«Таинственные» ядерные силы

Владимиров Е.А. и Владимиров А.Е.

На современном этапе развития научных знаний принято считать, что в природе действует несколько разновидностей сил, каждая из которых обусловлена своей причиной. Сила Всемирного тяготения Ньютона обусловлена наличием у объектов Вселенной массы. Благодаря ей планеты притягиваются к Солнцу, их спутники – к самим планетам и т.д.

Силы Кулона обусловлены наличием у объекта природы положительного или отрицательного электрического заряда, благодаря чему электроны притягиваются к ядрам атомов, обладающих положительным электрическим зарядом, и образуются атомы всех химических элементов таблицы Менделеева.

Благодаря ядерным силам из протонов и нейтронов образуются ядра атомов.

Имеются и другие силы.   

Вопрос об истинной природе ядерных сил оказался нерешённым до сих пор. Считается, что ядерные силы обусловлены обменными процессами особых частиц («минус пи-мезонами») между протонами и нейтронами, входящими в состав ядер атомов.  

Сохраняющееся до сих пор заблуждение об особой физической природе ядерных сил возникло 70 лет тому назад. В 1935 – 1937 гг. Г. Юнг, Г. Брейд, Е. Финберг, Е. Вигнер, основываясь на результатах опытов по рассеянию нейтронов (n) и протонов (p) прото­нами высказали гипотезу «О зарядовой независимости ядерных сил». Из неё следовало, что на­личие или отсутствие у элементарных частиц «n» и «p», составляющих ядра атомов, электриче­ских зарядов не влияет на величину сил, обеспечивающих образование и сохране­ние ядер ато­мов, то есть они (якобы) обусловлены некулоновскими силами взаимодействия этих частиц друг с другом.

Основанием гипотезы послужило относительно небольшое различие энергии связи ядра трития (атома «тяжёлого» водорода, состоящего из одного «p» и двух «n») и ядра редкого изо­топа гелия (два «p» и один «n»).

Однако уже в те годы были известны факты, противоречащие этой гипотезе, а именно, не­значительное различие энергий связи ядра дейтерия (атома «тяжёлого» водорода, состоя­щего из одного «p» и одного «n») и ядра трития, в котором было три элементарные частицы (2,23 МэВ и 2,78 МэВ), а также то обстоятельство, что прибавление к редкому изотопу гелия He³ ещё одного «n» приводило к увеличению энергии связи ядра основного изотопа гелия почти в три раза (2,78 МэВ и 7,03 МэВ) в расчёте на нуклон. Кроме того, отсутствовали ядра атомов, состоящие только из одних «p» или из одних «n». Эти обстоятельства явно указывали на какую-то особую роль нейтронов в ядре атомов, хотя они и не имели электрического заряда и их количество в ядрах атомов не влияло на ве­личину их по­ложительного электрического заряда, определяющего порядковый номер атома в периодиче­ской системе химических элементов (таблице Менделеева).

Изложенные противоречия послужили причиной вернуться к вопросу: какова физиче­ская природа ядерных сил? Действительно ли ядерные силы, возникающие в результате об­мена ме­зонами между «p» и «n» (составляющих ядра атомов) не являются кулоновскими си­лами, ос­нова которых – взаимодействие элементарных частиц, имеющих по­ложительный или отрица­тельный электрический заряд.

Если действительно была бы одинакова сила взаимодействия пар нукло­нов «pp», «pn» и «nn», то при взаимодействии двух ядер атомов дейтерия «рождалось» бы ядро основного изо­топа гелия – гелий-4, а не ядро изотопа гелий-3, с выбросом нейтрона, как это видно из извест­ной реакции: D² + D² → He³ + n.

Решение проблемы природы ядерных сил

Зададим вопрос: почему не существует ядер атомов, состоящих только из протонов, за­чем необходимы в них нейтроны, не имеющие электрического заряда и не влияющие на воз­никно­вение многообразия химических элементов в природе?

