов и протонов.
Второй стенд, служит для демонстрации строения ядер атомов парагелия и изотопов лития. Он состоит из двух направляющих осей, взаимно пересекающихся посередине в одной точке. Вертикальная ось прямая, а горизонтальная ось имеет S-образную форму. Стенд может вращаться, на подставке, в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси и выниматься из подставки, для надевания и снятия шариков нейтронов и протонов.
Третий вилочный стенд, служит для демонстрации строения ядер атомов периодической системы химических элементов, от углерода в форме графита до сто двадцатого, еще не открытого, последнего химического элемента. Вилка состоит из двух вертикальных параллельных осей, соединенных горизонтальной перекладиной, симметрично вращающихся на вертикальной общей оси вращения. Вилка стенда свободно вращается на горизонтальной подставке и может выниматься из подставки.
Все шарики изображающие протоны и нейтроны располагаются в модели ядра на стенде так, чтобы суммарный ядерный спин и четность соответствовали экспериментальным данным ядерной физики. При сборке модели ядра атома, направление магнитного вектора, каждого шарика изображающего протон ядерной оболочки атома, должно совпадать с направлением магнитного вектора соответствующего связанного с ним электрона, соответствующего энергетического уровня электронной оболочки.
На всех шариках обоих наборов моделей конструктора, стрелкой, обозначено направление вращения шариков, цветом обозначена магнитная полярность полушарий, а на шариках изображающих электроны обозначен номер электронной оболочки, к которой он принадлежит.
Технический результат заявленного изобретения выражается в следующем.
Конструктор позволяет моделировать пространственные взаимосвязи электронов протонов и нейтронов в атоме.
Раскрывает причинно следственные связи, как изменения в ядре атома отражаются на строении электронной оболочки.
Конструктор обладает предсказательными свойствами, разрешает ранее не разрешимые проблемы в объяснении нарушения в строения электронной оболочки некоторых атомов.
Конструктор позволяет моделировать поведения валентных электронов и протонов во время химических взаимодействий.
Конструктор позволяет моделировать, как изменяется внутреннее строение атома при полиморфных превращениях вещества.
Конструктор позволяет моделировать, как строение ядра влияет на результаты ядерных реакций.
Конструктор повышает наглядность и результативность обучения, делает процесс обучения эвристическим, развивает логическое мышление и пробуждает интерес к познанию у учащихся. Более познавательная и привлекательная модель строения атома приводит к лучшему усвоению учебного материала и повышению качества подготовки специалистов, подвигает учащихся и специалистов к творческой работе, выдвижению собственных идей в решении той или иной задачи, что в конечном итоге приводит к новым открытиям и изобретениям.
В игровой форме доходчиво с помощью конструктора можно объяснить очень трудно усвояемый дидактический материал. Интерактивная форма обучения развивает тонкую моторику у детей, играющих с конструктором. Симметричные фигуры в строении электронной оболочки и в строения ядра атома, пробуждает эстетическое чувство гармонии и восхищения творениями природы.
В известных технических решениях совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".
По мнению автора, сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного устройства, так как из него не выявляется вышеуказанное влияние на получаемый технический результат - новое свойство объекта - совокупность признаков, которые отличают от прототипа заявляемое изобретение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".
Отличительный признак заявляемого изобретения, характеризующий его сущность, может быть многократно использован в качестве наглядного учебного пособия в процессе интерактивного изучения внутреннего строения атомов химических элементов, взаимодействия элементарных частиц, составляющих атом, механизма возникновения валентности и химических связей, процессов, происходящих на электронном, внутриядерном и атомно-молекулярном уровне на уроках химии и физики. Также изобретение может быть использовано в качестве настольной развивающей игры головоломки.
Заявленное изобретение может быть использовано в качестве наглядного учебного пособия в процессе интерактивного изучения внутреннего строения атомов химических веществ, взаимодействия элементарных частиц, составляющих атом, механизма возникновения валентности и химических связей, процессов, происходящих на электронном, внутриядерном и атомно-молекулярном уровне на уроках химии и физики. Также изобретение может быть использовано в качестве настольной развивающей игры головоломки. Что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "практическая применимость".
Техническая сущность и принцип действия изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:
На фиг.1 показан рисунок модели электрона. Электрон в виде кольца - 1. Стрелка, указывающая направления вращения электронного кольца - 2. Сфера непроницаемости электрона - 3. Северная - N магнитная полусфера - 4. Южная - S магнитная полусфера - 5. Маркировка номера электронной оболочки электрона - 6. Ось вращения электрона - 7.
На фиг.2 показан рисунок моделей сфер непроницаемости электронов, четырнадцати квантовых размеров радиуса, в сравнительном масштабе. Модели шариков s- и p-электронов - 1. Модели шариков d-электронов - 2. Модели шариков f-электронов - 3. Маркировка модели шарика электрона с номером электронной оболочки - 4.
На фиг.3 показан рисунок, в масштабе, показывающий как увеличивается радиус электрона - r и растет расстояния от ядра атома - R в зависимости от роста главного квантового числа - n (при росте - n от 1 до 8), поясняющий физический смысл принципа квантования. Радиус электронных сфер непроницаемости - r. Расстояние от ядра до центра масс электрона - R. Энергетические уровни электрона 1s-, 2s-, 3s-, 4s-, 5s-, 6s-, 7s-, 8s-.
На фиг.4 показан рисунок разрез модели шарика изображающего сферу непроницаемости s-электрона. Сквозное крепежное отверстие, совпадающее с осью вращения шарика - 1. Три экваториальных крепежных отверстия расположенных в плоскости экватора под углом 120° для крепления валентных р-, d-, f-электронов - 2. Короткий изогнутый крепежный штырек - 3.
На фиг.5 показан рисунок разрез модели шарика изображающего сферу непроницаемости p-электрона. Сквозное крепежное отверстие, проходящее через северный - N и южный - S магнитный полюс и совпадающее с осью вращения - 1. Дополнительное экваториальное крепежное отверстие, появляющееся начиная с четвертого энергетического уровня, у 4р-электронов и далее, расположенное в плоскости экватора - 2. Изогнутый короткий крепежный штырек - 3.
На фиг.6 показан рисунок, разрез модели шарика, изображающего d- и f-электроны. Одно глухое боковое отверстие - 1, Боковой соединительный штырек - 2. Условная ось вращения d- и f-электрона - 3.
На фиг.7 показан рисунок первого электронного стенда для демонстрации энергетических уровней в электронной оболочке первых шести атомов периодической системы химических элементов, от водорода до углерода в форме алмаза включительно. Точка пересечения осей, изображающая ядро атома - 1. Первая горизонтальная ось - 2. Вертикальная вращающаяся ось - 3. Вторая горизонтальная ось - 4. Подставка стенда - 5.
На фиг.8 показан рисунок второго электронного стенда для демонстрации энергетических уровней в электронной оболочке пятнадцати атомов периодической системы химических элементов, от углерода в форме графита до кальция включительно. Точка пересечения осей, изображающая ядро атома - 1. Шесть горизонтальных осей - 2. Вертикальная вращающаяся ось - 3. Подставка стенда - 4.
На фиг.9 показан рисунок третьего электронного стенда для демонстрации энергетических уровней в электронной оболочке девяноста девяти атомов периодической системы химических элементов, от скандия до сто двадцатого химического элемента. Точка пересечения осей, изображающая ядро атома - 1. Вертикальная вращающаяся ось - 2. Подставка стенда - 3. Шесть длинных осей для размещения p-электронов - 4. Шесть коротких осей - 5. Первый ряд штырьков-держателей, для 3d-электронов - 6. Второй ряд штырьков-держателей, для 4d-электронов - 7. Третий ряд штырьков держателей для 5d-электронов - 8. Четвертый ряд штырьков держателей для 6d-электронов - 9. Первый ряд штырьков-держателей для 4f-электронов - 10. Второй ряд штырьков-держателей для 5f-электронов S образной формы - 11. Штырек держатель дополнительный для 6s-электрона - 12. Штырек держатель дополнительный для 7s-электрона - 13.
На фиг.10 показан рисунок модели протона. Протон в виде кольца - 1. Сфера непроницаемости протона - 2. Стрелка, указывающая направления вращения кольца протона - 3. Северная - N магнитная полусфера - 4. Южная -S магнитная полусфера - 5.
На фиг.11 показан рисунок модели нейтрона. Нейтрон в виде кольца - 1. Сфера непроницаемости нейтрона - 2. Стрелка, указывающая направления вращения кольца нейтрона - 3. Северная - N магнитная полусфера - 4. Южная - S магнитная полусфера - 5.
На фиг.12 показан рисунок модели готовой неразборной гексагональной нуклонной структуры первого типа аналогичной структуре ядра атома углерода в форме графита. Шарик, изображающий нейтрон внутренней шестинейтронной оболочки - 1. Штырек соединительный - 2. Шарик, изображающий протон внешней протонной оболочки - 3. Кривой соединительный штырек - 4. Отверстие сквозное для крепления на вилочном стенде - 5.
На фиг.13 показана таблица «Порядок заполнения s- р- d- f-протонами и n-нейтронами внешних протонных оболочек семи инертных ядер химических элементов».
На фиг.14 показан рисунок модели готовой неразборной гексагональной нуклонной структуры второго типа. Шарик, изображающий нейтрон внутренней шестинейтронной оболочки - 1. Штырек соединительный - 2. Кривой соединительный штырек - 3. Шарик, изображающий протон с северным - N магнитным полюсом наружу - 4. Шарик, изображающий нейтрон с южным - S магнитным полюсом наружу - 5. Отверстие сквозное для крепления на вилочном стенде - 6.
На фиг.15 показан рисунок модели готовой неразборной гексагональной нуклонной структуры третьего типа. Шарик, изображающий нейтрон внутренней шестинейтронной оболочки - 1. Штырек соединительный - 2. Кривой соединительный штырек - 3. Шарик, изображающий протон с южным - S магнитным полюсом наружу - 4. Шарик, изображающий нейтрон северным - N магнитным полюсом наружу - 5. Отверстие сквозное для крепления на вилочном стенде - 6.
На фиг.16 показан рисунок модели готовой неразборной гексагональной нуклонной структуры четвертого типа. Шарик, изображающий нейтрон внутренней шестинейтронной оболочки - 1. Штырек соединительный - 2. Кривой соединительный штырек - 3. Шарик, изображающий протон с южным - S магнитным полюсом наружу - 4. Шарик, изображающий нейтрон с северным - N магнитным полюсом наружу - 5. Нейтрона с южным - S магнитным полюсом наружу - 6. Отверстие сквозное для крепления на вилочном стенде - 7.
На фиг.17 показан рисунок модели готовой неразборной гексагональной нуклонной структуры пятого типа. Шарик, изображающий нейтрон внутренней шестинейтронной оболочки - 1. Штырек соединительный - 2. Кривой соединительный штырек - 3. Шарик, изображающий протон с северным - N магнитным полюсом наружу - 4. Шарик, изображающий нейтрон с северным - N магнитным полюсом наружу - 5. Нейтрона с южным S- магнитным полюсом наружу - 6. Отверстие сквозное для крепления на вилочном стенде - 7.
На фиг.18 показан рисунок модели готовой неразборной гексагональной кольцевой структуры, изображающей внутреннюю шестинейтронную оболочку. Шарик, изображающий нейтрон внутренней шестинейтронной оболочки - 1. Штырек соединительный - 2. Отверстие сквозное для крепления на вилочном стенде - 3. Отверстие для крепления шариков внешней нуклонной оболочки - 4.
На фиг.19 показан рисунок первого ядерного стенда второго специального ядерного набора конструктора, служащего для демонстрации строения ядер атомов первых шести химических элементов. Две горизонтальные оси - 1. Подставка - 2. Вертикальная вращающаяся ось - 3.
На фиг.20 показан рисунок второго ядерного стенда второго специального ядерного набора конструктора, служащего для демонстрации строения ядер атомов парагелия и изотопов лития. Вертикальная прямая вращающаяся ось - 1. Горизонтальная S-образная ось - 2. Подставка - 3.
На фиг.21 показан рисунок третьего вилочного ядерного стенда второго специального ядерного набора конструктора, служащего для демонстрации строения ядер атомов от углерода до 120 химического элемента. Вертикальная ось вилки - 1. Горизонтальная соединительная перекладина - 2. Вертикальная вращающаяся ось - 3. Подставка - 4.
На фиг.22 показан рисунок модели электронной оболочки атома водорода, двух равновероятных способов захвата свободного электрона протоном атома водорода. Северным - N магнитным полюсом (спин J=-1/2) или южным - S магнитным полюсом (спин J=+1/2). Шарик, изображающий 1s-электрон - 1. Горизонтальная ось - 2. Подставка первого электронного стенда - 3. Точка пересечения трех осей стенда, символизирует ядром атома водорода - 4.
На фиг.23 показан рисунок модели электронной оболочки ортогелия в основном состоянии 1s2s, и двух равновероятных способов захвата двух свободных электронов ядром атома ортогелия. Северным - N магнитным полюсом и южным - S магнитным полюсом. Стрелки показывают направление перемещений электронов в оболочке ортогелия. Подставка первого ядерного стенда - 1. Шарик, изображающий 1s-электрон - 2. Шарик, изображающий 2s-электрон - 3.
На фиг.24 показан рисунок модели ядра атома ортогелия, с параллельными спинами четырех колец нейтронов и протонов. Горизонтальная ось с магнитной N- S-полярностью - 1 Два шарика, изображающих протон - 2. Два шарика изображающих нейтрон - 3. Вертикальная вращающаяся ось первого ядерного стенда - 4.
На фиг.25 показан рисунок модели электронной оболочки атома парагелия в основном состоянии 1s1s, имеющего антипараллельное расположение двух встречно вращающихся колец электронов. Шарики, изображающие 1s-электроны - 1. Горизонтальная ось с магнитной N- N-полярностью - 2. Первый ядерный стенд - 3.
