ЯДРА АТОМОВ
Канарев Ф.М.
Введение
Анонс. Ядра атомов - основа всего материального. Человечество израсходовало самый большой интеллектуальный и финансовый капитал на их изучение. Получено огромное количество научной информации, позволившей найти, как плодотворное, так и враждебное человеку её применение. Тем не менее, мы ещё далеки от понимания законов Природы, управляющих формированием ядер атомов. Предлагаемая статья - новый шаг к выявлению и пониманию этих законов, которые уже заслуживают быть включёнными в учебный процесс.
1. Начальная информация о ядрах атомов
Сразу возникает вопрос: есть ли экспериментальная информация для начала выявления структур ядер атомов? Есть, конечно, она скрыта, прежде всего, в Периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева. Сейчас мы увидим, что начало формирования всех химических элементов и разделение их на уже установленные периоды и группы лежит в структурах ядер атомов химических элементов [1].
Далее идёт экспериментальная информация, полученная на ускорителях элементарных частиц. Однако к ней надо относиться с большой осторожностью, так как экспериментаторы, получившие её, не имели надёжной теории для её интерпретации. Суть этой ненадёжности скрыта в процессе анализа результатов бомбардировки ядер атомов ускоренными частицами, чаще всего - протонами. Вот как описал это российский ученый В. Рыдник в книге "Увидеть невидимое" «….Представление об элементарных частицах составляют путем синтеза информации упругого и неупругого рассеяний при экспериментах на ускорителях элементарных частиц. Сложность этой задачи, по его мнению, сравнима с ситуацией, описанной в притче о слепцах: "Один потрогал хобот слона и сказал, что слон - это что - то мягкое и гибкое, другой дотронулся до ноги и заявил, что слон похож на колонну, третий ощупал хвост и решил, что слон - это нечто маленькое, и т. д." [2]. Бесплодные результаты такого анализа последних экспериментов на ускорителе в Церне, убедительно подтверждают достоверность этой точки зрения, поэтому мы проявим осторожность при использовании экспериментальной информации, полученной на ускорителях элементарных частиц.
Однако, в Природе - начальными источниками информации о ядрах атомов являются процессы рождения и старения звёзд Вселенной. Астрофизики, анализируя эти процессы, получили удивительную информацию, напрямую относящуюся к ядрам атомов химических элементов и мы не можем игнорировать её. Суть этой информации заключается в том, что в спектрах самых молодых звёзд присутствуют спектральные линии в основном водорода - первого химического элемента. По мере старения звезды она начинает излучать спектры химических элементов в полном соответствии с их последовательностью в Периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева. После спектральных линий атомов водорода появляются спектральные линии гелия, потом лития, бериллия, бора и т.д. Последовательность появления спектральных линий у стареющих звёзд совпадает с последовательностью химических элементов в Периодической таблице. Чем старее звезда, тем больше химических элементов она содержит. Вот спектр нашего Солнышка (рис. 0). В нём информация о том, что солнечные ядерные реакции родили уже более половины химических элементов. Это очень грустная информация для человечества и пора задуматься об этом [1].
Однако, астрофизики заметили, что во Вселенной есть звёзды, последовательность появления химических элементов на которых не соответствует расположению их в Периодической таблице. Астрофизики установили, что есть звёзды, у которых после появления спектральных линий атома кислорода - 8-го химического элемента, вдруг сразу появляются спектральные линии 20-го химического элемента - кальция. Удивительный факт, указывающий на то, что ядра атомов более сложных химических элементов формируются из ядер более простых химических элементов. В данном случае ядра атомов кальция формируются из ядер атомов водорода, гелия, лития, бериллия, бора и азота.
Сразу возникает вопрос: почему же тогда указанные простые ядра не формируют ядра, например, 15-го химического элемента - фосфора? Ответ тут может быть один - структура ядра атома кальция позволяет формировать его из указанных простых ядер, а структура ядра атома фосфора и ближайших к нему структур ядер исключают такую возможность и мы обязаны найти причины этого. Они скрыты и в последовательности процессов рождения живых организмов на нашей планете. Простейшие из них, родившиеся первыми, имеют защитные панцири из кальция [1].
Рис. 1. Спектр Солнца. Научный фонд США
Далее, мы обязаны получить ответ и на такой фундаментальный вопрос: почему графит и алмаз - вещества одного и того же химического элемента - углерода имеют радикально противоположные свойства: графит пишет по бумаге, а алмаз режет стекло?