Известно, что атом обычного водорода состоит из ядра, представляющего собой протон «p», и электронной «оболочки», состоящей из одного электрона (e^—). Именно благодаря куло­новской силе притяжения двух элементарных частиц с противоположным знаком элек­триче­ского заряда и «рождается» атом водорода, в котором, как предполагают, электрон вращается вокруг протона по круговой орбите с радиусом 0,53Ǻ.

Благодаря этой же силе два атома водорода могут объединиться в молекулу водорода с расстоянием 0,74Ǻ между ядрами атомов - протонами, при этом два их электрона выполняют как бы связующую роль, удерживая оба протона (имеющих одинаковый положительный элек­триче­ский заряд), на определённом расстоянии друг от друга. Молекула водорода не распада­ется даже при отрыве от неё одного электрона, то есть при её ионизации, хотя теперь два про­тона удержи­ваются одним электроном, но уже на расстоянии между ними 1,07Ǻ.

Следовательно, положительный ион молекулы водорода по существу аналогичен ядру од­ного из изотопов водорода, а именно – дейтерия. Действительно, ядро дейтерия состоит из про­тона и нейтрона, но нейтрон – частица нестабильная и распадается на протон и электрон (n → p + e^—) с периодом полураспада 12 минут, если он находится в «свободном» состоянии.

В составе ядра атома дейтерия (и любого другого атома) нейтрон распадается мгно­венно под воздействием положительного потенциала, обусловленного электрическим заря­дом про­тона. Таким образом, фактически, ядро атома дейтерия состоит некоторый промежу­ток времени из двух протонов и одной связующей их частицы с отрицательным электриче­ским зарядом, аналогично иону молекулы водорода.

Однако имеется отличие, которое состоит в том, что, при распаде нейтрона под воздейст­вием влияния протона, электрон «захватывает» с собой и некоторую поляризован­ную им часть массы нейтрона ~ равную 273 массам электрона. До настоящего времени эта комплексная частица воспринима­ется как ещё одна «элементарная» частица, получившая на­звание «минус пи-мезон».

Протон ядра атома дейтерия захватив минус пи-мезон становится нейтроном, а нейтрон (без мезона) – становится протоном. Теперь уже нейтрон, ставший протоном, отрывает об­ратно минус пи-мезон у протона, ставшего нейтроном. Возникает бесконечный процесс об­мена двух протонов одной частицей минус пи-мезоном аналогично тому, как это происходит с электроном в ионе моле­кулы водорода.

Экспериментальная проверка энергии связи протона и нейтрона, составляющих ядро атома дейтерия, показала, что она почти в 75 тысяч раз превышает энергию связи частиц в ионе моле­кулы водорода, а именно 2,23·10⁶ эВ и 30 эВ соответственно.

Судя по всему, именно в связи с таким большим отношением указанных энергий связи было сделано предположение, что «ядерные» силы являются какими-то особыми, не соответ­ст­вующими кулоновским силам. Это предположение было парадоксальным, поскольку счи­талось и считается, что ядерные силы возникают в результате обмена, а точнее – перехода, от нейтрона к протону и обратно, не нейтраль­ной, а отрицательно заряженной частицы минус пи-мезона, как это происходит с электроном в ионе молекулы водорода.

Проверим, соответствуют ли кулоновские силы ядерным силам с учётом того, что обмен происходит частицами, отличающимися величиной массы в 273 раза при равной величине элек­трических зарядов. Такая проверка является правомерной, поскольку экспериментально уста­новлено соблюдение действия закона Кулона в его классической форме (сила прямо про­пор­циональна произведению величин двух электрических зарядов и обратно пропорцио­нальна квадрату расстояния между ними) до расстояния между электрическими зарядами, по крайней мере, до 10^{-11 см} (до меньших расстояний проверка невозможна).

Исходя из того, что в положительном ионе молекулы водорода один электрон обеспечи­вает сохранение молекулы при расстоянии между двумя протонами 1,07·10^-8см, определим, при каком расстоянии между ними энергия связи с 30 эВ увеличится до 2,23·10⁶ эВ.