На фиг.26 показан рисунок модели ядра атома парагелия имеющего параллельное расположение двух встречно вращающихся колец нейтронов и протонов. Два шарика изображающих нейтрона - 1. Два шарика изображающих протоны - 2. Горизонтальная S образная ось - 3. Второй ядерный стенд - 4.
На фиг.27 показан рисунок модели электронной оболочки атома лития. Шарики, изображающие 1s-электроны - 1. Шарик, изображающий 2s-электрон - 2. Вертикальная ось первого ядерного стенда - 3.
7
На фиг.28 показан рисунок модели ядра изотопа лития Li. Шарик, изображающий протон - 1. Шарик, изображающий нейтрон - 2. Горизонтальная S образная ось - 3. Вертикальная ось второго ядерного стенда - 4. Шарик, изображающий нижний нейтрон - 5. Шарик, изображающий верхний нейтрон - 6. Шарик, изображающий верхний протон - 7.
На фиг.29 показан рисунок модели электронной оболочки атома бериллия. Шарики, изображающие 1s-электроны - 1. Шарики, изображающие 2s-электроны - 2. Первый ядерный стенд - 3. Стрелки показывают направление возможных перемещений 1s-электронов в оболочке бериллия.
9
На фиг.30 показан рисунок модели ядра изотопа бериллия Be. Шарик, изображающий нейтрон - 1. Шарик, изображающий полярный валентный верхний 2s-протон - 2. Шарик, изображающий полярный валентный нижний 2s-протон - 3. Шарик, изображающий внутренний нейтрон - 4. Шарики, изображающие экваториальные инертные 1s-протоны - 5. Два боковых нейтрона - 6. Первый ядерный стенд - 7.
На фиг.31 показан рисунок модели электронной оболочки атома углерода в аллотропной форме графита. Второй электронный стенд - 1. Шесть шариков электронов равного диаметра - 2. Магнитная N- S-полярность электронов, на направляющих горизонтальных осях - 3.
На фиг.32 показан рисунок модели ядра изотопа углерода в аллотропной форме алмаза. Вертикальная ось первого ядерного стенда - 1. Шарики, изображающие нейтроны - 2. Шарик, изображающий 2s-протон - 3. Шарики нейтроны - 4. Шарик, изображающий 2s-протон - 5. Горизонтальные 1s-оси и 2p-оси - 6.
На фиг.33 показан рисунок модели электронной оболочки атома углерода в аллотропной форме алмаза. Первый ядерный стенд - 1. Шарики, изображающие 2s- и 2p-электроны второго энергетического уровня - 2. Ось со встречным вращением 1s-электронов - 3. Двойная стрелка показывает, как могут перемещаться 1s-электроны с внутренней орбиты на второй энергетический уровень.
16
На фиг.34 показан рисунок модели ядра изотоп кислорода O. Готовая неразборная гексагональная нуклонная структура аналогичная структуре ядра атома углерода в форме графита - 1. Третий ядерный стенд - 2. Короткий соединительный штырек - 3. Шарик, изображающий 2s-протон - 4. Ось вращения ядра изотопа атома кислорода - 5. Шарик, изображающий нейтрон - 6. Ось вилки третьего ядерного стенда - 7.
На фиг.35 показан рисунок модели электронной оболочки атома кислорода. Экваториальный инертный шарик электрон - 1. Полярный валентный шарик 2s- электрон - 2. Второй полярный валентный шарик 2s-электрон - 3. Ось вращения атома - 4. Второй электронный стенд - 5.
40
На фиг.36 показан рисунок модели ядра изотоп аргона Ar. Три готовые неразборные гексагональные нуклонные структуры первого типа - 1. Второй вилочный ядерный стенд - 2. Направляющие второго вилочного стенда 3. Шарики, изображающие нейтроны - 4.
На фиг.37 показан рисунок модели электронной оболочки атома аргона. Второй электронный стенд - 1. Восемнадцать шариков электронов - 2, - 3 и -4 трех разных квантовых радиусов 3p-, 2p-, 1p-. Магнитная полярность N - север S - юг, на направляющих горизонтальных осях - 5.
45
На фиг.38 показан рисунок модели ядра изотопа скандия Sc. Три готовых неразборных гексагональных нуклонных структуры первого типа - 1. Второй ядерного стенда - 2, Готовой неразборной гексагональной структуре шестого типа - 3. Шарик, изображающий протон, связанный с валентным 4s-электроном - 4. Короткий соединительный штырек - 5, Шарик, изображающий протон, связанный с валентным 3d-электроном - 6. Шарик, изображающий протон, связанный с валентным 4s-электроном - 7.
На фиг.39 показан рисунок модели электронной оболочки атома скандия. Третий электронный стенд - 1. Шарик, изображающий 4s- электрон как у атома калия - 2. Шарик, изображающий 4s-электрон как у атома кальция - 3. Вертикальная ось вращения атома скандия - 4. Шарик, изображающий 3d-электрон - 5. Двойная стрелка - 6 показывает перемещение 3d-электрона из инертного в валентное положение. Штырь посадочное место для 3d-электрона - 7.
52
На фиг.40 показан рисунок модели ядра изотопа хрома Cr. Три готовые неразборные гексагональные нуклонные структуры первого типа - 1. Второй вилочный ядерный стенд - 2. Готовая неразборная гексагональная структура третьего типа - 3. Шарик, изображающий 4s-протон - 4. Два шарика изображающих 3d-протоны - 5. Шарик, изображающий центральный осевой нейтрон - 6.
На фиг.41 показан рисунок модели электронной оболочки атома хрома в шестивалентном состоянии. Третий электронный стенд - 1. Шарик, изображающий 4s- электрон расположен как у атома калия - 2. Вертикальная ось вращения атома хрома - 3. Пять шариков, изображающих +3d-электроны в валентном положении - 4.
56
На фиг.42 показан рисунок модели ядра изотопа железа Fe в восьми валентном состоянии. Три готовые неразборные гексагональные нуклонные структуры первого типа - 1. Второй вилочный ядерный стенд - 2. Готовая неразборная гексагональная структура шестого типа - 3. Кривой соединительный штырек - 4. Протоны с одного торца ядра атома устанавливаются северным - N магнитным полюсом наружу - 5. Протоны с другого торца ядра атома устанавливаются южным - S магнитным полюсом наружу - 6.
На фиг.43 показан рисунок модели электронной оболочки атома железа в восьми валентном состоянии. Третий электронный стенд - 1. Шарик, изображающий минус 4s-электрон - 2. Вертикальная ось вращения атома железа - 3. Шарики, изображающие плюс +3d-электроны - 4.
84
На фиг.44 показан рисунок модели ядра изотопа криптона Kr. Пять готовых неразборных гексагональных нуклонных структур первого типа - 1. Второй вилочный ядерный стенд - 2. Готовая неразборная гексагональная структура второго типа - 3. Готовая неразборная гексагональная структура третьего типа - 4.
84
На фиг.45 показан рисунок модели электронной оболочки атома криптона Kr. Третий электронный стенд - 1. Цуги по четыре p-электрона четырех 4p-, 3p-, 2р-, 1р-квантовых радиусов - 2. Шесть направляющих горизонтальных осей - 3.
140
На фиг.46 показан рисунок модели ядра изотопа церия Ce из готовых неразборных гексагональных нуклонных структур. Пять готовых неразборных гексагональных нуклонных структур первого типа - 1. Второй вилочный ядерный стенд - 2. Готовая неразборная гексагональная структура второго типа - 3. Готовая неразборная гексагональная структура третьего типа - 4. Готовая неразборная гексагональная нуклонная структура первого типа - 5. Готовая неразборная гексагональная структура второго типа - 6. Готовые неразборные гексагональные структуры третьего типа 7. Ось вращения модели ядра - 7. Два шарика, изображающие 4f-протоны с южными - S магнитными полюсами наружу - 8. Два шарика, изображающие 6s-протоны - 9. Кривые штырьками для крепления шариков 6s-протонов - 10. Ось вращения модели ядра атома церия - 11.
На фиг.47 показан рисунок модели электронной оболочки атома церия в четырех валентном состоянии. Третий электронный стенд - 1. Цуг из пяти шариков p-электронов пяти 5р-, 4р-, 3p-, 2р-, 1р-квантовых радиусов - 2. Шесть направляющих горизонтальных осей - 3. Шарики, изображающие 3d-электроны - 4. Шарики, изображающие 4d-электроны - 5. Шарики, изображающие валентные шарики 6s- электроны - 6. Вертикальная ось стенда - 7. Шарики, изображающие валентные шарики плюс +4f-электроны - 8.
222
На фиг.48 показан рисунок модели ядра изотопа радона Rn из готовых неразборных гексагональных нуклонных структур. Готовые неразборные гексагональные нуклонные структуры первого типа - 1. Второй вилочный ядерный стенд - 2. Готовые неразборные гексагональные структуры второго типа - 3. Готовые неразборные гексагональные структуры третьего типа - 4. Готовые неразборные гексагональные структуры шестого типа - 5. Кривые соединительные штырьки - 6. Нейтроны с северным магнитным полюсом наружу - 7. Нейтроны с южным - S магнитным полюсом наружу - 8. Протоны с южным - S магнитным полюсом наружу - 9. Протоны с северным - N магнитным полюсом наружу - 10.
На фиг.49 показан рисунок модели электронной оболочки атома радона в инертном состоянии. Третий электронный стенд - 1. Шесть направляющих горизонтальных осей - 2. Шарик, изображающий 6s-электрон в инертном состоянии - 3.
235
На фиг.50 показан рисунок модели ядра изотопа урана U и показана асимметрия, в распределении осколков деления заложенная в исходном строении делящегося ядра. Второй вилочный ядерный стенд - 1. Ослабленные нуклонные слои, содержащие не полный комплект протонов - 2. Плоскость разрыва ядра изотопа, лежащая между 13 ослабленным и 14 нормальным слоем - 3. Тяжелый осколок содержащий - 156 нуклонов - 4. Легкий осколок, содержащий 72 нуклона - 5.
Технический результат изобретения достигается тем, что заявляемый конструктор моделей электронных оболочек и ядер атомов химических элементов состоит из двух специализированных электронных и ядерных наборов.
Первый специализированный электронный набор конструктора моделей для демонстрации электронных оболочек атомов содержит, по крайней мере, 120 разноцветных легковесных шариков, изображающих электроны. Электрон, в конструкторе, показанном на фиг.1, изображается в виде шарика с экваториальным тонким кольцом орбитой электрона - 1. Вибрация этого кольца-орбиты образует сферу непроницаемости электрона - 2. Стрелка - 3, указывает направления вращения кольца-орбиты электрона, делящего шарик на две полусферы N - северную - 4 и S - южную - 5, окрашенных как стержневой магнит. Вращение кольца электрона, имеющего элементарный отрицательный заряд, вокруг оси - 7, создает элементарный ток и возбуждает магнитное поле. Поэтому, полусферы шариков окрашены как стержневой магнит, северное - N полушарие синего цвета, а южное - S полушарие красного цвета и имеет маркировку номера электронной оболочки - 6.
Эти шарики делятся на четырнадцать размеров радиуса, изображающих сферы непроницаемости электронов - 1, показанных в масштабе на фиг.2. На поверхности всех шариков изображающих сферы непроницаемости электронов ставится номер электронной оболочки - 2. Причем все размеры электронных сфер непроницаемости, строго квантованы, и центры масс электронов находятся на различных, строго квантованных расстояниях от ядра и соответствует различным энергетическим уровням электрона в атоме показанных на фиг.3.
Радиус, электронных сфер непроницаемости - r, показанных на фиг.3, прямо пропорционален главному квантовому числу - n, согласно формуле №1.
r=n
Расстояние, от ядра атома до центра масс электронов - R, показанное на фиг.3, соотносится с главным квантовым числом n, согласно формуле №2.
2
R=n
Причем если главные квантовые числа для s- и p-электронных орбит только простые целые числа 1, 2, 3, и т.д., то для d-, f-электронных орбит главные квантовые числа могут принимать дробные значения. Например, для 3d - орбиты электрона n≈4,5, для 4d - орбиты электрона n≈5,5, для 5d - орбиты электрона n≈6,5, для 6d - орбиты электрона n≈7,5, для 4f - орбиты электрона n≈6,25, для 5f - орбиты электрона n≈7,25.
Соотношение расстояния от ядра атома до центра масс электронов - R к радиусу электронных сфер непроницаемости - r всегда постоянно и равно главному квантовому числу n, согласно формуле №3.
R/r=n
Поэтому радиуса шариков, изображающих сферы непроницаемости электронов в конструкторе моделей, имеют 14 размеров радиуса, показанных в масштабе на фиг.2, соотносящиеся друг к другу примерно как r=1; r=1,5; r=2; r≈2,3; r=2,5; r≈2,8; r=3; r≈3,2; r≈3,3; r=3,5; r≈3,7; r≈3,8; r=4; r=4,5.
Шарики, изображающие сферы непроницаемости электронов раскрашены как стержневые магниты, в два цвета, каждое полушарие шарика имеет свой цвет, синий соответствует северному - N, а красный южному - S магнитному полушарию.
Местоположение шариков изображающих сферы непроницаемости электронов на стендах-держателях, соответствует энергетическому уровню, строго соответствуют расстоянию от ядра атома до центра масс электронов - R. Расположение крепежных отверстий на разрезах шариков s-, р-, d-, f-электронов показаны на фиг.4, 5, 6.
