专利名称：柱体束式三维元素周期表的制作方法
技术领域：
本实用新型属于化学元素内在自然周期规律的直观三维显示器具。
门捷列夫提出元素周期律已有120多年。在这期间有关原子结构的理论有了很大发展。但元素周期律至今未能用元素的内在本质原子结构描述和定义；多年来人们针对元素周期表中存在的不足，曾提出过多种改进方案。其目的不外乎要寻求一个能充分反映元素内在自然规律的周期表。然而均未能获得满意的结果。这表明要达到预想的这个目的，仅仅靠周期表单方面的改进是不可能的。必须同时对周期律也进行改进才能办到。一个多世纪中，元素周期律一直是以元素的化学性质为中心的；是元素性质的周期体系。然而性质只是元素对外在事物的反映，并非元素的内在本质。所以人们设计的各种形式的周期表，包括1989年提出的三维元素周期表“元素周期仪”(中国专利89.2.04167.6)。以及仍在推广销售的“‘亚历山大(ALexander)’三维元素周期表”(美国专利见http//periodicTable.Com/pages/3AAE3D.html)等，虽然各有所长，但都是以化学性质的周期律为依据的。因此都不能充分反映元素间内在的自然规律，都存在理论与表现形式间的某些矛盾。由三个形状不统一的柱体组成的，“‘亚历山大’三维元素周期表”还出现了周期之间的界限不清，某些元素分类不明确等一些新的不足。然而周期性和分类正是元素周期律的核心问题。
本实用新型的目的是为了让元素周期表能充分反映元素内在本质间的自然周期规律；让每个周期，周期内的次级组成，各周期之间的相互关系，以及元素分区，分族间的分类关系等，都能同时极有规律的，在周期表上直接表现出来。使理论与几何表现形式能一一相互对应。为化学教学提供一个更能深刻领会的教具；为周期律的研究和应用提供一个直观的显示器具。
本实用新型为了达到预期的目的，是从以下三个方面进行的。(1)利用原子结构和原子外层电子构型等方面已有的理论知识，改进元素周期律的理论描述；将原来以元素性质为中心的思想，改为以原子结构做为唯一的基本依据。即改为“元素原子结构(基态外层电子构型)随着原子核电荷数(质子数)的依次递增，呈现周期性的变化”。这样改进后表达的是不含人为因素的，元素间内在本质的自然变化；是元素间最基本的周期规律。(2)以此改进的周期律为依据，对元素统一按电子构型分类，即不再沿用主，副族等以性质为中心的分类法。并重新明确相应的元素族名，是在现有的元素电子构型分区的基础上，用分区符号s，p，d，f，再加上该族元素特征性能级理论上应填入的电子数为族名。即名为s1，s2族；p1，p2......p6族；d1，d2......d10族；f1，f2......f14族等。这样的族名可与元素的原子外层的结构直接联系起来。由于是按电子构型分类，部分元素的归属要明确。氦元素不属于p6族调整至S2族；镧系和锕系元素原属于IIIB族，按电子构型应属于f1到f14族；而镥和铹按电子构型无疑应属于d1族，因此与钪和钇排在同一族。(3)以改进的周期律和元素分类为依据，进行三维周期表的几何形状设计。本实用新型在总体上设计成，由四个相似形柱体组成的柱体束，见
图1和图3。按电子构型分区，排列S分区元素的柱体称为S柱；排列P分区元素的柱体称为P柱；排列d分区元素的柱体称为d柱；排列f分区元素的柱体称为f柱。各柱体的尺寸按s.p.d.f顺序由小到大，见
图1，图3。其中每个柱体的形状都是一侧宽厚，另一侧呈刃棱状的异形柱体(简称刃形柱)，见图2。此种柱体均在刃棱一侧，形成一条纵向垂直于底座的刃棱线。各柱体的横截面(上视图)如同苜蓿叶状。各个柱体上所排列属于同一电子构型分区的元素，均从柱体的刃棱处开始，按原子核电荷数和逆时针顺序，环绕排列在每个柱体表面上。同一个周期的元素均排列在同一个水平位置上。分布在不同柱体上属于同一周期的元素，均排列在同一高度。各柱体上属于同一个族的元素均排列在同一个纵行。将四个柱体按s，p，d，f顺序，顺时针环绕放置并使各柱体的刃棱线相互汇合，再连接在一起成为一个整体，即构成柱体束式三维元素周期表。
本实用新型可制成较坚固的固定式的，或可动式的；也可以印刷在纸类等薄型材料上，用折纸的方法做成简易式的柱体束式三维元素周期表。本实用新型由于具有特定的几何造型，也可与其它器物结合制成一物多用的产品。