В соответствии с законом Кулона соотношение между энергиями связи и расстояниями между элек­трическими зарядами соответствует r₂ : r₁ = E₁ : E₂, откуда r₂ = r₁ · E₁· E₂.

Подставив соответствующие значения r₁,E₁ и E₂, получим r₂ ≈ 1,5•10^{-13 см.}

Именно таково расстояние между центрами протона и «нейтрона» в ядре атома дейте­рия. Это даёт основание утверждать, что «ядерная» сила в ядре атома дейтерия идентична куло­новской силе. Следовательно, то же самое наблюдается в ядрах атомов всех химических элементов.

То, что ядерные силы являются кулоновскими силами подтверждается и явлением так называемого «К»-захвата, при котором один их протонов ядра атома «захватывает» свой соб­ственный электрон с ближайшей к поверхности ядра «К»-орбиты, превращаясь в нейтрон и, тем самым, увеличивает количество отрицательных зарядов в ядрах атомов, увеличивая при этом суммарную величину кулоновской силы связи нуклонов в ядре.

Примером является преобразование атома калия-40 в атом аргон-40. При равном коли­честве нуклонов в их ядрах, энергия связи ядра атома аргон-40 за счёт добавочного электрона существенно больше, чего не должно быть, если силы некулоновские. Известно более 200 изотопов атомов, образуемых в результате «К»-захвата своего электрона в ядро.   

Вышеизложенное позволяет ответить на поставленный ранее вопрос: зачем нужны ней­троны в атомных ядрах? Для того, чтобы в результате распада каждого содержащегося в ядре атома нейтрона возникла эфемерная частица, получившая название «минус пи-мезон», имеющая отрицательный электрический заряд, но фактически являющаяся электроном.

Благодаря этому ядра атомов, состоящие из протонов и нейтронов, фактически состоят только из протонов, объединяющихся благодаря распаду нейтрона на протон и электрон.

Для подтверждения этого рассмотрим ядро атома гелия–4, фактически состоящее из двух ядер атома дейтерия. В расчёте на один нуклон энергия связи ядра атома дейтерия соответст­вует 2,23•10⁶ эВ, следовательно, можно было ожидать, что полная энергия связи ядра атома ге­лия-4, состоящего из 4-х нуклонов, будет равна 8,93•10⁶ эВ, а фактически энер­гия связи его ядра составляет 28,11•10⁶ эВ. Таким образом, превышение энергии связи дости­гает величины 19,19•10⁶ эВ. Это может быть объяснено только тем, что эти четыре протона и два «минус пи-ме­зона», а по существу - 2  электрона, образуют какую-то эффективную структуру строения ядра атома гелия – 4.

Наиболее вероятно, она представляет собой квадрат, в вершинах углов которого распола­гаются протоны, а «минус пи-мезоны» объединяют пары, расположенные в противо­положных уг­лах квадрата. В результате каждый минус пи-мезон «работает» на все 4 протона, что сокращает расстояние между протонами с 1,5•10^-13см, которое они имеют в ядре атома дейтерия, до 1,5•10^-14 см, что приводит к увеличению энергии связи ядра до 28•10⁶ эВ, т.е. до 7•10⁶ эВ в расчёте на один нуклон. Аналогичным образом из двух гидроксилов «OH» образу­ется молекула перекиси водорода H₂O₂, в которой четыре атома объединены за счёт двух электронов атомов водорода.

Известно, что среди двух типов процесса распада ядер атомов химических элементов, ос­новным является альфа-распад, представляющий собой распад ядра атома на две неравные части, одной из которых является ядро атома гелий-4 (альфа-частица). Мало того, этот тип распада ядер атомов может быть многоступенчатым, при котором в каждом акте распада по­очерёдно от ядра отделяется одна альфа-частица. Так, например, во всех трёх существующих цепочках рас­пада, начинающихся изотопами уран-238, уран-235 и торий-232 и оканчиваю­щихся изотопами свинца – 208, 207 и 206, исходные ядра поочерёдно распадаются на 8, 7 и 6 альфа-частиц соот­ветственно.