Конечно, это не все ориентиры, которые мы должны использовать при поиске процесса формирования ядер атомов. Следующий мощный ориентир - следствие теоретической атомной спектроскопии, которое относится к ядру атома, - отсутствие орбитального движения электрона в атоме. Электроны взаимодействуют с ядрами атомов своими осями вращения. Это возможно, если протоны ядра расположены на его поверхности [3].
Таким образом, чтобы обеспечить взаимодействие каждого электрона с ядром, необходимо располагать протоны на поверхности ядра. Одинаковые заряды протонов исключают структуру ядра, в которой протоны касались бы друг друга. Природа строит ядро так, чтобы между протонами обязательно находился нейтрон. Поскольку последнее требование трудновыполнимо при большом количестве протонов в ядре, то привлекаются дополнительные нейтроны. Вот почему ядра почти всех химических элементов содержат нейтронов больше, чем протонов. Причем с увеличением количества протонов и нейтронов в ядре доля «лишних» нейтронов увеличивается. И это понятно, так как без них невозможно добиться геометрической симметрии ядра, в котором между протонами обязательно должны быть нейтроны.
Далее, нейтроны, по-видимому, проницаемы для магнитных полей протонов и непроницаемы или слабо проницаемы для их электрических полей. Экранируя одноименные электрические поля протонов, нейтроны создают условия, при которых магнитные полюса протонов взаимодействуют с противоположными магнитными полюсами нейтронов.
Электрон и протон имеют заряды и магнитные моменты. Мы уже установили, что магнитное поле электрона подобно магнитному полю стержневого магнита. Можно полагать, что заряд протона способствует формированию у него такого же магнитного поля, как и у электрона, то есть структура магнитного поля протона подобна структуре магнитного поля стержневого магнита. Назовем такое магнитное поле простым.
Нейтрон также имеет магнитный момент, а значит и магнитное поле. Но о структуре его магнитного поля нам мало неизвестно. Если оно также подобно магнитному полю стержневого магнита, то протон и нейтрон соединяются между собой как стержневые магниты и тогда структура ядер должна быть линейной. Если же нейтрон имеет сложное магнитное поле, состоящее из нескольких магнитных полюсов, то возможно построение ядер атомов с более сложной пространственной конфигурацией. Поэтому одной из первоочередных задач в обосновании структуры ядер атомов - получение доказательств о том, что нейтрон имеет больше магнитных полюсов, чем протон и мы уже доказали это [4].
Силы, действующие между нуклонами в ядре, называются ядерными силами. Они являются силами притяжения и действуют на очень коротких расстояниях . Ядерные силы, действующие между протоном и нейтроном, а также между двумя нейтронами, считаются одинаковыми. Это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил. Каждый нуклон взаимодействует не со всеми нуклонами ядра, а только - с ближайшими к нему. Такое свойство ядерных сил названо свойством насыщения
Модель ядра, подобная капле жидкости, до сих пор считалась наиболее близкой к реальности. Однако, эта модель, как и капля жидкости, не раскрывает её внутреннюю структуру. Поэтому выявление структуры ядер атомов химических элементов остаётся актуальной задачей [2]. Начнем с анализа структуры ядра атома самого простого химического элемента - водорода.
Поскольку мы будем пытаться выявить принцип, руководствуясь которым Природа формирует ядра атомов, то уже полученная нами информация о моделях протона и нейтрона указывает на то, что основными свойствами этих частиц, которые управляют формированием ядер атомов, являются: заряд и магнитный момент протона, а также магнитный момент нейтрона и отсутствие у него заряда. Наличие магнитных моментов у этих частиц дает нам основание представлять наличие у них магнитных полюсов [5], [6].
Магнитные силы разноименных полюсов магнитных полей протона и нейтрона являются единственными силами, способными соединять эти частицы друг с другом. Электростатические силы протонов - единственные силы, которые ограничивают сближение протонов в ядре.
Тем не менее, как мы уже отметили, экспериментально установлено существование ещё и ядерных сил, соединяющих протоны и нейтроны в ядрах атомов. Величина этих сил на два порядка больше электростатических сил отталкивания протонов. Силы, генерирующие такое взаимодействие, названы ядерными силами. Природа их остаётся неизвестной [1].