本实用新型首先做到了，能直接反映元素内在本质原子结构的周期变化规律。图4是说明所取得效果的示意图。此图可看到三维周期表的背面和各周期间的组合情况。此图4与
图1和图3在元素排列位置顺序，周期和几何关系上都是一致的。图4中黑体数字为周期号数；周期号数下面的小号数字为该周期所包含元素的原子核电荷数；图中箭头指向是按原子核电荷数递增顺序元素的排列方向；图中s，p，d，和f为元素电子构型分区符号。它标明在各符号下方，各苜蓿叶状小环中包含的元素以及分布的柱体所属的电子构型分区。图中说明每个完整周期中的元素虽然分别分布在一到四个柱体上，但均能绵延不断的排列成处于同一水平位置的一个大环形。因此每一个水平的大环形对应一个完整周期，属于不同周期的元素分别排列在不同的水平位置上。因此各周期是依次接续的又是界限分明的。每个完整的大环形是由一到四个尺寸不等苜蓿叶状的小环首尾依次连接组成，这种小环表示在完整周期中还存在有规律的次级组成——电子构型分区子周期。完整周期中不同尺寸的小环，分别对应于不同的子周期。排列在不同子周期中的元素属于不同的电子构型分区。在第1周期中只有一个最小的小环，表示只有一个S子周期；在第2和第3周期均含有一个最小的小环，还有一个略大些的小环，表示均含有S和P两个子周期；在第4和第5周期中均含有三个尺寸不等的小环，表示均含有s，p和d三个子周期；在第6和第7周期中均含有四个尺寸不等的小环，表示均含有s，p，d和f四个子周期。各苜蓿叶状小环尺寸大小与相对应的子周期所包含元素的数目(即子周期的周期长度)成比例s子周期均由两个元素组成；p子周期均由六个元素组成；d子周期均由十个元素组成；f子周期均由十四个元素组成。所以代表s，p，d和f的四种小环周长的比例为2∶6∶10∶14，是公差为4等差数列。不同尺寸的小环采用几何相似形，是说明各个子周期中，各相邻元素间外层电子构型的递变幅度是相同的，都存在同样明显的原子结构的周期性变化，以此说明各子周期之间除特性外还具有共性。另外本实用新型在元素分类方面也具有几何对应关系，从总体上可分为四个层次整个柱体束对应所有元素整体；每个柱体对应于元素电子构型一个分区；柱体上每个纵行对应于元素按电子构型分类的一个族；每一个方格则对应于一个元素。
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明。
图1是本实用新型柱体束式三维元素周期表的组成图。
图2是本实用新型中柱体的基本几何形状图。
图3是本实用新型的立体图(可动式)。
图4是本实用新型的效果示意图。
图5，6，7，8是各柱体上元素排列状况的展开图。
图9是本实用新型简易式的整体展开图。
图1和图3中柱体的形状设计是其宽厚一侧可以是圆柱形的一部分，其横截面如图2中的2a；但也可以是其它曲面形或多棱柱的一部分，如图2中的2b或2c。但在每一个具体的三维元素周期表中柱体形状必须具有统一性。即四个柱体应互为相似形。
本实用新型如以固定式为例，其中刃形柱的刃棱角α(见
图1和图2)愈小，相邻两刃形柱间的夹角β就会愈大。此β角愈大柱体汇合处附近的查看视线就愈好。当刃棱角趋近于零度时，刃形柱将成为平板状柱体(见图2中2d，为能制成实体图中给柱体增加了适当的厚度)。此时虽然具有最佳的查看视线。但本实用新型仅仅把它视为在某种情况下应用的特例。而在实施例中则选用了具有普遍意义的，45度的刃棱角，柱面形状呈连续过渡的柱形。
实施例1本实施例为可动式的，首先将元素按所属电子构型分区，分别环绕排列在s，p，d，f等各个刃形柱体表面。每个柱体按周期由上到下排列；在s柱表面排列1到7周期s1和s2族的元素共两个纵行其展开图见图5；在p柱表面排列2到7周期p1，p2......p6各族的元素共六个纵行其展开图见图6；在d柱表面排列4到7周期d1，d2......d10各族元素共10个纵行其展开图见图7；在f柱表面排列6和7周期f1，f2......f14各族元素共14个纵行其展开图见图8。本实施例除此四个柱体外，也可增加理论上待发现的超重元素组成的第五或第六柱体。按现已发现元素所组成的四个柱体，其高度比例为s高∶p高∶d高∶f高＝7∶6∶4∶2；各柱体横截面的周长比例为s周∶p周∶d周∶f周＝2∶6∶10∶14。因为本例是可动式的。是将各柱体的刃棱相互汇合线，即