Это свидетельствует об уникальности свойства ядра атома гелия-4 (альфа-частицы) в от­ношение уникально высокой величины его энергии связи и позволяет утверждать, что альфа-частица является основным и, вероятно, единственным структурным образованием, из кото­рого состоят ядра всех следующих химических элементов таблицы Менделеева.

В химических элементах с нечётными порядковыми номерами добавляется одно ядро атома дейтерия (p + n). Кроме того в ядрах атомов химических элементов может недоставать или быть излишек нескольких нейтронов. Например, ядро лития-6 состоит из альфа-частицы и дейтрона (ядра атома дейтерия), ядро изотопа лития-7 ещё дополнено одним нейтроном, а у радиоактивных изотопов лития-8 и лития-9, соответственно два и три дополнительных  ней­трона. Шесть стабильных изотопов кальция (порядковый номер 20) состоят из 5 альфа-час­тиц с добавлением 0,2,3,4,6 и 8 нейтронов, причём ядро основного изотопа кальций-40, не имею­щее избытка нейтронов, обладает таким ресурсом энергии связи, что способно присоеди­нять к себе ещё 8 дополнительных нейтронов, образуя изотоп кальций-48.

Это является дополнительным аргументом того, что альфа-частица – основная струк­турная частица, из которых состоят ядра атомов, которая способна удержать один лишний нейтрон, оставаясь стабильным химическим элементом, как литий-7, и становясь радиоак­тивным при большом числе нейтронов (литий-8 и литий-9). Ядра атомов, состоящих из не­скольких альфа-частиц, в частности ядро ртути (состоит из 40 альфа-частиц, порядковый но­мер 80), способно сформировать семь стабильных изотопов: ртуть – (196, 198, 199, 200, 201, 202, 204), т.е. удер­жать в ядре дополнительно от 36 до 44 нейтронов.

Все химические элементы, начиная с № 84 – полония, содержащего 41 альфа-частицу, являются радиоактивными, поскольку все его изотопы, начиная с полония-210 и более со­держат большее число нейтронов, чем число альфа-частиц (41), из которых состоит его ядро.

Это ещё раз подтверждает роль альфа-частиц как структурных частиц, из которых со­стоят ядра атомов химических элементов.

Энергия связи ядер атомов чётных порядковых номеров постепенно увеличивается с 7•10⁶ эВ, как у ядра гелия-4, до 8,5•10⁶ эВ (в расчёте на один нуклон) в связи с дополнитель­ным положи­тельным воздействием друг на друга составляющих ядра атомов альфа-частиц по мере увеличе­ния их количества в ядре и соответствующего уменьшения расстояния между элементами, со­ставляющими альфа-частицы, и между ними самими.

Это увеличение энергии связи ядер атомов в химических элементах сменяется посте­пенным уменьшением до 7•10⁶ эВ, начиная с тех, которые относятся к 6-му и 7-му периодам таблицы Менделеева, что, вероятно, связано с сокращением расстояния между «поверхно­стью» ядер атомов и их электронной «оболочкой», компенсирующем уменьшение размера альфа-час­тиц, обусловленное увеличением их количества в ядре атома химического эле­мента.

В заключении, можно ещё раз высказать убеждение, что физическая природа ядерных сил атомов является электрической и сила взаимодействия составляющих ядра нуклонов оп­ределя­ется законом Кулона. Практически же, чтобы узнать суммарную (полную) энергию связи ядра какого-либо химиче­ского элемента, достаточно умножить энергию связи ядра атома гелий-4 на количество этих ядер в составе ядра атома химического элемента с чётным порядковым номером и добавить энергию связи ядра атома дейтерия при нечётном порядко­вом номере химического элемента.     

Только при расстоянии между нуклонами в ядре атома гелия-4 (~1,5•10^{-14 см}) возможны размеры ядер атомов химических элементов в диапазоне (3 – 10) •10^{-13 см}, как это следует из экспериментов.

5 февраля 2008.