Разрез шарика изображающего s-электрон, принадлежащего к s-электронным оболочкам, имеет одно сквозное полярное крепежное отверстие - 1, показанное на разрезе шарика на фиг.4. Оно проходит через северный - N и южный - S магнитный полюс, совпадающий с осью вращения s-электрона. Для надежного крепления на стенде за счет сил повышенного трения. Кроме того шарики изображающие электроны имеют три экваториальных крепежных отверстия - 2, сходящихся в центре шарика, расположенных в плоскости экватора под углом 120°. Шарики изображающие валентные р-, d-, f-электроны, крепятся к шарикам s-электронам с помощью коротких изогнутых штырьков - 3, за счет сил повышенного трения. Для крепления шариков р-, d-, f-электронов в валентном положении к шарикам s-электронам, в каждом энергетическом уровне, используется до шести коротких, изогнутых по середине, соединительных штырьков - 3 с длиной соответствующей диаметру s-электрона.
Разрез шарика p-электрона, принадлежащего к p-электронным оболочкам показан на фиг.5. Шарики, изображающие p-электроны, имеют одно сквозное полярное крепежное отверстие - 1 проходящее через северный - N и южный - S магнитный полюс. Начиная с четвертого энергетического уровня, у 4p-электронов и далее, появляется дополнительное экваториальное крепежное отверстие - 2 расположенное в плоскости экватора. Это отверстие сходится в центре шарика с полярным крепежным отверстием и служит для надежного крепления p-электронов, в валентном положении, на s-электронах, с помощью изогнутого короткого штырька - 3, за счет сил повышенного трения.
Разрез шарика, изображающие d- и f-электроны и принадлежащих к p- и f-электронным оболочки имеют, одно глухое боковое отверстие - 1 показанное на фиг.6, проходящее через экватор к центру шарика. Боковое отверстие служит для надежного крепления на стенде, за счет сил повышенного трения. В валентном положении этим боковым отверстием шарики крепятся к s-электронам шарикам через короткий боковой, изогнутый на соответствующий угол, соединительный штырек - 2.
Первый специализированный электронный набор для демонстрации электронных оболочек атомов содержит, по крайней мере, три специальных стендов держателей шариков с направляющими осями, выполненными из упругого прочного материала.
Первый стенд, изображенный на фиг.7, служит для демонстрации энергетических уровней в электронной оболочке первых шести атомов периодической системы химических элементов, от водорода до углерода в форме алмаза включительно. Стенд, изображенный на фиг.7, состоит из трех тонких направляющих осей, одного диаметра, взаимно пересекающихся под прямым углом в одной точке изображающей ядро атома - 1. Точка их пересечения делит оси пополам и образует шесть электронных орбит. На первую горизонтальную осевую орбиту - 2 можно насадить два шарика 1s-электрона. На вертикальную осевую орбиту, можно насадить два шарику 2s-электрона - 3. На вторую горизонтальную осевую орбиту - 4 можно насадить два шарику 2р-электрона. Вертикальная направляющая стенда - 3, самая длинная, вставляется и закрепляется на плоской подставке - 5, но имеет возможность вращаться и выниматься из подставки, для надевания и снятия шариков 2s-электронов. Все шарики электроны, на первом стенде, сориентированы своей осью плоскости вращения на ядро атома
Второй стенд, изображенный на фиг.8, служит для демонстрации энергетических уровней в электронной оболочке пятнадцати атомов периодической системы химических элементов, от углерода в форме графита до кальция включительно. Стенд состоит из четырех пересекающихся, в одной точке, направляющих осей, одного диаметра. Точка их пересечения изображает ядро атома - 1 и делит направляющие оси, поровну образуя восемь осевых орбит. Из них шесть осевых орбит - 2 располагаются в одной горизонтальной плоскости перпендикулярно вертикальной направляющей оси и пересекаются в одной плоскости под углом 60° в одной точке, изображающей ядро атома. На горизонтальные осевые орбиты - 2 последовательно насаживаются шарики изображающие сферы непроницаемости 1р-, 2р-, 3p-электронов. Вертикальная направляющая ось - 3, длиннее остальных горизонтальных направляющих осей и закрепляется в плоской подставке - 4. Эта ось имеет возможность вращаться и выниматься из подставки, для надевания и снятия шариков 3s- и 4s-электронов.
Шарики, изображающие валентные 2p- и 3p-электроны, крепятся на шариках 3s- и 4s-электронов с помощью коротких боковых гнутых крепежных штырьков, вставляющихся в три экваториальные крепежные отверстия, расположенных через 120° на 3s- и 4s-шариках электронах, изображенных на фиг.4. Все шарики изображающие электроны, на втором стенде, ориентированы своей осью вращения на ядро атома.
Третий стенд, изображенный на фиг.9, служит для демонстрации энергетических уровней в электронной оболочке девяноста девяти атомов периодической системы химических элементов, от скандия до сто двадцатого, еще не открытого, последнего химического элемента. Он состоит из семи взаимно пересекающихся направляющих осей разной длины. Точка их пересечения изображает ядро атома. Вертикальная направляющая - 1 третьего стенда самая длинная. Она крепится на плоской подставке - 2, но имеет возможность вращаться и выниматься из подставки, для надевания и снятия шариков изображающих сферы непроницаемости 4s-, 5s-, 6s-, 7s-, 8s-электронов.
Шесть других направляющих осей располагаются в одной горизонтальной плоскости перпендикулярно вертикальной направляющей оси. Эти шесть направляющих осей лежащие в одной плоскости пересекаются в одной точке, изображающей ядро атома, причем между ними образуется угол 30°. Точка пересечения делит направляющие оси поровну и образует двенадцать направляющих полуосей осевых орбит.
Шесть из этих двенадцати направляющих полуосей более длинные - 3 и на них насаживаются шарики, изображающие сферы непроницаемости 1р-, 2p-, 3p-, 4р-, 5р-, 6р-, 7p-электронов. Они расположены в горизонтальной плоскости через 60°. Между ними располагаются более короткие направляющие полуоси - 4. На вертикальную направляющую третьего стенда насаживаются шарики, изображающие сферы непроницаемости 4s-, 5s-, 6s, 7s-, 8s-электронов. Все электроны, на третьем стенде, сориентированы своей осью вращения на ядро атома.
На шести более коротких направляющих полуосей имеются четыре ряда коротких штырьков, посадочных мест для электронов. Они перпендикулярно пересекают направляющие полуоси, но не лежат с ними в одной горизонтальной плоскости. Каждый ряд коротких штырьков располагается на одном радиусе от точки пересечения направляющих, изображающих ядро атома. Два первых ряда штырьков, считая от центра стенда, имеют по два посадочных места для 3d-электронов - 5 и 4d-электронов - 6. Третий и четвертый ряд имеет по четыре посадочных места по два для 5d-электронов - 7 и 6d-электронов - 8 и по два для 4f-электронов - 9, 5f-электронов - 10. Штырек держатель для 6d-электронов - 8 имеет S-образную форму. Из этих шести направляющих полуосей у двух полуосей лежащих на одной прямой имеется дополнительно по одному посадочному месту для 4f-электронов 11, 5f-электронов 12.
Крепежное посадочное отверстие в шариках, изображающие сферы непроницаемости 3d-, 4d-, 5d-, 6d-электронов и 4f-, 5f-электронов глухое и в отличии от шариков s-электронов и p-электронов располагается на экваторе.
Шарики 4р-, 5р-, 6р-, 7р-, 3d-, 4d-, 5d-, 6d-, 4f-, 5f-электроны в валентном положении крепятся, через 120°, с помощью коротких боковых крепежных штырьков - 3, вставляющихся в экваториальные крепежные отверстия на 4s-, 5s-, 6s-, 7s-шариках электронах, изображенных на фиг.4. Все шарики электроны, на третьем стенде, сориентированы своей осью плоскости вращения на ядро атома.
Второй специальный ядерный набор конструктора служащий для демонстрации строения ядер атомов содержит, по крайней мере, 328 шариков одного размера, изображающих протоны и нейтроны, имеющих общее название нуклоны. Из 328 шариков, изображающих нуклоны, по крайней мере, 122 шариков изображают протон, остальные шарики изображают нейтрон. Для упрощения сборки моделей ядер атомов в конструкторе 312 шариков нуклонов сведены в 27 готовых неразборных гексагональных нуклонных структур шести типов.
Протон в конструкторе, показанном на фиг.10, изображается в виде тонкого кольца-орбиты протона - 1. Вибрация этого кольца образует сферу непроницаемости протона - 2. На экваторе шарика, обозначен протон - 1 в виде кольца со стрелкой - 3, указывающей направления вращения протона, и делящего шарик на две полусферы северную - N и южную - S, окрашенных так же как электрон. Вращение кольца протона, имеющего элементарный положительный заряд, вокруг оси - 4, создает элементарный положительный ток, и возбуждает магнитное поле, поэтому полусферы протона имеют северную - N и южную - S полярность. Шарики, изображающие протоны, стыкуются с нейтронами с помощью одного короткого изогнутого соединительного штырька - 5, который вставляется в одно из полярных отверстий. Условная ось вращения протона - 1 относительно соединительного штырька наклонена на 30°. Все шарики протоны в конструкторе имеют сквозное полярное отверстие - 6 условно показанное на фиг.10 пунктиром.
Нейтрон в конструкторе, показан на фиг.11, изображается в виде тонкого кольца-орбиты нейтрона - 1. Вибрация этого кольца образует сферу непроницаемости нейтрона - 2. На экваторе шарика обозначен нейтрон - 1 в виде тонкого кольца со стрелкой - 3, указывающей направления вращения кольца нейтрона. Кольцо нейтрона делит шарик на две магнитные полусферы северную - N и южную - S, и окрашенных как стержневой магнит, в два цвета, отличных от цвета шариков изображающих сферы непроницаемости протонов и электронов. Шарики, изображающие сферу непроницаемости нейтрона, стыкуются с нейтронами и протонами с помощью трех коротких соединительных штырьков - 4, плотно вставляющихся в три отверстия - 5 расположенных под углом 120° в одной плоскости показанных на фиг.11. Одно из трех соединительных отверстий - 5 совпадает с условной осью вращения нейтрона. Перпендикулярно этой плоскости в шарике имеется сквозное отверстие - 6 для фиксации собранной плоской гексагональной нуклонной фигуры на стенде. Диаметр этого отверстия равен диаметру сборочного соединительного штырька.
Для упрощения сборки моделей ядер атомов в конструкторе может применяться до 27 готовых неразборных гексагональных нуклонных структур шести типов. Эти гексагональные нуклонные структуры, изображают различные законченные и одну не законченную протонную оболочку ядра находящиеся в жесткой прямой связи с электронной оболочкой атома. Законченные гексагональные структуры могут иметь маркировку, соответствующую энергетическому уровню электронной оболочки с которой связаны и занимать свое порядковое место на сборочном стенде.
Первый тип, показанный на фиг.12, содержит пятнадцать готовых неразборных гексагональных нуклонных структур аналогичных структуре ядра атома углерода в форме графита. Гексагональная структура состоит из внутренних шести нейтронов - 1 соединенных прямыми штырьками - 2, образующих шести нейтронное кольцо и наружных шести шариков протонов - 3, присоединенных к этому нейтронному кольцу с помощью изогнутого соединительного штырька - 4. Все шарики внутреннего кольца, изображающие нейтроны, имеют сквозное соединительные отверстия - 5, для фиксации готовой неразборной гексагональной нуклонной структуры на стенде. Из этих пятнадцати готовых неразборных гексагональных нуклонных структур, согласно таблице показанной на фиг.13, строятся следующие протонные оболочки модели ядра №№1, 2, 3, 4, 5, 8, 9, 12, 13, 14, 15, 20, 21, 22, 23,
Второй тип, показанный на фиг.13, содержит четыре готовые неразборные гексагональные нуклонные структуры, состоящие из внутренних шести шариков нейтронов - 1 соединенных прямыми штырьками - 2, образующих шести нейтронное кольцо и наружных шести шариков нуклонов присоединенных к этому нейтронному кольцу с помощью изогнутых соединительных штырьков - 3. Из этих шести наружных шариков нуклонов три шарика протоны - 4, а три шарика нейтроны - 5. Причем три шарика изображают протон - 4 с северным - N магнитным полюсом наружу, а три шарика изображают нейтрон - 5 с южным - S магнитным полюсом наружу. Все шарики внутреннего кольца, изображающие нейтроны, имеют сквозное соединительные отверстия - 6, для фиксации готовой неразборной гексагональной нуклонной структуры на стенде. Из этих четырех готовых структур, согласно таблице показанной на фиг.13, строятся следующие четыре протонные оболочки модели ядра №№6, 10, 17, 25.
Третий тип, показанный на фиг.14, содержит четыре готовые неразборные гексагональные нуклонные структуры, состоящие из внутренних шести шариков нейтронов - 1 соединенных прямыми штырьками - 2, образующих шести нейтронное кольцо и наружных шести шариков нуклонов присоединенных к этому нейтронному кольцу с помощью изогнутых соединительных штырьков - 3. Из этих шести наружных шариков нуклонов три шарика протоны - 4 а три шарика нейтроны - 5. Причем три шарика изображают протон - 4 с южным - S магнитным полюсом наружу, а три шарика изображают нейтрон - 5 с северным - N магнитным полюсом наружу. Все шарики внутреннего кольца, изображающие нейтроны, имеют сквозное соединительные отверстия - 6, для фиксации готовой неразборной гексагональной нуклонной структуры на стенде. Из этих четырех готовых структур строятся, согласно таблице показанной на фиг.13, следующие четыре протонные оболочки модели ядра №№7, 11, 16, 24.