图1中的L-L′线，由几何学的线扩大为图3中的具有一定尺寸直径的小型共有中心枢轴。并分别在p，d，f柱体的刃棱状一侧均制成带有2-3个小型轴孔环的柱体(见图3中3a及图6，7，8图上方h)；而将s柱制成带有7个管状轴孔套的柱体(见图3中3b及图5上方t)。将以上各柱体按s，p，d，f顺序顺时针环绕放置，并将各柱体刃棱线有轴孔的一侧汇聚在一起。各柱体的轴孔中心纵向对齐为一垂直线。然后通过竖立于底座E，相当于
图1中L-L′线及图3中3c位置的一根细小的中心轴穿入各个柱体的轴孔中，而将各个柱体连成为一个整体柱体束，每个柱体均可绕共同的中心轴(图3中3c)做一定角度的扇形转动，以获得最佳的查看视线，在共同中心轴的管状轴孔套的表面做为注明各周期号数的位置(见图3)。
实施例2本例为简易式的，方法是将柱体束式三维元素周期表，以整体展开图的形式印刷在纸张上，见图9，首先将此展开图沿轮廓剪好外形，再沿N2，N3，N4三条线折叠，使其形成凸向纸张背面的相互平行的三条凸棱线。然后第一步先将图9中K3耳状凸边粘贴于S区背面的M影线处；此时f区将自然形成一个小环状，其外观相当于刃形柱体的一段；第二步将K4凸边粘贴于S区背面M影线处，则d区也形成了一段刃形柱；第三步将K5边粘贴于S区背面M影线处，则P区又形成了一段刃形柱；最后将K1凸边向纸张背面弯折，也粘贴于M处则S区形成了一段较细的刃形柱，此时N1，N2，N3，N4，N5五条线均应汇合于一条线(理论上相当于
图1中的L-L′线)。这样即构成了简易式的柱体束式三维元素周期表。它与图3可动式的主要差别，在于可动式的有中心枢轴。而简易式的则无中心枢轴，仅有一条汇合线L-L′。
权利要求1.本实用新型柱体束式三维元素周期表其特征在于是以本实用新型提出改进的元素周期律的理论描述元素的原子结构，随着原子核电荷数的依次递增，呈周期性的变化，做为唯一的理论依据，将元素按原子外层电子构型的分区分别排列在s，p，d，f等一侧宽厚另一侧呈锐角刃状的几何相似形的四个刃形柱体表面，令各柱体刃棱线在一条垂直线处汇合，相互连接成整体而构成柱体束式三维元素周期表。
2.权利要求1所说的柱体束式三维元素周期表，其特征是将元素按所属电子构型分区，分别环绕排列在各个刃形柱体表面，在s柱表面排列1到7周期的s区元素共两个纵行，在p柱表面排列2到7周期的p区元素共六个纵行，在d柱表面排列4到7周期的d区元素共10个纵行，在f柱表面排列6和7周期的f区元素共14个纵行，再由此四个相似形柱体组成柱体束。
3.权利要求1所说的柱体束式三维元素周期表，其特征是具有按元素外层电子构型确定的统一的族名，即s1，s2族；p1，p2......p6族；d1，d2......d10族；f1，f2......f14族等族名。
4.权利要求1所说的柱体束式三维元素周期表，其特征是各柱体上属于同一周期的元素，均保持在同一个水平线位置上，并形成一个完整的环状，而每一个完整的环状又是由几个小环首尾依次相连组成，表示完整周期中还存在次级组成——即电子构型分区子周期，按现有元素各完整周期是分别由1，2，3或4个子周期组成。
5.权利要求1所说的柱体束式三维元素周期表，其特征是制成可动式的时候是将各柱体刃棱状一侧，制成带有小型轴孔环或轴孔套的柱体，然后再用一根垂直于底座的，细小的共同中心轴穿入各个柱体的轴孔环和轴孔套中，把各个柱体连接成一个柱体束，各个柱体均可绕此轴作扇形转动，以变换各相邻刃形柱体间所构成的夹角。
6.权利要求1所说的柱体束式三维元素周期表，其特征是当制成简易式的时候是印刷在纸张等薄型可折叠的材料上，用折叠的方法折成s，p，d，f等一侧宽厚另一侧呈锐角刃状的四个刃形柱体，各柱体在刃棱线处相互连接成整体而构成柱体束式三维元素周期表。
专利摘要本实用新型是以元素间原子结构的周期变化为唯一的基本依据,反映的是元素内在本质间不含人为因素的自然周期规律。是将元素按所属电子构型分区分别排列在s,p,d,f等四个一侧呈刃棱状的柱体上,并连接成整体柱体束而成。它可使有关理论与几何表现形式能同时从几个方面一一相互对应,可为元素周期律的教学,研究和应用带来方便,并可与其它器物结合制成一物多用的产品或陈设品。
文档编号G09B29/00GK2396467SQ99202818
公开日2000年9月13日 申请日期1999年1月30日 优先权日1999年1月30日
发明者刘锦华, 刘荣迁 申请人:刘荣迁, 刘锦华