Природа дефекта массы ядра и спектра атома

Кузнецов А.И., Кузнецов А.Р.

Согласно действующей протон-нейтронной модели, все ядра атомов состоят из двух типов частиц — протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны называются нуклонами, а атомные ядра — нуклидами.

Принято считать, что протоны и нейтроны в ядре связывают между собой ядерные силы, которые являются результатом сильных взаимодействий. Это отдельный вид взаимодействий, который не сводится к известным из классической физики гравитационным и электромагнитным взаимодействиям. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются только на расстояниях между нуклонами сравнимыми с размерами самих нуклонов, то есть порядка 10^-15 м. Ядерные силы обладают свойством зарядовой независимости. Это означает, что притяжение между двумя нуклонами не зависит от того, протоны это или нейтроны [1].

Такое легкомысленное отношение к действующим классическим законам физики не свойственно для настоящих ученых. Оно свидетельствует о легкомыслии, безответственности и вседозволенности, процветающей среди сторонников всевозможных небылиц типа черных дыр, темной материи, темной энергии и безмассовых фотонов. Одна «общепринятая» глупость порождает другую и так без конца. Никого уже на волнует и не интересует истинная наука, поскольку она требует конкретных специальных знаний.  Не располагая такими знаниями, эти «ученые» начинают дальше развивать «науку» на своих необоснованных домыслах, иначе говоря городить чушь.

По нашему мнению, ничто не может изменить классические законы взаимодействия заряженных частиц. Существующая схема скученности всех протонов в ядре и размещении всех электронов на энергетических уровнях внешней оболочки атома не может обеспечить устойчивую структуру атома, из-за наличия как у одних, так и у других частиц сил взаимного отталкивания. Кроме того, эта схема исключает взаимодействие атомов между собой и возможность образования из них однородной монолитной структуры.

Именно по этой причине природа возникновения ядерных сил является в настоящее время одной из основных, фундаментальных проблем физики. Несмотря на большое число работ, посвященных этим вопросам, природа атомного ядра и связанных с ним проблем до сих пор остается неясной.

Такими трудностями, не находящими разумного объяснения, являются:

- причина возникновения ядерных взаимодействий;

- характер взаимодействия протонов в ядре, несмотря на присущее им отталкивание;

- причина замены отталкивания на притяжение при весьма малых расстояниях между ними;

- роль нейтронов в этих процессах;

- причина устойчивости нейтронов от распада в атомных ядрах.

Принято считать, что нейтрон - это неделимая частица, когда он находится в связанном состоянии в ядре. Однако, данное утверждение, при отсутствии понятий о природе и механизме такой связи в ядре, беспочвенно и противоречит здравому смыслу. Аномальный магнитный момент указывает на то, что нейтрон является составной частицей. Подтверждением этому является то, что в свободном состоянии он в течение примерно 15 минут распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Из этого следует, что нейтрон состоит из протона и вращающегося вокруг него электрона.

В результате проведенных учеными исследований установлено, что при реакциях деления и синтеза атомных ядер расчетная суммарная масса свободных нуклонов, из которых состоит ядро, всегда больше фактической массы ядра. Из этого следует, что в процессе объединения нуклонов в ядро определенная часть их массы «теряется». Эта разница у физиков получила название дефекта массы. Принято считать, что масса не исчезает бесследно, а превращается в энергию связи.

При исследовании бета-распада также была установлена возможность преобразования нейтрона в протон и протона в нейтрон.

Бета-распад — тип радиоактивного распада, обусловленный слабым взаимодействием и изменяющий заряд ядра на единицу без изменения массового числа [2]. При этом распаде ядро излучает электрон или позитрон (бета-частицу), а также нейтральную частицу с полуцелым спином (электронное антинейтрино или электронное нейтрино).

Традиционно к бета-распаду относят распады двух видов:

- ядро (или нейтрон) испускает электрон и антинейтрино — «бета-минус-распад»;

- ядро испускает позитрон и нейтрино — «бета-плюс-распад».

Превращение протона в нейтрон внутри ядра может происходить в результате захвата протоном одного электрона из электронной оболочки атома.

Исследование бета-распада ядер неоднократно ставило учёных перед неожиданными загадками. После открытия радиоактивности, явление бета-распада долгое время рассматривалось как аргумент в пользу наличия в атомных ядрах электронов; это предположение оказалось в явном противоречии с квантовой механикой. Затем непостоянство энергии электронов, вылетающих при бета-распаде, даже породило у некоторых физиков неверие в закон сохранения энергии, т.к. было известно, что в этом превращении участвуют ядра, находящиеся в состояниях с вполне определённой энергией. Максимальная энергия вылетающих из ядра электронов как раз равна разности энергий начального и конечного ядер. Но в таком случае было непонятно, куда исчезает энергия, если вылетающие электроны несут меньшую энергию. Предположение немецкого учёного В. Паули о существовании новой частицы — нейтрино — спасло не только закон сохранения энергии, но и закон сохранения момента количества движения [2].

