Нейтрон и протий

ВВЕДЕНИЕ

Физики не любят говорить о том, что они что-то не знают и поэтому не могут объяснить некоторые опытные данные. Когда возникают трудности в объяснении какого-либо факта, противоречащего признанной теории, то часто это противоречие устраняют с помощью гипотезы. Если гипотеза получает признание специалистов, то она приобретает силу аксиомы. Но при этом гипотеза, устранив одну из трудностей, может привести к другим трудностям, которым потом не  уделяют должного внимания.  Или устраняют эти трудности с помощью ещё одной гипотезы. В конце концов физики приходят к соглашению, которое признаётся большинством специалистов, но не устраняет при этом полностью противоречия теоретических представлений с опытными данными.
Такая история произошла с нейтроном, который в современной физике рассматривается как элементарная частица.

НЕЙТРОН И ПРОТОН

В современной физике принято считать, что нейтрон и протон это одна и та же элементарная частица, отличающаяся электрическим зарядом: нейтрон не имеет заряда, а у протона он равен 1.  Однако это представление противоречит опытным данным. Нейтрон в свободном состоянии распадается на протон и электрон за время порядка 15 минут. А протон является стабильной частицей.

ТРУДНОСТИ В СОВРЕМЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЯХ О НЕЙТРОНЕ

Представление о нейтроне как элементарной частице не даёт удовлетворительного объяснения следующих особенностей нейтрона:
Распад нейтрона на протон и электрон.
Наличие магнитного момента при нулевом электрическом заряде.
Превышение массы нейтрона суммарной массы частиц, на которые он распадается.
 
ПРОТИЙ

Протий - наиболее распространённый в природе изотоп водорода. Это простейший атом, ядро которого состоит из протона, а электронная оболочка состоит из единственного электрона. Лёгкий электрон вращается вокруг тяжёлого неподвижного протона. Другой изотоп водорода дейтерий отличается тем, что его ядро состоит из протона и нейтрона. Он мало распространён в природе. У третьего изотопа трития ядро состоит из протона и двух нейтронов. Этот изотоп в свободном состоянии в природе не встречается.
 
АЗОТНАЯ КАТАСТРОФА

После открытия атомного ядра Резерфордом в 1911 г. физики считали, что ядро состоит из протонов и электронов - элементарных частиц, которые были известны в то время. Но после открытия нейтрона и определения его спина, равного 1/2 (в конце 20-х годов),  эта гипотеза столкнулась с трудностью, которая получила название «азотной катастрофы». Её суть состоит в следующем. Согласно протонно-электронной гипотезе, ядро азота N(14, 7) должно состоять из 14 протонов и 7 электронов. Каждая из этих частиц имеет спин 1/2. Тогда суммарный спин ядра азота получается полуцелым. Но по данным измерений он является целым.
Но если принять, что ядро азота N(14, 7) состоит не из протонов и электронов, а из протонов и нейтронов, то получаем такой состав: 7 протонов и 7 нейтронов. В этом случае суммарный спин ядра N(14, 7) получается целым, что соответствует данным измерений. При этом и для других ядер химических элементов получаем согласование суммарного спина ядра с суммой спинов составляющих ядро протонов и нейтронов. В связи с этим физики пришли к соглашению, что нейтрон следует считать элементарной частицей, а ядра состоят из протонов и нейтронов.
Итак, проблему со спином ядра азота N(14, 7) физики решили, но при этом ранее указанные противоречия представлений о нейтроне как элементарной частице остались.

НЕЙТРОН И ПРОТИЙ КАК ОДНА СИСТЕМА

Характерным общим свойством нейтрона и протия является то, что нейтрон распадается на те же частицы, из которых состоит протий - протон и электрон. Это даёт основание рассматривать нейтрон и протий как одну систему, находящуюся в различных энергетических состояниях. Именно это обстоятельство автор использовал как основополагающее для построения новой теории нейтрона, в которой он рассматривается  как протий  в низшем энергетическом состоянии.

Теория атома водорода разработана Нильсом Бором. Согласно теории Бора, электрон вращается относительно протона по устойчивым орбитам, которые определены условиями квантования. На этих орбитах движение электрона происходит без излучения энергии. Из условия равенства сил электростатического притяжения и центростремительной силы, образуемой орбитальным вращением электрона, Бор вывел формулы для определения радиусов орбит электрона и скоростей на этих орбитах. Эти параметры зависят от квантовых чисел n.  Они имеют целые значения n = 1, 2, 3,... . При n = 1  орбита электрона имеет наименьший радиус.

Эти формулы я использовал для определения радиуса орбиты электрона и его скорости в нейтроне. Итак, радиус орбиты нейтрона должен быть целым числом и заведомо меньше, чем наименьший радиус в атоме водорода. Получается, что n = 0. Но при подстановке n = 0 в формулу Бора для определения скорости электрона получаем, что скорость принимает бесконечно большое значение. Поскольку законы квантования не допускают бесконечно больших величин, я принял значение скорости равное скорости света, как наибольшего допустимого значения скорости в электромагнитных взаимодействиях.   Получилось, что радиус орбиты  электрона  (радиус нейтрона Rn) в нейтроне (равен:
Rn = s x le,
где s = 1/137 - фундаментальная величина, так называемая постоянная тонкой структуры;  le - комптоновская длина волны электрона.