Если учесть столь большую напряженность магнитных полей вблизи центра симметрии протона и предположить, что у нейтрона она, примерно, такая же, то появляются основания полагать, что магнитные силы протона и нейтрона, действующие на расстояниях, близких к их геометрическим центрам, и являются теми силами, которые названы ядерными.
(1)
Таким образом, у нас появляется возможность предположить, что ядерные силы являются на самом деле магнитными силами, действующими на предельно малых расстояниях между центрами масс протонов и нейтронов.
Поскольку ядра являются основой формирования атомов, то различия в свойствах некоторых тел, состоящих из одного и того же химического элемента, - следствие различных структур их ядер. Например, графит и алмаз, состоят из одного и того же химического элемента - углерода, но имеют совершенно разные механические свойства. Графитовый карандаш пишет на бумаге, а алмаз режет не только бумагу, но и стекло. Эти различия должны следовать из различий структур ядер атомов графита и алмаза. Сейчас мы убедимся, что это действительно так [1].
Чтобы упростить процедуру построения ядер атомов, будем представлять протоны и нейтроны сферическими образованиями. Протон имеет магнитное поле, подобное магнитному полю стержневого магнита, а нейтрон - шесть магнитных полюсов направленных по осям декартовой системы координат. Протоны показаны белым цветом, нейтроны - чёрным и серым [4], [6].
2. Структура ядра атома водорода
Известно, что ядро атома водорода состоит из одного протона (рис. 1, а). Однако существуют и изотопы атома водорода, в ядрах которых к протону добавлены один (рис. 1, b) или два нейтрона (рис. 1, с). Водород, в ядре которого один протон и один нейтрон, назван дейтерием (рис. 1, b). Если в атоме водорода один протон и два нейтрона, то такой атом называется тритием (рис. 1, c). Проследим за процессом формирования ядер дейтерия и трития с учетом изложенного нами принципа соединения протонов с нейтронами.
Сближение протона P и нейтрона N происходит за счет действия магнитных сил, формируемых магнитными полями разноименных магнитных полюсов протона и нейтрона. Здесь нет сил, которые препятствовали бы сближению этих частиц. В результате получается ядро дейтерия (рис. 1, b). Если магнитные поля протона и нейтрона симметричны, то такая структура должна быть устойчивой. В Природе существует лишь 0,015% ядер дейтерия. На рис. 1, с показано ядро атома трития. В Природе существует лишь ядер трития [1].
Если же протон и нейтрон имеют форму, близкую к сферической, то схемы ядер дейтерия и трития можно представить в виде предельно сближенных сферических образований (рис. 1, b и с).
Рис. 2
Если учесть очень большую напряженность магнитных полей протона и нейтрона вблизи их геометрических центров, то при компоновке ядер, показанных на рис. 1, b и c, магнитные силы, сближающие эти частицы, и будут соответствовать ядерным силам.
3. Структура ядра атома гелия
Обратим внимание на очень важное различие между электрическими и магнитными полями. Известно, что электрические поля легко экранируются. Экранировать же магнитные поля значительно труднее.
Какие же частицы экранируют электростатические силы протонов в ядрах атомов? Нейтроны, конечно, нейтроны, больше некому. Тогда простейшая схема ядра атома гелия может быть такой, как показана на (рис. 2, а).
Если нейтрон окажется между двумя протонами (рис. 2, а), то он будет экранировать их электрические поля и таким образом ослаблять электростатические силы отталкивания. Поскольку магнитные поля проницаемы для нейтрона, то присутствие нейтрона между двумя протонами ослабит электростатические силы, отталкивающие протоны, но не ослабит магнитные силы, сближающие их, так как протоны и нейтроны соединяют их разноимённые магнитные полюса. Так формируется структура из двух протонов и одного нейтрона, которая является ядром изотопа атома гелия (рис. 2, а). В Природе существует 0,000138% атомов гелия, которые имеют такое ядро [1].
Рис. 3. Схема ядра атома гелия
На рис. 2, b показан второй вариант формирования ядра атома гелия. Здесь два нейтрона экранируют электрические поля двух протонов. Такую схему ядра атома гелия можно считать более предпочтительной, так как при такой схеме компоновки ядра электростатические силы отталкивания, действующие между двумя протонами, ослаблены сильнее, чем в схеме, показанной на рис. 2, а. Кроме того, у этой схемы оба протона имеют свободные магнитные полюса для взаимодействия с электронами [5], [6].