Мы считаем, что наблюдающийся при бета-распаде распад нейтрона свидетельствует о возможности протекания данного процесса у нейтронов, находящихся в ядрах атома, без излучения электрона во внешнюю среду.

Очевидно, основная трудность определения механизма взаимодействия нуклонов в ядре заключается в необдуманно принятых (придуманных) физиками понятиях «связанное состояние» и «зарядовая независимость».

Поместив в одну банку зерна риса и пшеницы, мы можем говорить только о наличии в ней их механической смеси. О связанном состоянии зерен друг с другом не может быть и речи. Каждое их зернышко существует само по себе, находится в свободном состоянии и сохраняет свои свойства.

Так и нейтроны в объеме ядра, сохраняя свои свойства и находясь в свободном состоянии, продолжают распадаться на протон, электрон и электронное антинейтрино. Именно распад нейтрона является причиной возникновения взаимодействия разноименно заряженных частиц, обеспечивая их связь в ядре атома.

Обладая высокой проникающей способностью, антинейтрино покидает ядро. Поскольку оно обладает определенной, небольшой массой, то ядро становится легче на величину равную суммарной массе, покинувших его антинейтрино. Именно эта величина характеризует так называемый дефект массы ядра.

Согласно принятой модели, атом нейтрален и представляет собой ядро, окруженное электронами, число которых равно числу протонов в ядре. По нашей гипотезе, внутри ядра также содержится количество электронов равное числу находящихся в нем нейтронов.

Их наличие обусловлено самопроизвольным распадом нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Излучение электронов за пределы ядра сдерживается воздействием на них электромагнитного поля протонов. В отличии от бета-распада, он происходит без излучения электрона и изменения заряда ядра.

Ученые считают, что наличие ядра свидетельствует о существовании в атоме другой силы взаимодействия, кроме электромагнитной. Ее принято называть ядерным сильным взаимодействием.

Японский физик Юкава еще в 1935 году выдвинул гипотезу, что ядерное взаимодействие есть результат обмена нуклонов виртуальными частицами (мезонами). При этом один нуклон испускает частицу, а другой нуклон ее быстро поглощает, затем он испускает ее и первый нуклон ее поглощает. Кстати за это он получил Нобелевскую премию. Такой процесс обмена промежуточной частицей происходит постоянно между нуклонами, находящимися в связанном состоянии.

Однако, в начале 1970 г. было установлено, что при уменьшении расстояния до асимптотического предела частицы перестают взаимодействовать и становятся свободными, а на расстояниях близких к нулю притяжение между нуклонами сменяется отталкиванием [3].

Схема Юкавы исключает возможность таких состояний нуклонов. Кроме того, она предполагает только попарную связь между частицами, т.е. не объясняет связь всей совокупности, находящихся в ядре, нуклонов между собой.

Мы считаем, что сильное ядерное взаимодействие возможно только в том случае, когда все нуклоны находятся в постоянной связи между собой. При этом между всеми, а не отдельными, частицами, образующими ядро, должны одновременно существовать связи, удерживающие их в скученном состоянии.

Существующее между нуклонами взаимодействие, удерживающее их вместе в ядре, обусловлено свойствами протона. Он стремится восстановить равновесие за счет присоединения электрона путем заимствования его из ближайшего окружения.

Поскольку заряд протона равномерно распределен по его поверхности, то, учитывая его размеры, он одновременно оказывает влияние не на один, а на все находящиеся вокруг него электроны нейтронов, пытаясь присоединить какой-нибудь из них себе. Согласно принципа суперпозиции, если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел [3].

Поскольку электроны нейтронов находятся в постоянном движении, то их расстояние от центра воздействующего протона непрерывно меняется. Следовательно, каждый из них компенсирует только определенную долю от требуемого протону заряда электрона, которая, согласно закону Кулона, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Когда суммарное значение этих долей зарядов стабилизируется и становится равным целому заряду электрона, то притяжение прекращается и протон становится нейтральным. Это состояние назвали асимптотической свободой. Если, в результате движения, или под действием других сил, два таких нуклона, имеющих один или более общих электронов приблизятся друг к другу, то они заряжаются отрицательно и начинают отталкиваться.

Если к протону, находящемуся в состоянии асимптотической свободы, приблизится положительно заряженный протон, то он заберет у него часть отрицательного заряда электрона себе. Если этого заряда будет недостаточно для его нейтрализации, то оба нуклона приобретут положительные заряды и начнут отталкиваться друг от друга. Этим объясняется, что на расстояниях близких к нулю притяжение между нуклонами сменяется отталкиванием.

Учитывая, что расстояние между нуклонами и электронами может колебаться в течение времени, то изменяются и силы их взаимодействия.

Силой притяжения протону удается приблизить к себе на какое-то расстояние электроны окружающих его протонов бывших нейтронов. С удалением электрона бывший нейтрон приобретает положительный заряд и начинает в свою очередь притягивать электроны расположенных вблизи его других бывших нейтронов. Поскольку суммарные заряды всех протонов (исходных и образовавшихся из нейтронов) равны по величине, то ни один из них не в состоянии отобрать полностью электрон у другого.   