Тогда численное значение радиуса нейтрона в свободном состоянии
Rn = 2.827х10^(-15 м).
Это значение совпадает с так называемым классическим радиусом электрона.
Сравним полученное значение Rn с боровским радиусом атома водорода R1, которому соответствует квантовое число n = 1.
R1 = 5.292х10^(-11) м.
Численное значение R1 с использованием констант s и le можно определить так:
R1 = le/s .

Таким образом, радиус нейтрона в свободном состоянии и боровский радиус  атома водорода определяются одними и теми же фундаментальными постоянными s и le. Их количественное отношение определяется как:
Rn/R1 = s^2.
Это дополнительно подтверждает тот факт, что нейтрон и протий это одна система в различных энергетических состояниях.

СПИН НЕЙТРОНА

Так как нейтрон является квантово-механической системой «протон-электрон», то его спин слагается из трёх составляющих: спина протона, спина электрона и орбитального момента электрона Le. Наличие орбитального момента  электрона подтверждается тем, что нейтрон имеет магнитный момент. Тогда три слагаемых с полуцелым спином дают полуцелый суммарный спин.

МАССА НЕЙТРОНА

Как отмечалось выше, масса нейтрона превышает суммарную массу протона и электрона - частиц, на которые он распадается. Это небольшое превышение объясняется тем, что масса нейтрона включает в себя кроме массы составляющих его частиц ещё полевую компоненту массы. Это масса, эквивалентная энергии связи протона и электрона, которая обусловлена электростатическим притяжением протона и электрона.

МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ НЕЙТРОНА

Определённый автором магнитный момент нейтрона имеет значение, близкое к приведенному Л. Полингом в его книге «Общая химия». Соответственно 3.27 и 3.31.
 
О РАДИУСЕ НЕЙТРОНА В СОСТАВЕ АТОМНОГО ЯДРА

Нейтрон в атомном ядре испытывает поляризацию. Положительно заряженное ядро притягивает электрон и отталкивает протон. Поэтому нейтрон в составе ядра представляет собой диполь, электрон не вращается относительно протона. При этом размер нейтрона Rn’ определяется как расстояние между протоном и электроном. Определённая автором величина составляет Rn’ = 0.92х10^(-15) м.
 
О ПРОТОННО-ЭЛЕКТРОННОЙ ГИПОТЕЗЕ СТРОЕНИЯ ЯДРА

С учётом представления о нейтроне как системе «протон-электрон» возвращаемся к протонно-электронной гипотезе строения ядра. Тогда можно считать, что, действительно, ядра состоят из протонов и электронов. При этом электроны входят в состав ядра не как отдельные частицы, а в составе нейтронов.

О ГРУППИРОВАНИИ ПРОТОНОВ И НЕЙТРОНОВ В СОСТАВЕ ЯДРА

Как показано в ядерной модели Л. Полинга, протоны и нейтроны в составе ядра группируются в более сложные частицы. Это подтверждается опытными данными. Так, первые трансурановые элементы были получены в результате облучения урановой мишени нейтронами. При этом наблюдалось: вылет из ядра электронов, вылет гелионов (ядер гелия, альфа-частиц) и деление ядра на осколки. Нейтроны как незаряженные частицы легко проникают в ядро, а в ядре превращаются в более сложные частицы, а именно, в дейтроны (ядра дейтерия), тритоны (ядра трития) и, в конечном счёте, в гелионы.  Гелионы не превращаются в другие частицы и по достижении определённого предельного значения могут покинуть ядро. Вылет электронов объясняется превращением двух нейтронов в  дейтрон и свободный электрон, который покидает ядро.

ЕЩЁ РАЗ ОБ АЗОТНОЙ КАТАСТРОФЕ

Если определить состав ядра азота N(14,7) согласно модели Полинга, то оно состоит из трёх гелионов и одного дейтрона. Эти частицы имеют целый спин, что и определяет суммарный целый спин ядра азота. Следовательно, нет «азотной катастрофы» и нет необходимости в гипотезе, согласно которой физики стали считать нейтрон элементарной частицей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Согласно предлагаемой теории, нейтрон не является элементарной частицей, как это принято считать в современной физике. Доказано, что нейтрон и изотоп водорода протий являются одной системой в различных энергетических состояниях, отличающихся квантовым числом. В предлагаемой теории даётся объяснение основных характеристик нейтрона и устраняются противоречия, связанные с представлением о нейтроне как элементарной частице.
Предлагаемая теория нейтрона изложена в статье “Neutron is Not Elementary Particle” , которая опубликована в журнале “Galilean Electrodynamics” (США, 2016), а также других публикациях автора, включая книгу «Ядерная химия» (2018) и страницу автора «Физика без камней в голове» на сайте «Цифровая витрина».
6-6-20