Четвертый тип, показанный на фиг.15, содержит одну готовую неразборную гексагональную нуклонную структуру, состоящую из внутренних шести шариков нейтронов - 1 соединенных прямыми штырьками - 2, образующих шести нейтронное кольцо и наружных шести шариков нуклонов присоединенных к этому нейтронному кольцу с помощью изогнутых соединительных штырьков - 3. Из этих шести наружных шариков нуклонов один шарик протон - 4 а пять шариков нейтроны - 5. Причем шарик изображающий протон - 4 с южным - S магнитным полюсом наружу, а три шарика изображают нейтрон - 5 с северным - N магнитным полюсом, наружу и два шарика нейтрона с южным - S магнитным полюсом наружу. Все шарики внутреннего кольца, изображающие нейтроны, имеют сквозное соединительные отверстия - 6, для фиксации готовой неразборной гексагональной нуклонной структуры на стенде. Из этой готовой нуклонной структуры состоит, согласно таблице показанной на фиг.13, одна протонная оболочка №18.
Пятый тип, показанный на фиг.16, содержит одну готовую неразборную гексагональную нуклонную структуру, состоящую из внутренних шести шариков нейтронов - 1 соединенных прямыми штырьками - 2, образующих шести нейтронное кольцо и наружных шести шариков нуклонов присоединенных к этому нейтронному кольцу с помощью изогнутых соединительных штырьков - 3. Из этих шести наружных шариков нуклонов один шарик протон - 4, а пять шариков нейтроны - 5. Причем шарик изображающий протон - 4 с северным - N магнитным полюсом наружу, а три шарика изображают нейтрон - 5 с южным - S магнитным полюсом, наружу и два шарика нейтрона с северным - N магнитным полюсом наружу. Все шарики внутреннего кольца, изображающие нейтроны, имеют сквозное соединительные отверстия - 6, для фиксации готовой неразборной гексагональной нуклонной структуры на стенде. Из этой готовой нуклонной структуры состоит, согласно таблице показанной на фиг.13, одна протонная оболочка №19.
Шестой тип, показанный на фиг.17, содержит две неразборные незаконченные гексагональные нуклонные структуры, состоящие только из шести шариков изображающих нейтроны - 1, соединенных прямыми штырьками - 2. Все шарики, изображающие нейтроны внутреннего нейтронного кольца, имеют два отверстия, одно сквозное соединительное отверстие - 3, для фиксации готовой неразборной гексагональной нуклонной структуры на стенде и фиксации торцевых протонов и нейтронов. Второе полярное отверстие - 4 глухое, отмеченное штриховыми линиями, служит для фиксации, с помощью кривых штырьков, протонов и нейтронов внешнего протонного кольца. Эти незаконченные гексагональные нуклонные структуры, состоящие только из внутреннего нейтронного кольца, используются для строительства ядер химических элементов с недостроенными наружными нуклонными оболочками.
Второй специальный ядерный набор конструктора служащий для демонстрации строения ядер атомов и содержит, по крайней мере, три специальных стенда держателя шариков нуклонов.
Первый ядерный стенд, изображенный на фиг.19, служит для демонстрации строения первых шести ядер атомов периодической системы химических элементов, от водорода до углерода в форме алмаза включительно. Он состоит из трех направляющих осей - 1, взаимно пересекающихся посередине под прямым углом в одной точке. Направляющие оси служат для крепления на них шариков нейтронов и протонов. Стенд-держатель может вращаться, на подставке - 2, в горизонтальной плоскости вокруг самой длинной вертикальной оси - 3 и выниматься из подставки, для надевания и снятия шариков нейтронов и протонов.
Второй стенд, изображенный на фиг.20, служит для демонстрации строения ядер атомов парагелия и изотопов лития. Он состоит из двух направляющих осей, взаимно пересекающихся посередине в одной точке - 1. Вертикальная ось прямая - 2, горизонтальная ось - 3 имеет S-образную форму. Направляющие оси служат для крепления на них шариков нейтронов и протонов. Стенд может вращаться, на подставке - 4, в горизонтальной плоскости вокруг самой длинной вертикальной оси и выниматься из подставки, для надевания и снятия шариков нейтронов и протонов.
Третий вилочный стенд, изображен на фиг.20, служит для демонстрации строения ядер атомов периодической системы химических элементов, от углерода в форме графита до сто двадцатого, еще не открытого, последнего химического элемента. Вилка состоит из двух вертикальных параллельных осей - 1, соединенных горизонтальной перекладиной - 2, симметрично вращающихся на вертикальной общей оси вращения - 3. Вилка стенда свободно вращается на горизонтальной подставке - 4 и может выниматься из подставки. Отношение длины вертикальных осей вилки стенда к длине горизонтальной перекладины вилки равна 11. На вилку стенда, две вертикальные параллельные оси, крепятся готовые неразборные гексагональные нуклонные структуры шести типов согласно таблице «Порядок заполнения s- р- d- f-протонами и n-нейтронами внешних протонных оболочек семи инертных ядер химических элементов», показанной на фиг.13.
Заявляемый конструктор используется следующим образом. Берем два первых стенда держателя с электронного изображенного на фиг.7 и ядерного изображенного на фиг.18. набора конструктора. Они позволяют демонстрировать строение электронной оболочки и строение ядра атома первых шести химических элементов периодической системы до углерода в форме алмаза включительно. Насаживая поочередно шарики электроны, на направляющие оси стендов, мы автоматически повторяем строение всех электронных оболочек атомов и строение ядра атомов от водорода до углерода в форме алмаза.
Рассмотрим в качестве примера №1 строение модели электронной оболочки и ядра атома водорода.
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома водорода, с помощью заявляемого конструктора, можно продемонстрировать четыре квантово-механических эффекта, химической инертности атомарного водорода, существование двух аллотропных форм атомарного водорода, возникновение реликтового излучения, вероятность присутствия электрона в центре ядра атома не равной нулю.
Протон атома водорода равновероятно может захватить свободный электрон двумя способами, изображенными на фиг.21, северным магнитным полюсом (спин J=-1/2) или южным магнитным полюсом (спин J=+1/2). Первый шарик, изображающий 1s-электрон - 1, насаженный на горизонтальную ось 1s-орбиту - 2, первого электронного стенда - 3, изображает строение электронной оболочки атома водорода. Шарик 1s-электрона прижимается вплотную к точке пересечения трех осей стенда, что символизирует магнитный контакт с ядром атома водорода - 4.
Если шарик 1s-электрона насажен на горизонтальную ось 1s-орбиту южным полюсом к центру ядра атома, то это соответствует спину электрона J=-1/2. При взгляде с северного полюса поверхности протона, вращающегося против часовой стрелки, электрон будет вращаться по часовой стрелке. Если шарик 1s-электрона насажен на горизонтальную ось 1s-орбиту северным полюсом к центру ядра атома, то это соответствует спину электрона J=+1/2. При взгляде с северного полюса поверхности протона, вращающегося против часовой стрелки, электрон будет вращаться так же против часовой стрелке.
Существование двух аллотропных форм атомарного водорода подтверждается спектральным анализом. Различие в способе крепления электрона к протону объясняет причины существования двух различных форм атомарного водорода. Спектр атомарного водорода имеет дублетную природу из-за наличия двух спинов J=+1/2 и J=-1/2.
При любом внешнем воздействии тор орбиты электрона может проскакивать через протон ядра, занимая положение, либо справа от протона, либо с лева от протона. Это явление вынужденного перескока демонстрирует квантовый эффект не нулевой вероятности нахождения электрона в центре ядра атома водорода.
При перескоке тора орбиты электрона центр масс электрона находящийся на оси вращения тора проходит через центр массы протона, ядра атома водорода. Так можно продемонстрировать физический смысл уравнений квантовой механики о не нулевой вероятности нахождения электрона в центре ядра атома.
Частота вращения электрона и энергия вращения электрона справа и с лева от ядра атома водорода немного различаются. При вынужденном переходе с одной орбиты на другую орбиту электрон излучает или поглощает фотон. Частота и энергия этого фотона равна частоте и энергии реликтового излучения. Так с помощью конструктора можно объяснить физический смысл возникновения излучения реликтового фона во вселенной.
Соответственно на первом ядерном стенде на первую горизонтальную ось насаживается шарик протон имеющий, как и всякое кольцо, суммарный ядерный спин J=+1/2. Этот протон изображает строение ядра самого распространенного изотопа водорода.
Причем на обоих стендах шарики имеют полярность как у стержневых магнитов, что подчеркивает их неразрывную магнитную связь. А горизонтальное вращение - 5 обоих стендов демонстрирует химическую инертность атомарного водорода. Протон тяжелее электрона примерно в 1837 раз, поэтому они вращаются в одной плоскости, вокруг общего центра масс. Вращаясь с чрезвычайно большой экваториальной скоростью, вокруг общего центра масс, электрон не имеет возможности вступать в магнитную связь с электронами других химических веществ. Для образования молекулы водорода необходимо присутствие поверхности третьего тела, которое правильно сориентирует две атомарных системы водорода и отнимает у них лишнюю энергию вращения. Существование атомарного водорода в открытом космосе, где нет поверхности третьих тел, подтверждается спектральным анализом.
Пример №2. Строение модели электронной оболочки и ядра атома гелия.
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома гелия, с помощью заявляемого конструктора, можно продемонстрировать три квантово-механических эффекта, химической инертности атомарного гелия существование двух аллотропных форм атомарного гелия и особенности строения электронной оболочки двух аллотропных форм гелия.
Существует две формы гелия, экспериментально установлено существование двух систем совершенно независимых спектральных линий спектров ортогелия и парагелия. При наличии двух электронов, как это происходит в гелии, суммарный спин обоих электронов равен либо как у парагелия J=0 либо как у ортогелия J=1. Обе формы сосуществуют в обычном гелии, в соотношении примерно 1 к 3, причем переход между ними относится к «запрещенным».
Протоны атома гелия, как и протон атома водорода, равновероятно захватывают свободные электроны двумя способами, изображенными на фиг.22, северным магнитным полюсом (спин J=-1/2) и южным (показано черточками) магнитным полюсом (спин J=+1/2).
Но основное состояние электронной оболочки ортогелия 1s2s, а не 1s1s. С чем это связанно? Первый 1s-электрон, как кольцевой магнит, может легко занимать любое положение относительно ядра атома ортогелия, либо справа от ядра, либо слева от ядра (показано черточками). Чтобы избежать постоянных столкновений 1s-электронов, которые как кольцевые магниты стремятся притянуться друг к другу, второй электрон ортогелия, вынужден занимать более далекое, 2s-энергетическое положение ортогелия изображенного на фиг.23. Частота вращения электрона и энергия вращения электрона, захваченных северным или южным магнитным полюсом протона немного различаются. Поэтому 1s-электрон в основном энергетическом состоянии занимает положение у южного магнитного полюса протона с наименьшей кинетической энергией. Второй 2s-электрон также, в основном энергетическом состоянии, занимает положение у южного магнитного полюса протона с наименьшей кинетической энергией. То есть, оба электрона могут занимать два энергетических уровня 1s- и 2s-находящихся у одного из полюсов ядра атома ортогелия, Перемещения электронов изображены стрелками на фиг.23
Так можно объяснить физический смысл принципа Паули, запрещающего двум электронам находиться в состоянии с одинаковыми квантовыми числами.
При взгляде с северного полюса поверхности протона атома ортогелия, вращающегося против часовой стрелки, оба электрона будут вращаться по часовой стрелке, или параллельно друг другу. Поэтому, считается, что спины или направление вращения у электронов атома ортогелия одинаковы и суммарный спиновой момент электронов ортогелия равен J=1.
Для наглядной демонстрации, возьмем первый электронный стенд - 1 и насадим 1s-электрон - 2 на горизонтальную ось. Второй шарик, изображающий 2s-электрон - 3, насаживается на горизонтальную 1s-ось. Два шарика электрона вращающихся на горизонтальной 1s-оси, с магнитной ориентацией -N -S изображают строение электронной оболочки атома ортогелия, показанной на фиг.23. Вращая стенд, на подставке в горизонтальной плоскости, можно демонстрировать чрезвычайную химическую инертность атома гелия. Вращаясь с чрезвычайно большой экваториальной скоростью эти электроны, не имеют возможности вступать в магнитную связь с другими химическими веществами.
2
При охлаждении гелия до 2°K, экваториальное вращение атомов гелия настолько замедляется, что становится возможной химическая связь и образуется димер гелия, молекула He. Димер гелия обладает исключительно маленькой энергией связи, около десятой доли микроэлектронвольта! Такая молекула разрушается не только при комнатной температуре, но и при температурах вплоть до милликельвинов. Это самая хрупкая молекула, известная на сегодняшний день.
Шарики электроны на стенде сосны, и направление вращения их электронных колец, т.е. их спины совпадают, суммарный спиновой момент равен J=1. Совместно с ядром атома ортогелия электроны вращаются вокруг общего центра масс атома.
Такое строение электронной оболочки имеет ортогелий с параллельными спинами электронов. Атом ортогелия имеет в основном состоянии не равный нулю магнитный момент. Ортогелий относится к парамагнитным веществам. В магнитном поле его электронная оболочка выстраивается вдоль силовых магнитных линий, и он усиливает внешнее магнитное поле.
Самый распространенный изотоп атома ортогелия, при электрическом заряде +2, имеет атомный вес 4 а. е. Он состоит из четырех нуклонов, суммарный ядерный спин которых J=0 и четность +.
Соответственно, на первом ядерном стенде, на первую горизонтальную ось - 1, симметрично относительно вертикальной оси вращения, насаживается четыре шарика нуклона, с соблюдением магнитной полярности -N -S. По два шарика, протон - 2 и нейтрон - 3 справа и два шарика, нейтрон - 3 и протон - 2 слева от вертикальной оси вращения стенда - 4. Их совместное горизонтальное вращение дает суммарный ядерный спин J=0+. Знак четности + означает симметричность системы нуклонов. Протоны и электроны, в этой системе, жестко связаны магнитными силами. Такое строение электронной оболочки ортогелия возможно только при структуре строения ядра, показанной на фиг.24.