Величина дефицита отрицательного заряда протона, по мере приближения к нему электрона, будет уменьшаться, а, следовательно, будет уменьшаться и сила притяжения электрона. Дефицит заряда другого связанного с этим электроном протона наоборот будет увеличиваться, а, следовательно, будет расти и сила притяжения им электрона.

При достижении критического расстояния (значения этих сил), электрон начнет двигаться в обратном направлении. Таким образом, постоянно меняя направление своего движения общие электроны протонов будут совершать возвратно поступательные колебания с определенной частотой, обеспечивая связь (сильное взаимодействие) между ними в ядре атома и удерживая все их вблизи друг друга.

Колебание электрона между протонами осуществляется не по прямой линии, а по конической спирали или волнообразной линии.

Простейшим примером такого взаимодействия является молекулярный ион водорода (H2+) - физическая система, состоящая из двух протонов, удерживающихся вместе на расстоянии 1,06 ; одним электроном. Стабильность такой системы, по Полингу, вызвана резонансом электрона между двумя протонами с «резонансной частотой», равной 7;10^14 Гц [4].

Такая же схема взаимодействия характерна при наличии в ядре и протонов и нейтронов. Структура ядра, его свойства и характер взаимодействия в атомах с большим содержанием электронов отличаются повышенной сложностью, наличием большего количества колеблющихся электронов вокруг каждого протона, но принцип остается таким же.

Наличием большего количества общих электронов и меньшего расстояния между ними и протоном для тяжелых металлов объясняется более компактная упаковка ядра и их удельная плотность (атомный вес).

Наличие атомов различной плотности, очевидно, объясняется условиями их образования, и в основном определяется величиной давления окружающей среды.

Очевидно, что электроны, находящиеся в глубине ядра тяжелых химических элементов, при большом количестве окружающих их нуклонов, имеют большее количество связей, с меньшим расстоянием между ними, чем те, которые располагаются на его поверхности. Этим можно объяснить удаленность от ядра, более слабую связь и высокую подвижность электронов оболочки, окружающих ядро атома и определяющих его возможную валентность. Их суммарный заряд равен недостающему заряду для протонов на поверхности ядра. Поэтому в химических реакциях участвуют только электроны и протоны, расположенные на поверхности атома и имеющие меньшее количество связей с нуклонами ядра.

Наличие свободной связи у таких электронов и протонов позволяет им осуществлять взаимодействие, как с подобными атомами, так и с атомами других химических элементов, образовывая объемные массивные структуры.

Чем меньше количество связей у электронов химического элемента, тем выше его активность при образовании молекул и легче ионизация атомов при воздействии на них ионизирующих частиц (фотоэффект) и повышенных температур. Чем тяжелее химический элемент, тем большим количеством связей обладают такие электроны и меньше его активность. Этим можно объяснить наличие двух атомов в молекуле газов и более высокую реакционную способность атомов легких химических элементов, по сравнению с более тяжелыми.

Предложенная нами схема позволяет также легко объяснить изменение цвета металлов при нагреве и особенности атомных спектров химических элементов.

Изменением шага спирали или иначе длины волны траектории движения общих электронов и частоты их колебания определяется цвет свечения химического элемента при его нагреве и ионизации его атомов. Атому каждого химического элемента свойственна определенная длина волны (шаг спирали), которая при колебании постоянно изменяется с определенной закономерностью. Этим объясняется наличие, количество и отличие различных дискретных линий в атомных спектрах химических элементов.

Наличием только одного общего колеблющегося электрона объясняется наличие наиболее простого атомного спектра у водорода.

Согласно существующей теории, атомные спектры возникают при переходах между уровнями энергии внешних электронов атома и наблюдаются в видимой, ультрафиолетовой и близкой инфракрасной областях. Такими спектрами обладают как нейтральные, так и ионизованные атомы. Спектры ионизованных атомов смещены по отношению к спектрам нейтральных атомов в область больших частот, т. е. в ультрафиолетовую область. Это смещение тем больше, чем выше кратность ионизации атома — чем больше электронов он потерял [5].

Это соответствует предложенной нами гипотезе. Наличие меньшего количества электронов приводит к уменьшению расстояния между протонами и электронами и повышению частоты колебаний общих электронов.

Таким образом, предложена гипотеза, позволяющая объяснить природу и механизм образования дефекта массы, сил ядерного взаимодействия и разнообразия атомных спектров химических элементов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Протон-нейтронная модель ядра. [Электронный ресурс]. – URL: https://edu.jinr.ru/nucl-phys-for-school/p2/a1/ [дата обращения 30.10.2024].

2. Бета-распад. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/114/532.htm [дата обращения 22.04.2024].

3. Сафаров Р. Х. Физика атомного ядра и элементарных частиц: учебное пособие для студентов педагогических вузов. - Казань: РИЦ «Школа», 2008. - 280 с.

4. Протон. [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki [дата обращения 23.09.2021].

5. Атомные спектры. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/080/566.htm [дата обращения 04.11.2024].