Страница 5 из 9
S-блок включает первые две группы, т. е. щелочные и щелочноземельные металлы, а также водород и гелий. D-блок – это группы с 3 по 12, в которые входят все переходные металлы, в атомах которых появляются электроны на d- и f-орбиталях. p-блок состоит из последних шести групп с 13 по 18 и включает, помимо других элементов, все металлоиды. f-блок, выносимый обычно за пределы таблицы, состоит из лантаноидов и актиноидов.
Все приведенные группировки и даже электронные формулы атомов, выведенные по каждому химическому элементу, согласно правила формирования электронных конфигураций атомов по мере роста заряда ядра (правило Клечковского в 1951 г.), не отражают причины столь качественного различия химических элементов, таких как внешний вид, запах, температура плавления и т. п. Поэтому пришлось рассмотреть несколько примеров химических элементов с их свойствами.
Водород – первый элемент таблицы Менделеева назван Hydrogenium (лат.) в переводе «порождающий воду», обозначается Н, атом водорода имеет массу 1,0079 г/л. Он самый распространенный элемент во Вселенной, на его долю приходится около 88,6% всех атомов, являясь основной составной частью звезд и межзвездного газа. В условиях звёздных водород существует в виде плазмы, имея температуру, например поверхности Солнца ~ 6000°C, а в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов.
В земных условиях водород является десятым по распространённости элементом, практически находясь в виде соединений, и лишь в очень незначительном количестве в виде простого вещества содержится в атмосфере. Являясь самым легким газом (в 14,5 раз легче воздуха), поэтому он находится в верхних слоях атмосферы. При комнатной температуре и нормальном давлении водород в виде газа не имеет вкуса, цвета и запаха. В жидком виде водород существует в очень узком интервале температур от —252,76 до —259,2°C. Это бесцветная жидкость, с плотностью 0,0708 г/см3 и вязкостью 13,8 сП. Ниже температуры —259,2°C водород превращается в твердое состояние в виде кристаллов снегоподобной массы.
В природе водород встречается в виде трех изотопов: 1H – протий (Н), 2Н – дейтерий (D), 3Н – тритий (T; радиоактивный, с периодом полураспада 12,32 года). Дейтерия в природе встречается в незначительном количестве, всего лишь 0,0115%. Тритий встречается в еще меньших количествах, образуясь главным образом при взаимодействии космических лучей со стабильными ядрами. Учеными искусственно получены тяжёлые радиоактивные изотопы водорода с массовыми числами 4–7 и периодами полураспада 10-21-10-23 с. Все изотопы являются уровнями структурной организации водорода и отличаются количеством нейтронов в ядре атома, а также свойствами, хотя у искусственных изотопов невозможно определить свойства из-за малого периода жизни.
Гелий с научным названием Helium (He) – химический элемент с номером 2,18-й группы периодической системы. Гелий образуется в термоядерных реакциях, из четырех атомов водорода получается один атом гелия с атомным весом 4. Инертный газ, бесцветный, не имеет запаха и вкуса. Он является одним из самых распространенных элементов, занимает второе место после водорода, и около 23% всей массы Вселенной. На Земле его содержится немного: в атмосфере 1 часть на 200 тыс., в земной коре около 8 частей на миллиард. При температуре —268,9°C гелий переходит в жидкое состояние. Твердый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1 K.
У гелия имеются природные изотопы: 3He, составляющий 0,00014%, остальное 4He. Получены ещё шесть искусственных радиоактивных изотопов, которые очень быстро распадаются на другие вещества.
Так, последовательно по атомным номерам химических элементов можно привести их качественные характеристики, но для краткости, приведенных примеров достаточно, чтобы показать принцип построения единой картины мира с главной цепью уровней структурной организации материи с разветвлениями подуровней и подподуровней. Таким же образом, следует рассматривать соседние и последующие уровни структурной организации материи, переходя как к более низшим, так и к более высшим уровням структурной организации материи, соблюдая последовательность иерархии до получения полной единой картины мира. Причем уровень структурной организации материи появляется там, где появляется новое качество материи, присущее только данному уровню, данной целостности, как квант, не являющийся суммой качеств составных частей данной целостности. Там, где нет нового качества, не может быть уровня структурной организации материи. Это закономерность проходит по всем уровня структурной организации материи.