Парагелий более распространенная форма гелия с анти параллельными спинами электронов в основном состоянии не имеющих ни магнитного момента, ни электрического дипольного момента. Шарики 1s-электроны - 1 у парагелия сосны, но направление вращения их электронных колец не совпадает см. фиг.25, что дает суммарный спин обоих электронов J=0. Парагелий относится к диамагнитным веществам, так как оба его электрона, смотрящих наружу, имеют одинаковую N- N-магнитную полярность - 2, поэтому атомы парагелия выталкиваются из внешнего магнитного поля. Парагелий дает одиночные спектральные линии. Горизонтальная ось с N- N-магнитной полярности - 2, на первом ядерном стенде - 3.
Эти свойства связанны со строением ядра атома парагелия имеющего параллельное расположение двух встречно вращающихся колец нейтронов и протонов, показанных на фиг.26. Два шарика нейтрона - 1 и два шарика протона - 2 насаживаются симметрично на горизонтальную S-образную ось - 3, второго ядерного стенда - 4. Сонаправленное вращение двух пар нуклонов создают условия, при которых оба протона могут иметь одноименные свободные магнитные полюса либо юг - S юг - S либо север - N север - N. В результате одноименные полюса будут иметь и электроны с одинаковым спином, что создает условия для отсутствия магнитного момента у атома парагелия. У парагелия оба электрона находятся в 1s-состоянии (состояние электронной оболочки 1s2).
Пример №3. Строение модели электронной оболочки и ядра атома лития.
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома лития, с помощью заявляемого конструктора, можно продемонстрировать квантово-механический эффект, появления химической активности атомарного лития и причины ее ограничения валентностью +1.
Возьмем стенд с электронной оболочкой атома парагелия состоящей из двух 1s-электронов - 1 и продолжим сборку модели. Третий шарик 2s-электрон - 2 уже не имеет возможности занять место на первом энергетическом уровне, вплотную к ядру, и вынужден занять место на второй вертикальной 2s-оси - 3 стенда в некотором удалении от ядра атома. Это отображает второй энергетический уровень, расположенный в четыре раза дальше, чем 1s-электрон. Расстояние, от ядра атома до центра масс 2s-электронов, соотносится с главным квантовым числом n, согласно формуле №2, как
2
R=n.
Радиус сферы непроницаемости шарика 2s- электрона возрастает в два раза, и прямо пропорционален главному квантовому числу согласно формуле №1
n=r.
Такое центрально осевое положение третьего электрона объясняет стабильную валентность лития +1. Третий электрон не участвует в быстром вращении атома лития, так как ось вращения атома совпадает с осью вращения третьего электрона показанной на фиг.27. Поэтому, третий полярный электрон, всегда готов вступить в магнитную связь с другими химическими веществами, обеспечивая литию постоянную валентность +1.
Эти свойства лития связанны со строением ядра атома лития, в своей основе имеющей ядро парагелия имеющего параллельное расположение двух встречно вращающихся колец нейтронов и протонов.
Самый распространенный изотоп атома лития при электрическом заряде +3 имеет атомный вес 7 а. е. он состоит из семи нуклонов суммарный ядерный спин четность, которых J=3/2-. Четность минус говорит о несимметричности в строении ядра этого изотопа лития.
7
7
7
Для строительства модели ядра изотопа лития Li возьмем второй ядерный стенд и воспроизведем строение ядра атома парагелия имеющего параллельное расположение двух встречно вращающихся колец нейтронов и протонов, показанных на фиг.25. Два шарика протона - 1 и нейтрона - 2 справа и два шарика нейтрона и протона слева от вертикальной оси вращения стенда, симметрично насаживаются на горизонтальную S-образную ось - 3. Их совместное горизонтальное вращение дает суммарный ядерный спин J=0+. Остальные три нуклона, насадим на вертикальную ось - 4, один нейтрон - 5 на нижней части оси и по одному нейтрону - 6 и протону - 7, в верхней части оси. Вращение этих трех нуклонов обеспечивает изотопу лития Li суммарный ядерный спин J=3/2-. Четность минус говорит о несимметричности в строении ядра изотопа лития Li, показанной на фиг.28.
Пример №4. Строение модели электронной оболочки и ядра атома бериллия.
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома бериллия, с помощью заявляемого конструктора, можно продемонстрировать два квантово-механических эффекта, причина ограничения валентности +2 у бериллия и объяснить его диамагнитные свойства.
Возьмем первый электронный стенд и согласно правилам симметрии, симметрично разместим четыре шарика электрона на двух 1s- 2s-осях показанной на фиг.29. На горизонтальной 1s-оси разместится два шарика 1s-электрона - 1 и два шарика 2s-электрона - 2 разместятся на вертикальной 2s-оси. Размеры шариков квантованы согласно формуле №1. Они занимают различное расстояние от ядра атома согласно формуле №2. Центрально осевое положение третьего и четвертого электрона, на вертикальной оси объясняет валентность бериллия равное +2. Третий и четвертый 2s-электрон - 2 не участвует в быстром экваториальном вращении атома бериллия, так как ось вращения атома совпадает с осью вращения третьего и четвертого 2s-электрона. Поэтому, третий и четвертый 2s-электроны всегда вступают в магнитную связь с другими химическими веществами, обеспечивая бериллию стабильную валентность +2.
9
9
Вращение шариков электронов у атома бериллия Be, как у парагелия, встречное. При таком способе вращения электроны не тормозят друг друга. При этом все электроны у атома бериллия Be обращены одноименными магнитными полюсами наружу показанной на фиг.29. Поэтому, во внешнем магнитном поле, такой однополюсной атом будет выталкиваться из магнитного поля, проявляя диамагнитные свойства.
9
Природный бериллий на 100% состоит из одного изотопа с массовым числом 9. При электрическом заряде +4 он имеет атомный вес 9 и состоит из девяти нуклонов суммарный ядерный спин, которых J=3/2-. Четность минус говорит о несимметричности в строении ядра этого изотопа бериллия Be.
9
9
9
9
9
Построим один из возможных вариантов, модели ядра изотопа атома бериллия Be. На вертикальную верхнюю 2s-ось первого ядерного стенда насадим, соблюдая магнитную полярность последовательно один нейтрон - 1 и один протон - 2. На вертикальную нижнюю ось первого ядерного стенда насадим еще один протон - 3. Совместное вращение на общей вертикальной оси трех нуклонов придаст модели изотопа бериллия Be суммарный ядерный спин J=3/2-. А не симметричная композиция из трех шариков нуклонов придаст модели отрицательную четность. Оставшиеся шесть нуклонов симметрично разместим в горизонтальной плоскости вращения модели изотопа бериллия Be. На одну горизонтальную 1s-ось симметрично, относительно вертикальной оси, насадим, соблюдая магнитную полярность, по одному внутреннему нейтрону - 4 и наружному протону - 5. На третью ось насадим, симметрично, еще по одному нейтрону - 6. Их совместное горизонтальное вращение дает суммарный ядерный спин J=0+. Затем согласуем взаимное вращение девяти нуклонов на стенде - 7. Центральную группу из шести шариков нуклонов, состоящую из пяти нейтронов и одного протона, расположенную симметрично на трех осях стенда, максимально согласуем вращения шариков нуклонов так, чтобы они не тормозили друг друга. Направление вращения шариков нуклонов должны совпадать с направлением стрелки на шарике. Получим модель, одного из возможных вариантов, строение ядра изотопа бериллия Be, показанного на фиг.30. У полученной модели ядра изотопа бериллия Be все и 1s- и 2s-протоны обращены одноименными магнитными полюсами наружу. Поэтому, во внешнем магнитном поле, такой однополюсной атом будет выталкиваться из магнитного поля, проявляя диамагнитные свойства.
Пример №5. Строение модели электронной оболочки и ядра атома углерода в аллотропной модификации графита.
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома углерода в аллотропной модификации графита, с помощью заявляемого конструктора, можно продемонстрировать квантово-механический эффект, причины химической инертности четырех валентного атома углерода и анизотропию свойств у кристаллов графита.
Природный углерод при электрическом заряде +6 на 98,93% состоит из одного изотопа с массовым числом 12. Изотоп имеет суммарный ядерный спин J=0+. Спин и четность указывает на то, что строение ядра углерода в форме графита имеет симметричную форму. Графит химически инертен, и не растворяется ни в каких растворителях, кроме расплавленных металлов. Это говорит о том, что все электроны у графита располагаются как и у гелия в экваториальной плоскости вращения.
Берем два стенда-держателя с электронного и ядерного набора конструктора. Второй стенд-держатель электронного набора, изображенный на фиг.8, служит для демонстрации энергетических уровней в электронной оболочке пятнадцати атомов периодической системы химических элементов, от углерода в форме графита до кальция включительно.
На втором электронном стенде - 1 насадим шесть шариков электронов - 2 равного диаметра, с соблюдением магнитной полярности -N -S, на шесть направляющих горизонтальных осей - 3 до взаимного соприкосновения. При вращении одного из шариков электронов, все остальные шарики будут согласованно вращаться, без взаимного торможения, как зацепленные шестеренки. Такая модель строения электронной оболочки, как показано на фиг.31, характерна для углерода в инертной форме графита.
12
Такая модель строения электронной оболочки графита задается строением ядра атома углерода. Ядро изотопа углерода C состоит из шести протонов и шести нейтронов. Шесть шариков нейтронов - 1 и шесть шариков протонов - 3, симметрично, с соблюдением магнитной полярности -N -S, можно расположить на втором ядерном стенде, только таким образом, как показано на фиг.12. Все вращения этих двенадцати шариков со направлены и они не тормозят друг друга. При этом такая модель симметричной гексагональной структуры изотопа ядра атома углерода, имеет суммарный ядерный спин J=0+ и положительную четность.
В каждом слое графита плоские шестиугольные атомы углерода связаны между собой в направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, в шесть раз слабее. Такая модель структуры строения атома углерода обусловливает анизотропию физических и электрических свойств кристаллов графита. Графит состоит из шестигранных чешуек, под нагрузкой они скользят друг по другу. Из графита делают смазку для тяжелых условий работы. Электропроводность графита в направлении базисной плоскости близка по своей природе к электропроводности металлов: удельное сопротивление в этом направлении невелико, температурный коэффициент удельного сопротивления положителен. В направлении, перпендикулярном базисной плоскости, удельное сопротивление значительно выше, а температурный коэффициент удельного сопротивления отрицательный.
12
Пример №6. Строение модели электронной оболочки и ядра атома углерода C в аллотропной модификации алмаза.
12
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома углерода C в форме алмаза, с помощью заявляемого конструктора, можно продемонстрировать, причины чрезвычайной редкости, причины твердости и причины анизотропии свойств углерода в форме алмаза.
Структура строения ядра алмаза отличается от структуры строения ядра графита тем, что одна из осей вращения четырех нуклонов вывернута из общей горизонтальной плоскости и занимает вертикальное положение. Оставшиеся две оси вращения, имеющие по четыре нуклона, занимают крестообразное симметричное положение. При этом все три оси вращения нуклонов ядра невозможно расположить в согласованном не конфликтном положении.
Для перевода графита в противоестественную аллотропную форму алмаза, требуется значительная затрата энергии. Этим объясняется крайняя редкость алмазов в природе.
Анизотропные свойства у кристаллов алмаза объясняются тем, что все три оси вращения нуклонов ядра невозможно расположить в согласованном не конфликтном положении. Поэтому алмаз имеет различную твердость на разных кристаллических поверхностях и в разных направлениях. Наиболее твердой является октаэдрическая грань. Грани кристаллов алмаза царапаются в разных направлениях по-разному. Если направление движения царапающего инструмента совпадает с направлением вращения нуклонов ядра алмаза, то повреждения поверхности алмаза минимальны. И наоборот если направление движения царапающего инструмента не совпадает с направлением вращения нуклонов ядра алмаза, то повреждения поверхности алмаза максимальны. Нами это воспринимается как повышенная и пониженная твердость алмаза, при царапании в различных направлениях поверхности кристалла.
Раньше крупные алмазы делились на части путем раскола легким ударом ножа вдоль октаэдрической грани. Такая легкость раскалывания самого твердого вещества объяснима тем, что все три оси вращения нуклонов ядра алмаза невозможно расположить в согласованном не конфликтном положении.
Прочная связь между атомами углерода в алмазе обеспечивается всеми шестью электронами, что обусловливает высокую твердость алмаза. В природе больше нет ни одного простого химического вещества с таким полным использованием всех электронов всех энергетических оболочек как при строительстве кристалла алмаза. Идеальный кристалл алмаза можно представить себе как одну гигантскую молекулу-октаэдр.
Построим один из возможных вариантов модели ядра атома углерода в форме алмаза представленной на фиг.32. На вертикальную верхнюю ось - 1 первого ядерного стенда надсадим, соблюдая магнитную полярность -N -S, последовательно один нейтрон - 2 и один протон - 3. На вертикальную нижнюю ось первого ядерного стенда надсадим еще один нейтрон - 4 и протон - 5. Оставшиеся восемь нуклонов симметрично разместим в горизонтальной плоскости вращения на двух горизонтальных осях модели как у бериллия. На обе горизонтальные 1s- и 2p-оси - 6 насадим по четыре нуклона, соблюдая симметрию и соблюдая магнитную полярность. Совместное горизонтальное вращение нуклонов дает суммарный ядерный спин модели ядра алмаза J=0+.
Протоны и электроны жестко связаны магнитными силами, поэтому электроны, показанные на фиг.33. повторяют структуру строения ядра алмаза. На первом электронном стенде - 1 закрепим шесть шариков электронов второго энергетического уровня - 2 одного размера на шести осях, равноудаленных от ядра атома углерода. Одна из осей со встречным вращением электронов - 3, как у парагелия.
Двойная стрелка показывает, как могут перемещаться 1s-электроны с внутренней орбиты на второй энергетический уровень. Такое строение электронной оболочки алмаза возможно при структуре строения ядра алмаза в форме октаэдра, показанной на фиг.32.
Пример №7. Строение модели электронной оболочки и ядра атома кислорода.
