Конструктор моделей электронных оболочек и ядер атомов химических элементов

Конструктор моделей электронных оболочек и ядер атомов химических элементов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

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 (CH₄, NH₃, H₂O, H₂S 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 sp³-, sp²- 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 sp²- 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.