Уровень структурной организации элементарных частиц
С античных времен, пока атом считался неделимым, почти все было ясно, понятно и определенно, пока ученые не решились заглянуть внутрь атома (любопытству нет предела), ясность и определенность исчезли. После античности первым представителем строения атома считается английский физик и химик Джон Дальтон (1766–1844), который недалеко ушел от своих предшественников, но с учетом последних достижений химии, ввел некоторые новые понятия и характеристики атома. Далее, на основе изучения содержимого в лучах на стыке последующих веков, сделан вывод о том, что эти частицы были в две тысячи раз легче, чем водород. В 1904 году Джозеф Джон Томсон (1856–1940) на основе последних научных достижений и своих выводов, предложил так названную «пудинговой моделью атома».
Хотя дальнейшее углублённое исследование атома было еще менее доступно, ученные решили разделить его на части, используя принцип Демокрита, им также не давала спокойствия природа электричества. Более 100 лет тому назад Эрнест Резерфорд (1871–1937), британский физик новозеландского происхождения, бомбардируя фольгу, понял, что атом не сплошная материя, а состоит из ядра, который в 1000 раз меньше самого атома и имеет положительный заряд. Поскольку атом в целом должен быть нейтральным, то должно быть нечто с отрицательным зарядом, заполняющее остальное пространство. Это нечто назвали электроном. Так в 1911 году получилась планетарная модель атома, не очень стройная система. В 1913 году датский физик-теоретик Нильс Бор (1885–1962) подкорректировал эту модель, введя стабильные энергетические уровни электронов, не устранив главные ее недостатки. Все же данная модель официально принятая современной наукой.
Учитывая, что массы ядер многих химических элементов кратны массе ядра водорода, то ядро тоже должно быть составным. В 30-е годы немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг(1901–1976) и российский физик-теоретик Дмитрий Иваненко (1904–1994) предложили гипотезу, что ядро состоит из протона и нейтрона, следовательно, атом состоит из протона, нейтрона и электрона. Данная система не могла удовлетворить физиков. Ядро, состоящее из частиц, имеющих положительный заряд, не разлетается, а электрон не падает на ядро. Значит должна быть сила, удерживающая ядро и атом в стабильном состоянии. Было замечено, что при распаде нейтрона получается положительная частица и что-то еще, замеченное по недостающей энергии. Это что-то названо швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули (19001958) нейтрино.
Так шло постепенное проникновение вглубь атома. Число частиц стало возрастать. В 1934 году японский физик-теоретик Х. Юкава (1907–1981), построив количественную теорию взаимодействия нуклонов, предложил частицу, отвечающую за ядерные силы, которые удерживают ядерные частицы внутри ядра (чтобы что-то осмыслить, надо сначала все это придумать, и тут как раз наступает черед теоретиков). Физики все более стали разделяться на физиков-теоретиков и физиков-практиков, экспериментаторов и между ними иногда возникали споры. Эта частица впоследствии была названа пионом или пи-мезоном. Вскоре стало ясно, что мезонов несколько, и в 1947 году был предложен первый якобы настоящий мезон, действительно являющийся переносчиком сильных взаимодействий между протоном и нейтроном в соответствии с теорией Юкава. Этих частиц оказалось несколько, и обладали они странными свойствами. Это частицы с зарядами +; —; 0. Кроме того странность не совсем понятное свойство, особенно наряду с последующими, не менее странными частицами – очарование (c-кварк), прелесть (b-кварк) и истинность (t-кварк), имеющие запах, цвет, учитывая что свойство величины целого равно сумме значений величин, составляющих его частей, при возможности разбиения целого на части. Данные свойства, и прежде всего последнее противоречат принципу квантования. Однако мы слишком далеко зашли, вернемся к последовательности.