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома кислорода, с помощью заявляемого конструктора, можно продемонстрировать квантово-механический эффект ограничения валентности атома кислорода. Находясь в шестой группе периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева атом кислорода должен иметь валентность +6, как сера или селен. Но атом кислорода имеет предельную валентность +/-2.
16
16
Кислород в природе, при электрическом заряде +8 на 99,759% состоит из одного изотопа с массовым числом 16. Изотоп кислорода O имеет суммарный ядерный спин J=0+. Спин и четность указывает на то, что строение ядра кислорода имеет симметричную форму. Жидкий кислород парамагнетик и отклоняется магнитным полем, это говорит о том, что электронная оболочка кислорода имеет два магнитных полюса -N -S. Возможная форма ядра изотопа кислорода O удовлетворяющая требованию полной симметричности показана на фиг.34.
16
Для построения модели, возьмем одну готовую неразборную гексагональную нуклонную структуру - 1, аналогичную структуре ядра атома углерода в форме графита показанной на фиг.12. Закрепим ее на третьем ядерном стенде - 2. На эту гексагональную структуру, с помощью коротких штырьков - 3, закрепим два протонных и два нейтронных шарика. Шарики крепятся по два с каждого торца гексагональной структуры. Причем протоны - 4 крепятся, симметрично полярно, по оси вращения ядра изотопа атома кислорода O - 5, с соблюдением магнитной полярности -N -S. Нейтроны - 6 крепятся, с учетом магнитной полярности -N -S на противоположных торцах гексагональной структуры, оппозитно друг к другу для соблюдения правил динамического равновесия. Нейтроны насаживаются на оси вилки - 7 третьего ядерного стенда - 5. При такой структуре строения изотоп кислорода имеет суммарный ядерный спин четность J=0+. Протоны и электроны в атоме жестко связаны магнитными силами. Поэтому строение электронной оболочки кислорода, показанной на фиг.35, повторяет структуру строения ядра.
Первые шесть электронов - 1, как у атома углерода в форме графита, располагаются в горизонтальной плоскости вращения. Быстрое вращение, не позволяет им участвовать в химических связях атома кислорода. Седьмой - 2 и восьмой - 3 электрон не участвует в быстром экваториальном вращении атома кислорода, так как ось вращения атома - 4 совпадает с осью вращения седьмого и восьмого электрона. Поэтому, седьмой и восьмой электроны всегда готовы вступить в магнитную связь с другими химическими веществами, обеспечивая кислороду стабильную валентность +2.
Для построения модели электронной оболочки атома кислорода на втором электронном стенде - 5 насадим шесть шариков 2p-электронов - 1 равного диаметра, с соблюдением магнитной полярности, на шесть направляющих горизонтальных осей до взаимного соприкосновения. Такое строение электронной оболочки характерно для углерода в инертной форме графита. Добавим еще два шарика 2s-электрона - 2 и -3 на вертикальную ось, с соблюдением магнитной полярности, один сверху, а другой электрон снизу, от плоскости вращения модели. Все восемь электронов располагаются на равном удалении от ядра атома. Причем на обоих стендах шарики имеют полярность как у стержневых магнитов, что подчеркивает их неразрывную магнитную связь.
Пример №8. Строение модели электронной оболочки и ядра атома аргона.
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома аргона, с помощью заявляемого конструктора, можно продемонстрировать квантово-механический эффект нулевой валентности атома.
40
40
Изотоп аргона Ar самый распространенный в природе (99,6%). Его 18 протонов хватает для полноценного заполнения трех ядерных слоев-оболочек. Ядро атома аргона состоит из трех углеродных колец, в которых нуклоны уложены в плотную трехслойную упаковку столбиком, как показано на фиг.36. На обоих торцах находятся по два стабилизационных нейтрона, расположенных симметрично оппозитно по торцам ядра атома. Из-за быстрого экваториального вращения ядра аргона, ни один протон, жестко связанный магнитными силами со своим электроном, не может развернуться и стать валентным, совместив свою ось вращения с осью вращения ядра атома. При такой структуре строения изотоп аргона Ar имеет суммарный ядерный спин J=0+ и положительную четность, что говорит, о симметричном строении его ядра и электронной оболочки.
40
40
40
40
Для построения ядра изотопа аргона Ar используем показанную на фиг.13 таблицу «Порядок заполнения s- р- d- f-протонами и n-нейтронами внешних протонных оболочек семи инертных ядер химических элементов». Возьмем три готовые неразборные гексагональные нуклонные структуры первого типа - 1, показанные на фиг.12, аналогичные структуре ядра атома углерода в форме графита. Закрепим их, последовательно слоями соосно, на втором вилочном ядерном стенде - 2. Причем, при совмещении слоев нужно следить чтобы стрелки на кольцах протонов и нейтронов указывали со направленное, взаимно не тормозящее вращение. При этом образуется трехслойная симметричная, хорошо сбалансированная гексагональная структура. На обоих торцах этой структуры закрепим, на направляющих второго стенда - 3, по два шарика нейтрона - 4. Шарики крепятся по два с каждого торца гексагональной структуры, с учетом магнитной полярности на противоположных торцах гексагональной структуры, оппозитно друг к другу для соблюдения правил динамического равновесия. При этом стрелки на контактирующих кольцах нейтронов должны указывать со направленное, взаимно не тормозящее вращение. При такой структуре строения изотоп аргона Ar имеет суммарный ядерный спин четность J=0+. Протоны и электроны в атоме аргона Ar жестко связаны магнитными силами. Поэтому электронная оболочка аргона Ar повторяет структуру ядра.
Для построения электронной оболочки атома аргона показанной на фиг.37. на втором электронном стенде - 1 насадим восемнадцать шариков электронов - 2, - 3, и - 4 трех разных квантовых радиусов 3p-, 2р-, 1p-, с соблюдением магнитной полярности N - север S - юг, на шесть направляющих горизонтальных осей - 5 до взаимного соприкосновения. Такое симметричное строение электронной оболочки, троекратно повторяющее строение электронной оболочки атома углерода в инертной форме графита, обеспечивает атому аргона полную химическую инертность. Быстрое вращение расположенных в экваториальной плоскости электронов, не позволяет им участвовать в химических связях. Восемнадцать электронов образуют шесть цугов по три электрона в каждом и имеют полярность как у стержневых магнитов. Восемнадцать электронов атома аргона располагаются тремя энергетическими оболочками на разных строго квантованных расстояниях от ядра атома. Это отображает три энергетических уровня электронов, причем, расстояние, от ядра атома до центра масс электронов, соотносится с главным квантовым числом n, согласно формуле №2, как
2
R=n.
А радиусы сфер непроницаемости шариков электронов, трех разных квантовых радиусов 3p-, 2р-, 1p-, возрастает прямо пропорционально главному квантовому числу согласно формуле №1
n=r.
Причем на обоих стендах шарики электроны имеют полярность как у стержневых магнитов, что подчеркивает их неразрывную магнитную связь с протонами ядра.
2
Если экваториальное вращение атома аргона замедлить охлаждением и сжижением, подвергая газ давлению над водой при 0°C, то можно получить кристаллогидрат состава Ar·6HO.
Пример №9. Строение модели электронной оболочки и ядра атома скандия.
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома скандия с помощью заявляемого конструктора можно продемонстрировать квантово-механический эффект, появление в электронной оболочке нового 3d-энергетического уровня.
45
Скандий на 100% состоит из изотопа Sc. Такая не симметричная комбинация зарядов из 21-го протона может устойчиво существовать только при таком наборе нейтронов. Дополнительные шесть нейтронов начинают строительство нового четвертого нейтронного слоя и создают возможность устойчиво существовать нечетному 21-му протону Суммарный ядерный спин и четность ядра атома скандия J=7/2-. Это говорит о не симметричной и несбалансированной структуре ядра скандия. Начиная со скандия, начинается строительство четвертого углеродного кольца.
45
36
45
Для построения ядра изотопа скандия Sc, показаннго на фиг.38, возьмем три готовые неразборные гексагональные нуклонные структуры первого типа - 1, аналогичные структуре ядра атома углерода в форме графита. Закрепим их, последовательно слоями соосно, на втором ядерном стенде - 2. Причем при совмещении слоев нужно следить чтобы стрелки на кольцах протонов и нейтронов указывали со направленное, взаимно не тормозящее вращение. При этом образуется трехслойная симметричная, хорошо сбалансированная гексагональная структура. На эту трехслойную гексагональную структуру, аналогичную ядру атома аргона Ar, закрепим готовую неразборную гексагональную структуру шестого типа - 3, состоящую только из внутреннего нейтронного кольца, показанную на фиг.18. Недостающие три протона закрепим следующим образом. Один шарик протон - 4, связанный с валентным 4s-электроном закрепим, коротким штырьком - 5, на оси вращения модели ядра. Он крепится на неразборную гексагональную структуру шестого типа, его спин J=1/2+. Второй шарик протон - 6, связанный с валентным 3d-электроном закрепим с боку, на торце уже занятым шести нейтронным внутренним кольцом. Занимая не сбалансированное положение, он имеет спин J=5/2- со знаком минус. Третий протон - 7, связанный с валентным 4s-электроном, крепится коротким штырьком, на одном из нейтронов кольца и имеет спин J=3/2- со знаком минус. Причем при закреплении шариков протонов нужно следить чтобы стрелки на кольцах протонов и нейтронов указывали со направленное взаимно не тормозящее вращение. Таким образом, все три торцевых протона у изотопа скандия Sc не сбалансированы. Их суммарный ядерный спин будет равен
J=1/2+5/2-3/2-=7/2-
Для построения электронной оболочки атома скандия, показанной на фиг.39, на третьем электронном стенде - 1 насадим восемнадцать шариков электронов трех квантовых радиусов 3p-, 2р-, 1p-, с соблюдением магнитной полярности N - север S - юг, на шесть направляющих горизонтальных осей до взаимного соприкосновения, как при строительстве электронной оболочки атома аргона см. фиг.37. Восемнадцать электронов атома скандия располагаются тремя энергетическими оболочками на разных строго квантованных, согласно формуле №2, расстояниях от ядра атома. Быстрое вращение расположенных в экваториальной плоскости электронов, не позволяет им участвовать в химических связях. Девятнадцатый - 2 и двадцатый - 3 шарики 4s-электроны располагаются как у атома калия и кальция на вертикальной оси вращения - 4 атома скандия. Последний двадцать первый шарик электрон - 5 должен был, по правилам занять 4р-позицию как, например алюминий, имеющий 3p-электрон, занимающий такую же третью группу периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. В место 4p-электрона у скандия впервые появляется 3d-электрон. Почему?
Согласно формуле №1 радиус сферы непроницаемости электрона - r растет, с ростом квантового числа - n линейным образом, а расстояние от ядра атома до центра масс электронов - R, соотносится с главным квантовым числом - n, согласно формуле №2, квадратично. В результате этого, если первый слой электронных сфер непроницаемости у электронной оболочки углерода в форме графита, касаются друг друга, то второй слой электронных сфер непроницаемости имеет разрыв. А у третьего слоя электронных сфер непроницаемости уже может свободно поместиться между ними еще одна сфера непроницаемости 4s-электрона. Силы электрического притяжения ядра, действующие на 4p-энергетическом уровне слабее, чем силы на 3d-энергетическом уровне. Начиная со скандия, все последующие электроны вместо 4p-энергетического уровня, занимают 3d-энергетический уровень, между цугами электронов, как показано двойной стрелкой - 6 на фиг.39. Когда 3d-энергетический уровень, между цугами электронов будет заполнен, продолжится строительство 4p-энергетического уровня.
Размер радиуса - r сферы непроницаемости 3d-электрона имеет среднее значение между 4s- и 3p-электронами см. фиг.2. Расстояние от ядра атома до центра масс 3d-электрона - R, также имеет среднее значение между 4s- и 3p-электронами см. фиг.3. Поэтому главное квантовое число n для 3d-электрона имеет дробное значение.
Шарик 3d-электрона - 5 на третьем электронном стенде насадим на короткий штырь - 7, посадочное место для 3d-электронов. В этом экваториальном положении 3d-электрон участвует в совместном вращении электронной оболочки атома и не может вступать в магнитную связь с электронами других веществ. В таком положении 3d-электрона демонстрируется валентность скандия +2.
Если один 4s-электрон снять с вертикальной оси вращения и прикрепить симметрично напротив 3d-электрона, мы получим симметричную электронную оболочку в экваториальной плоскости вращения. Такая электронная оболочка скандия будет иметь валентность +1. При этом необходимо соблюдать магнитную полярность 4s- и 3d-электронов.
Если шарик 3d-электрона прикрепить коротким штырьком - 8 к 4s-электрону, то демонстрируется валентность скандия +3. Стрелки, показывающие вращение, на соприкасающихся шариках 3d- и 4s-электронах должны иметь сонаправленное, взаимно не тормозящее вращение.
Пример №10. Строение модели электронной оболочки и ядра атома хрома.
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома хрома с помощью заявляемого конструктора можно продемонстрировать квантово-механический эффект нарушение в порядке построения электронной оболочки атома хрома.
52
Самый распространенный изотоп хрома Cr 83,76%. Имеет переменную валентность +2, +3, +6. Хром первый химический элемент, у которого обнаружено нарушение в заполнении электронной оболочки. По теории, электронная оболочка должна выглядеть так: (Ar)4s2 3d4. Спектральный анализ показывает такое строение: (Ar)4s1 3d5. Вместо одного отсутствующего 4s-электрона появляется лишний пятый 3d-электрон. Почему?
Прежде всего, надо обратить внимание на то, что энергетически 4s-электроны и 3d-электроны практически идентичны. Что до построения четвертой 4p-оболочки не встречалось. Эта энергетическая равноценность электронов вызывает сбои в дальнейшем построении электронных оболочек.
52
36
52
Для построения ядра изотопа хрома Cr, показанной на фиг.40, возьмем три готовые неразборные гексагональные нуклонные структуры первого типа - 1, аналогичные структуре ядра атома углерода в форме графита. Закрепим их, последовательно слоями соосно, на втором ядерном стенде - 2. При совмещении слоев нужно следить чтобы стрелки на кольцах протонов и нейтронов имели со направленное, взаимно не тормозящее вращение. При этом образуется трехслойная симметричная, хорошо сбалансированная гексагональная нуклонная структура. На торцах этой трехслойной гексагональной нуклонной структуры, аналогичной ядру атома аргона Ar, закрепим две готовые неразборные гексагональные структуры третьего типа - 3, показанные на фиг.15. Недостающие три протона закрепим следующим образом. Один шарик 4s-протон - 4 закрепим на оси вращения модели ядра на свободном торце гексагональной структуры третьего типа модели, его спин J=1/2- четность отрицательная. А два других шарика 3d-протона - 5 закрепим, на противоположном торце ядра оппозитно друг к другу. Между ними разместим недостающий нейтрон - 6, позволяющий без взаимного торможения вращаться оппозитным протонам со направленно. Таким образом, осевое место которое должен занимать второй плюс +4s-протон, занято нейтроном. Получим строение ядра изотопа хрома Cr, имеющего суммарный ядерный спин четность J=0+.
Две энергетически близкие электронные сферы непроницаемости на одном торце атома хрома, борются между собой. Они имеют встречное взаимно тормозящее вращение и поэтому занимают зарядово-симметричные позиции. С центральной осевой позиции плюс +4s-протон переходит в более удобную плюс +3d-позицию. Все потенциально валентные плюс +3d-протоны на торцах ядра атома хрома, в невозбужденном состоянии, лежат в одной плоскости, перпендикулярной оси вращения, под углом 120° друг к другу. Это объясняет химическую стойкость хрома. Шесть торцевых валентных протонов обеспечивают переменную валентность +2, +3, +6. Хром антиферромагнетик, антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов торцевых электронов причина этого.
Для построения модели электронной оболочки атома хрома, показанной на фиг.41, на третьем электронном стенде - 1 насадим восемнадцать шариков электронов цугами по три электрона, трех квантовых радиусов 3p-, 2р-, 1p-, с соблюдением магнитной полярности, на шесть направляющих горизонтальных осей до взаимного соприкосновения, как при строительстве электронной оболочки атома аргона. Восемнадцать электронов атома хрома располагаются тремя энергетическими оболочками на разных строго квантованных, согласно формуле №2, расстояниях от ядра атома. Быстрое вращение расположенных в экваториальной плоскости электронов, не позволяет им участвовать в химических связях. Девятнадцатый шарик 4s-электрон - 2 расположен как у атома калия на вертикальной оси вращения атома хрома - 3. Все остальные пять шариков плюс +3d-электронов - 4 занимают, в инертном не валентном состоянии, на стенде-держателе позиции плюс +3d-электронов, вплотную прижатые к трем цугам минус -3p-электронов имеющих попутное вращение. Так как плюс +3d-электроны не могут соприкасаться со сферами непроницаемости плюс +3p-электронов, имеющими встречное вращение. Иначе +3d-электроны и +3р-электроны будут тормозить друг друга.
Пример №11. Строение модели электронной оболочки и ядра атома железа.
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома железа, с помощью заявляемого конструктора, можно продемонстрировать квантово-механический эффект ограничения предельной валентности +8 у атомов химических элементов.
Железо имеет четыре стабильных изотопа, самый распространенный 56Fe 91,66%, имеет суммарный ядерный спин четность J=0+. Это указывает на симметричное строение ядра атома железа. Железо может принимать редкую, для химических элементов, предельную валентность +8.
56
36
Для построения модели ядра изотопа железа Fe в восьмивалентном состоянии, возьмем три готовые неразборные гексагональные нуклонные структуры первого типа - 1, аналогичные структуре ядра атома углерода в форме графита, показанной на фиг.12. Закрепим их, последовательно тремя слоями соосно, на втором вилочном ядерном стенде - 2. При этом образуется трехслойная симметричная, хорошо сбалансированная гексагональная структура, аналогичная ядру атома аргона Ar. На эту трехслойную гексагональную структуру закрепим, с обоих торцов, две готовые неразборные гексагональные структуры шестого типа - 3 показанных на фиг.18. К этим торцевым готовым неразборным гексагональным структурам шестого типа с помощью кривых штырьков - 4 крепим по три протона. Протоны с одного торца ядра атома устанавливаются северным магнитным полюсом наружу - 5, а с противоположного торца южным магнитным полюсом наружу - 6. При совмещении слоев, нужно следить, чтобы стрелки на кольцах протонов и нейтронов указывали сонаправленное взаимно не тормозящее вращение. Недостающие два протона с северной полярностью закрепим короткими штырьками на обоих торцах модели ядра атома железа. Причем протоны крепятся симметрично полярно по оси вращения ядра изотопа атома железа. Восемь протонов симметрично по четверо, размещаются на торцах ядра атома железа, объясняют экзотическую предельную валентность +8 у железа. Четыре валентных протона на торце ядра атома предельно возможное состояние. Причем центральный протон, чтобы не тормозить три боковых протона, должен иметь обратное вращение (спин). При такой конструкции северная магнитная полярность обоих торцевых протонов вступает в конфликт друг с другом. Их вращение не сонаправленно и их магнитные поля тормозят друг друга. Поэтому валентность +8 практически трудноосуществима. И восьмивалентные химические соединения железа разлагаются со взрывом.
56
При такой структуре строения ядра изотоп железа Fe, показанной на фиг.42, имеет суммарный ядерный спин четность J=0+. Протоны и электроны в атоме железа жестко связаны магнитными силами. Поэтому строение электронной оболочки железа повторяет структуру строения ядра.
Для построения модели электронной оболочки атома железа в восьми валентном состоянии, на третьем электронном стенде - 1 насадим восемнадцать шариков электронов цугами по три электрона, трех квантовых радиусов 3p-, 2р-, 1p-, с соблюдением магнитной полярности, на шесть направляющих горизонтальных осей до взаимного соприкосновения, как при строительстве электронной оболочки атома аргона. Восемнадцать электронов атома железа располагаются тремя энергетическими оболочками на разных строго квантованных, согласно формуле №2, расстояниях от ядра атома. Быстрое вращение расположенных в экваториальной плоскости электронов, не позволяет им участвовать в химических связях. Два шарика минус -4s-электрона - 2 расположим на вертикальной оси вращения атома железа - 3. Все остальные шесть шариков электронов - 4, занимают на стенде-держателе позиции плюс +3d-электронов, вплотную прижатые к 4s-электронам с попутным взаимно не тормозящим вращением, как показано на фиг.43. В двух валентном состоянии эти шесть шариков плюс 3d-электроны прижаты к минус -3p-электронам. Так как плюс +3d-электроны не могут соприкасаться со сферами непроницаемости плюс +3р-электронов, имеющими встречное вращение. Иначе они будут тормозить друг друга.
Пример №12. Строение модели электронной оболочки и ядра атома криптона.
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома криптона, с помощью заявляемого конструктора, можно продемонстрировать квантово-механический эффект нулевой валентности атома содержащего 3d-электронную оболочку.
84
86
86
84
Криптон имеет шесть стабильных изотопов, самый распространенный Kr 56,90%. Это самый устойчивый и самый распространенный в природе изотоп криптона. У изотопа Kr магическое число нейтронов 50, но он менее распространен в природе, всего 17,37%. Так что его магический статут изотопа Kr весьма сомнителен. У изотопа Kr более совершенная, более гармоничная форма строения ядра, поэтому он более распространен в природе 56,90%.
84
Ядро изотопа криптона абсолютно симметрично, у него геометрически правильное строения ядра. При такой структуре строения ядро изотопа криптона Kr, имеет суммарный ядерный спин четность J=0+. Это указывает на симметричное строение ядра атома и электронной оболочки криптона.
84
84
Для построения модели ядра изотопа криптона Kr используем показанную на фиг.13 таблицу «Порядок заполнения s- р- d- f-протонами и n-нейтронами внешних протонных оболочек семи инертных ядер химических элементов». Для построения возьмем пять готовых неразборных гексагональных нуклонных структур первого типа - 1, показанных на фиг.12, аналогичных структуре ядра атома углерода в форме графита. Закрепим их, последовательно слоями соосно, на втором вилочном ядерном стенде - 2. При этом образуется пятислойная симметричная, хорошо сбалансированная гексагональная структура. На эту пятислойную гексагональную структуру, закрепим с обоих торцов две готовые неразборные гексагональные структуры второго типа - 3, показанной на фиг.14, и третьего типа - 4, показанной на фиг.15. Причем при совмещении слоев нужно следить чтобы стрелки на кольцах протонов и нейтронов указывали со направленное взаимно не тормозящее вращение. При такой структуре строения ядро изотопа криптона Kr, показанной на фиг.44, имеет суммарный ядерный спин четность J=0+.
Для построения модели электронной оболочки атома криптона на третьем электронном стенде - 1 насадим двадцать четыре шарика электрона - 2, цугами по четыре электрона, четырех квантовых радиусов 4р-, 3p-, 2р-, 1p-, с соблюдением магнитной полярности, на шесть направляющих горизонтальных осей - 3 до взаимного соприкосновения, как и при строительстве электронной оболочки атома аргона. Двадцать четыре электрона атома криптона располагаются четырьмя энергетическими оболочками на разных строго квантованных, согласно формуле №2, расстояниях от ядра атома.
При этом электронная оболочка криптона образует три первых замкнутых заполненных энергетических оболочки по 6 электронов в оболочке, как у аргона, а в четвертой замыкающей электронной оболочке будет находиться сразу 18 электронов. Такое симметричное строение электронной оболочки, показанной на фиг.45, четырехкратно повторяющее строение электронной оболочки атома углерода в инертной форме графита, обеспечивает атому криптона химическую инертность. Быстрое вращение расположенных в экваториальной плоскости электронов, не позволяет этим электронам участвовать в химических связях и быть валентными.
2
2
2
Но если экваториальное вращение атома криптона замедлить охлаждением и сжижением, подвергая газ давлению над водой при 0°C, то можно получить кристаллогидрат состава Kr·6HO и Kr·4НО, с суммарной формулой Kr·5,75HO.
Пример №13. Строение модели электронной оболочки и ядра атома церия.
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома церия, с помощью заявляемого конструктора, можно продемонстрировать квантово-механический эффект появление в электронной оболочке нового 4f-энергетического уровня.
Согласно формуле №1 радиус сферы непроницаемости электрона - r растет, с ростом главного квантового числа - n линейным образом, а расстояние от ядра атома до центра масс электронов - R, соотносится с главным квантовым числом - n, согласно формуле №2, квадратично. В результате этого, если первый слой электронных сфер непроницаемости у электронной оболочки углерода в форме графита, касаются друг друга, то по мере роста длины цугов p-электронов уже у аргона между ними может поместиться еще две сферы непроницаемости 4s-электронов. С ростом главного квантового числа, между удлиняющимися цугами p-электронов растет и ширина щели, в которую помещается у аргона пара 3d-электронов, а у криптона пара 4d-электронов.
У электронной оболочки ксенона ширина этой щели между цугами p-электронов настолько расширяется, что в нее уже может поместиться четыре электронные сферы непроницаемости. Эти четыре электронные сферы непроницаемости, согласованно вращаясь, занимают два энергетических уровня. Сначала заполняется новый 4f-энергетический уровень, он находится ближе к ядру атома, чем 5d-энергетический уровень. Затем заполняется 5d-уровень, он находится немного подальше от ядра атома. Когда щель между цугами p-электронов заполнена, начинает заполняться 6p-энергетический уровень. Силы электрического притяжения ядра, действующие на электроны на 6p-энергетическом уровне слабее, чем силы на 5d- и тем более, чем на 4f-энергетическом уровне. Начиная с церия, все последующие электроны вместо 6p-энергетического уровня, сначала заполняют 4f-энергетический уровень.
Размер радиуса - r сферы непроницаемости 4f-электрона имеет среднее значение между 6s- и 5p-электронами, но меньше 5d-электрона. Расстояние от ядра атома до центра масс 4f-электрона - R, также имеет среднее значение между 6s- и 5p-электронами, но меньше 5d-электрона. Поэтому главное квантовое число n у 4f-электрона как и у 5d-электрона имеет дробное значение.
140
140
Церий имеет четыре стабильных изотопа, самый распространенный Ce (88,48%). Ядро изотопа церия Ce имеет суммарный ядерный спин четность J=0+. Это указывает на симметричное строение ядра атома и соответственно электронной оболочки.
140
12
6
84
132
При построении модели ядра изотопа церия Ce, показанного на фиг.46, мы автоматически повторяем алгоритм строение всех инертных химических элементов. Начинаем построение ядра с первого углеродного C слоя, добавляем два углеродных слоя, и получаем ядро аргона Ar состоящего из трех углеродных слоев. Затем добавив два углеродных слоя и два +/-4р-слоя, получаем ядро криптона Kr, добавив к нему два углеродных слоя и два +/-5p-слоя, получаем ядро ксенон Xe, как показано в таблице «Порядок заполнения s- р- d- f-протонами и n-нейтронами внешних протонных оболочек семи инертных ядер химических элементов», на фиг.13
140
132
84
84
132
132
140
Прежде чем строить модель ядра изотопа церия Ce, сначала построим модель ядра изотопа ксенона Xe из готовых неразборных гексагональных нуклонных структур. Возьмем пять готовых неразборных гексагональных нуклонных структур первого типа - 1, показанных на фиг.12. Закрепим их, последовательно слоями соосно, на втором вилочном ядерном стенде - 2. На эту пятислойную гексагональную структуру, закрепим с обоих торцов готовые неразборные гексагональные структуры второго типа - 3 и третьего типа - 4. Полученная модель является ядром изотопа криптона Kr. На полученное ядро криптона Kr закрепим с каждого торца еще по одной готовой неразборной гексагональной нуклонной структуре первого типа - 5. И закрепим с обоих торцов готовые неразборные гексагональные структуры второго типа - 6 и третьего типа - 7. Полученная модель является ядром изотопа ксенона Xe. При этом образуется одиннадцати слойная симметричная, хорошо сбалансированная гексагональная структура. Причем при совмещении неразборных нуклонных слоев нужно следить чтобы стрелки на кольцах протонов и нейтронов имели со направленное, взаимно не тормозящее вращение. На один из торцов полученного ядра изотопа ксенона Xe закрепим, под углом 120° друг к другу, по два нуклона, короткими штырьками шесть нуклонов, два из которых протоны - 5 с южными магнитными полюсами наружу. Недостающие два протона, с помощью кривых штырьков - 6, крепим на обоих торцах полученной модели ядра изотопа церия Ce, на оси ее вращения - 7.
2
2
2
1
1
Спектральный анализ показывает различные варианты строительства электронной оболочки у церия. Либо (Xe)6s4f либо (Xe)6s4f5d. Это говорит о том, что сфера непроницаемости четвертого валентного электрона у церия, может занимать несколько энергетически выгодных уровней, либо 4f- либо 5d-энергетический уровень.
Прежде чем строить модель электронной оболочки церия в четырех валентном состоянии, показанной на фиг.47, сначала построим модель электронной оболочки ксенона. Для построения модели электронной оболочки атома ксенона, на третьем электронном стенде - 1 насадим тридцать шариков p-электронов цугами по пять электронов - 2, пяти квантовых радиусов 5р-, 4р-, 3p-, 2р-, 1р-, с соблюдением магнитной полярности, на шесть направляющих горизонтальных осей - 3 до взаимного соприкосновения. Тридцать p-электронов атома ксенона располагаются пятью энергетическими оболочками на разных строго квантованных, согласно формуле №2, расстояниях от ядра атома. При этом электронная оболочка ксенона образует три первых замкнутых энергетических оболочки по 6 электронов в оболочке, как у аргона, а в четвертой и пятой замыкающей электронных энергетических оболочках сразу по 18 электронов. К каждому из шести 4р-электрону добавим по два 3d-электрона - 4, а к каждому из шести 5р-электрону добавим по два 4d-электрона - 5. Эти 3d- и 4d-шарики электроны насаживаются на свои штырьки на стенде с соблюдением правила со направленного, взаимно не тормозящего вращения электронов. Таким образом, в четвертой и пятой замыкающей электронных энергетических оболочках помещается по 18 электронов.
Такое симметричное строение электронной оболочки, пятикратно повторяющее строение электронной оболочки атома углерода в инертной форме графита, обеспечивает атому ксенона химическую инертность. Быстрое вращение расположенных в экваториальной плоскости электронов, не позволяет им участвовать в химических связях.
2
2
2
Если экваториальное вращение атома ксенона замедлить охлаждением и сжижением, подвергая газ давлению над водой при 0°C, то можно получить кристаллогидрат состава Xe·6HO и Xe·4HO, с суммарной формулой Xe·5,75HO.
Для завершения построения электронной оболочки церия в четырех валентном состоянии насадим два валентных 6s-шарика электрона - 6 на вертикальную ось стенда - 7. Два валентных плюс +4f-шарика электрона - 8, прикрепим к минус -6s-шарику электрону короткими штырьками. Угол между +4f-шариками электронами будет равен 120°, так как +4f-электроны жестко связанны со своими торцевыми валентными протонами в ядре, расположенными на торце ядра атома под углом 120°. При этом необходимо соблюдать правила со направленного, взаимно не тормозящего вращения электронов.
В двухвалентном состоянии атома церия два +4f-шарика электрона крепятся не к 6s-шарику электрону, а перемещаются на экватор модели электронной оболочки под углом 120°, так как +4f-электроны жестко связанны со своими торцевыми валентными протонами в ядре под углом 120°. Шарики +4f-электроны насаживаются на свои штырьки на стенде с соблюдением правила со направленного, взаимно не тормозящего вращения электронов.
Пример №14. Строение модели электронной оболочки и ядра атома радона.
На примере строения модели электронной оболочки и ядра атома радона с помощью заявляемого конструктора можно продемонстрировать квантово-механический эффект появления химической активности с валентность +2, +4, +6 у формально инертного газа радона.
222
222
222
Период полураспада самого долгоживущего изотопа радона Rn 3,8229 дней. Ядро изотопа радона Rn имеет суммарный ядерный спин четность J=0+. Это указывает на симметричное строение ядра изотопа радона Rn, показанной на фиг.48 и соответственно электронной оболочки, показанной на фиг.49. Формально радон газ инертный, фактически он имеет переменную валентность +2, +4, +6.
222
При построении модели ядра изотопа радона Rn пользуясь таблицей «Порядок заполнения s- p- d- f-протонами и n-нейтронами внешних протонных оболочек семи инертных ядер химических элементов», показанной на фиг.13, мы автоматически повторяем алгоритм строения всех ядер инертных химических веществ.
222
12
36
84
84
132
222
132
222
Построим модель ядра изотопа радона Rn, показанную на фиг.48, из готовых неразборных гексагональных нуклонных структур. Возьмем три готовых неразборных гексагональных нуклонных структур первого типа - 1, аналогичных структуре ядра атома углерода в форме графита, показанной на фиг.12. Закрепим их, последовательно слоями соосно, на втором вилочном ядерном стенде - 2. Начиная от первого углеродного C слоя, добавим два углеродных слоя, получаем ядро изотопа аргон Ar состоящее из трех углеродных слоев. Затем добавим еще две готовые неразборных гексагональных нуклонных структур первого типа - 1. На эту пятислойную гексагональную структуру, закрепим с обоих торцов две готовые неразборные гексагональные структуры второго типа - 3 показанные на фиг.14 и третьего типа - 4 показанные на фиг.15. Получим семислойную симметричную, хорошо сбалансированную гексагональную структуру модель ядра изотопа криптона Kr. На полученное ядро изотопа криптона Kr закрепим с каждого торца еще по одной готовой неразборной гексагональной нуклонной структуре первого типа - 1 показанной на фиг.12. И закрепим с обоих торцов готовые неразборные гексагональные структуры второго типа - 3 показанные на фиг.14 и третьего типа - 4 показанные на фиг.15. При этом образуется одиннадцати слойная симметричная, хорошо сбалансированная гексагональная структура модель ядра изотопа ксенона Xe. Для получения модели ядра следующего инертного газа радона Rn добавим по две готовые неразборные гексагональные нуклонные структуры первого типа - 1 и закрепим с обоих торцов на модель ядра изотопа ксенона Хе. На эту пятнадцатислойную гексагональную структуру, закрепим с обоих торцов две готовые неразборные гексагональные структуры второго типа - 3 показанные на фиг.14 и третьего типа - 4 показанные на фиг.15. На эту семнадцатислойную гексагональную нуклонную структуру закрепим, с обоих торцов, две готовые неразборные гексагональные структуры шестого типа - 5 показание на фиг.18. и закрепим с обоих торцов. К этим торцевым готовым неразборным гексагональным структурам шестого типа с помощью кривых штырьков - 6 крепим по одному нейтрону и оппозитно к нему по одному протону с каждого торца модели ядра атома радона Rn. Нейтроны с одного торца ядра атома устанавливаются северным - N магнитным полюсом наружу - 7, а с противоположного торца южным - S магнитным полюсом наружу - 8. Аналогично и протоны с обоих торцов модели должны быть разной полярности южным - S магнитным полюсом наружу - 9 и северным - N магнитным полюсом наружу - 10. Причем при совмещении неразборных нуклонных слоев нужно следить чтобы стрелки на кольцах протонов и нейтронов имели со направленное, взаимно не тормозящее вращение.
222
222
Из строения ядра изотопа радона Rn видно, почему инертный газ радон химически активен. На обоих торцах модели ядра изотопа радона Rn находится по одному протону, жестко связанные с 6s- электронами, которые могут занимать любую ориентацию экваториальную инертную или полярную валентную, обеспечивая радону валентность +2. Кроме того, из трех 6р-протонов, находящихся на каждом торце ядра атома радона, два 6p-протона могут совершенно свободно занимать полярную валентную ориентацию. Третий 6p-протон, с каждого торца ядра атома радона, не может развернуться из инертной экваториальной ориентации в полярную валентную ориентацию. Как видно на модели ядра этому мешает 6s-протон, находящийся над ним в следующем протонном слое. Это добавляет еще четыре валентных 6р-электрона к двум 6s-электронам, обеспечивая формально инертному газу радону химическую активность и переменную валентность +2, +4, +6.
Для построения модели электронной оболочки атома радона в инертном состоянии, на третьем электронном стенде-держателе - 1 насадим тридцать шесть шариков электронов цугами по шесть электронов, шести квантовых радиусов 6р- 5р- 4р-, 3p-, 2р-, 1p-, с соблюдением магнитной полярности N - север S - юг, на шесть направляющих горизонтальных осей - 2 до взаимного соприкосновения. Тридцать шесть электронов атома радона располагаются шестью энергетическими оболочками на разных строго квантованных, согласно формуле №2, расстояниях от ядра атома. При этом электронная оболочка радона образует три первых замкнутых энергетических оболочки по 6 электронов в оболочке, как у аргона, а в четвертой и пятой электронной оболочке по 18 электронов как у криптона и ксенона. В замыкающей шестой электронной оболочке радона содержится 32 электрона.
Но суммарная емкость шестой энергетической оболочки у радона равна 6+12+12=30 электронов. Эти тридцать мест занимают шесть 6p-электронов десять 5d-электронов и четырнадцать 4f-электронов. На экваторе больше нет свободных мест для двух 6s-электронов - 3. Поэтому два 6s-электрона, не нашедшие свободного места между цугами р-, d- и f-электронами, вынуждены залечь на экваторе вторым слоем, симметрично и оппозитно друг другу, между 4f- и 6р-электронами.
Такое выступающее, над всеми другими электронами, положение на экваторе двух 6s - ненадежно. Эти электроны легко возбудимы и могут переходить из инертного экваториального положения в валентное полярное положение. Поэтому формально инертный газа радон химически активен и имеет переменную валентность +2, +4, +6. Известны стабильные химические соединения радона с галогенами, например дифторид радона белое кристаллическое вещество, устойчивое в вакууме до 250°C.
235
Пример №15. Асимметрия осколков при делении ядра изотопа урана U с соотношением масс осколков 3/2.
235
На примере модели ядра атома урана U, с помощью заявляемого конструктора, можно продемонстрировать квантово-механический эффект асимметрии деления осколков с соотношением масс 3/2.
235
При делении ядра изотопа урана U тепловыми нейтронами образуется около 30 различных пар осколков, преимущественно неравной массы. Самый легкий из осколков имеет массовое число 72, самый тяжелый 161.
Наиболее вероятно деление на осколки с соотношением масс 3/2. Выход таких осколков достигает примерно 6%, в то время как осколков с равными массами примерно 0,01%. Такой характер распределения осколков по массам наблюдается для всех делящихся нуклидов, как при спонтанном делении, так и при делении возбужденных составных ядер независимо от вида частиц бомбардирующих исходное ядро. Кривые выхода осколков деления слабо различаются для разных делящихся ядер.
Это говорит о том, что асимметрия в распределении осколков деления заложена в исходном строении делящегося ядра.
235
Рассмотрим модель строение ядра изотопа урана U, собранную на втором вилочном стенде - 1, состоящую из 19 полностью заполненных нуклонных слоев готовых неразборных гексагональных нуклонных структур. Можно легко заметить, что эти 19 слоев симметрично рассечено ослабленными нуклонными слоями - 2, содержащими не полный комплект протонов. Вместо шести протонов эти ослабленные готовые неразборные гексагональные нуклонные структуры содержат только три протона. В этих слоях нарушено оптимальное соотношение 1:1 протонов к нейтронам. В этих ослабленных слоях протоны к нейтронам соотносятся как 1:3.
235
Смоделируем деление ядра изотопа урана U по плоскости разрыва лежащей между 13 ослабленным и 14 нормальным слоем - 3. Подсчет нуклонов в полученных осколках дает такое соотношение.
В тяжелом осколке - 4 будет находиться 156 нуклонов в полностью заполненных 13 гексагональных слоях, и к ним нужно добавить 6 нуклонов недостроенного слоя находящихся на торце тяжелого осколка. Суммарно в тяжелом осколке будет находиться 162 нуклона.
13×12=156+6=162
В легком осколке - 5 будет находиться 72 нуклона в полностью заполненных 6 гексагональных слоях, и к ним нужно добавить 1 нуклон, находящийся на торце легкого осколка. Суммарно в легком осколке будет находиться 73 нуклона.
6×12=72+1=73
235
Суммарный вес тяжелого и легкого осколков будет равен исходному весу изотопа урана U.
162+73=235
235
235
Как уже было сказано выше, самый легкий из осколков деления имеет массовое число 72, самый тяжелый 161. При нашем делении модели ядра изотопа урана U мы получили модели осколков с массовыми числами 162 и 73. Из научной литературы известно, что при делении одного ядра изотопа урана U обычно испускается от 1 до 8 свободных нейтрона (в среднем 2,5).
Наши модели осколков, при делении должны испустить как минимум по оному свободному нейтрону и приобрести массовые числа 161 и 72. Все остальные варианты, около 30 пар осколков деления, лежат между этими крайними массовыми числами 161 и 72.
235
235
Модель деления изотопа урана U подтверждает, что асимметрия в распределении осколков деления заложена в исходном строении делящегося ядра изотопа урана U.