Аннотация: Физическое открытие. Доказано, что ядром атома является отдельная элементарная частица.
Пономаренко Иван Васильевич
Тихомиров Евгений Алексеевич
Ядро атома - отдельная элементарная частица
физическое открытие
Настоящее открытие сделано нами без сложных и многотрудных расчётов и без экспериментальных работ. В основу открытия положены хорошо известные и достоверные факты, которые достаточно хорошо отражены в научной литературе.
Первое, что было замечено нами - очевидные странности сопровождающие распад нейтрона. Как широко известно, из литературных источников, стандартный (наиболее вероятный) распад свободного нейтрона сопровождается его спонтанным превращением в протон с излучением бета-частицы и электронного антинейтрино.
1on ---11p + e- + ve.
Спектр кинетической энергии излучаемого электрона лежит в диапазоне от 0 до 782,318 кэВ [1]. Более доскональное изучение научной литературы показало, что кроме стандартного распада нейтрона, есть менее вероятные. Так, кроме распада нейтрона с образованием протона, электрона и электронного антинейтрино, должен происходить также более редкий процесс с излучением дополнительного гамма-кванта - радиоактивный бета-распад нейтрона. Теория предсказывает, что спектр гамма-квантов, излучающихся при радиоактивном распаде нейтрона, должен лежать в диапазоне от 0 до 782 кэВ и зависеть от энергии (в первом приближении) как E-1. С физической точки зрения, этот процесс представляет собой тормозное излучение образующегося электрона (и в меньшей степени - протона)[2].
В 2005 году этот ранее предсказанный процесс был обнаружен экспериментально[3]. Измерения в этой работе показали, что радиоактивный канал распада реализуется с вероятностью 0,32 Ђ 0,16 % при энергии гамма-кванта Eγ > 35 кэВ. Этот результат впоследствии был подтверждён и значительно уточнён рядом других экспериментальных групп; в частности, коллаборация RDK II установила[2], что вероятность распада с вылетом гамма-кванта составляет 0,335(5stat)(15syst)% при Eγ > 14 кэВ и 0,582(23stat)(62syst)% при 0,4 кэВ < Eγ < 14 кэВ.
Некоторые исследователи полагают, что должен существовать канал распада свободного нейтрона в связанное состояние:
1on --- 1H + ve.
Однако, из экспериментов известно лишь, что вероятность образования атома водорода меньше 3 %. [4]. Цифра странная, конечно, т.к. 2 % меньше 3%, но и 0,1 % тоже меньше 3 %. Но что есть, то есть. В англоязычной Википедии 2 указывается, что вероятность образования атомов водорода при распаде нейтронов составляет около четырёх на миллион, но ссылка на литературу не приводится.
Итак, мы установили, что при распаде нейтрона атомы водорода практически не образуется, а если и образуются, то с весьма малой вероятностью. Что и является первой выявленной нами странностью: протоны - есть, электроны - есть, а атомов водорода - нет. Объяснение этого факта, которое тоже приводится в англоязычной Википедии 2 без ссылки на источник, что электроны имеют очень высокую кинетическую энергию (больше 13,6 эВ) и поэтому просто улетают от образовавшихся протонов в неизвестном направлении, не выдерживает критики. Во-первых, не все электроны такие быстрые. Как сообщалось выше спектр кинетической энергии излучаемого электрона лежит в диапазоне от 0 до 782,318 кэВ. Есть и довольно медленные электроны, которые могут рекомбинировать с протонами. Возможно, электрон и может убежать от единичного протона, но, если нейтронов распалось миллион, то протоны могут свободно рекомбинировать с электронами (не со своими, а от соседних распадов). Кроме того, протон заряженная частица и, ионизируя среду, способен сам присвоить себе электрон уже из среды, а не от распада. Должны реализовываться оба этих путей образования атомов водорода, однако ни один не реализуется. Объяснение, почему возможен исключительно редкий канал распада с образованием водорода будет объяснено в дальнейшем.
Здесь мы только обращаем внимание читателей, что водород газ опасный, в отличии, например, от гелия. Однако инструкции техники безопасности при изучении распада нейтронов специально не оговаривают водородной опасности.
А вот при распаде естественных радиоактивных элементов гелий образуется всегда с высокой степенью вероятности. В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада. Несравнимо меньшие количества гелия дает медленный распад самария-147 и висмута. Все эти элементы порождают только тяжелый изотоп гелия - 4Не, чьи атомы можно рассматривать как останки альфа частиц, захороненные в оболочке из двух спаренных электронов - в электронном дублете. В ранние геологические периоды, вероятно, существовали и другие, уже исчезнувшие с лица Земли естественно радиоактивные ряды элементов, насыщавшие планету гелием. Одним из них был ныне искусственно воссозданный нептуниевый ряд. И, более того, утверждается, что весь земной гелий, который находится в атмосфере Земли и в её водной оболочке образовался исключительно при радиоактивном распаде естественных радиоактивных элементов. [5]
Механизм образования гелия - как рекомбинация альфа частиц с электронами, образовавшимися в результате бета распада, так и в результате ионизации среды альфа частицами и присоединения ими электронов из среды.
Сопоставив эти два факта, а именно, что при распаде нейтрона, образовавшийся протон не может стать атомом водорода, а если и может, то в ничтожно малых количествах. А образование гелия из альфа частиц и электронов всегда идёт с высокой степенью вероятности. Можно сделать только один достоверный вывод - протон, полученный в результате распада нейтрона, не является ядром атома водорода. Вместе с тем, альфа-частица тоже не ядро атома гелия, а его ион (два протона и два нейтрона плюс ядро атома гелия). Таким образом, мы установили, что ядро атома - это отдельная элементарная частица, а не нуклонное ядро, как думали ранее.
Теперь можно предложить следующую парадигму атома:
- в центре атома нейтральное ядро с небольшими размерами (меньше электрона), но обладающая очень сильным магнитным полем;
- вокруг ядра обращаются протоны, нейтроны и электроны;
- протоны и нейтроны обращаются вокруг ядра по низким орбитам (очень близко от ядра;
- электроны обращаются по высоким орбиталям (очень далеко от ядра).
Ядро атома - это главная составная часть атома и удерживает весь атом в целом, имеет структуру. Именно состав ядра атома определяет его положение в таблице Менделеева, именно состав ядра определяет, сколько в атоме будет протонов, нейтронов и электронов. Таким образом, у разных элементов ядра атомов разные, но отличаются на определенное количество стабильных составных частей.
Ядро атома очень трудно заметить в прямых экспериментах, т.к. имеет небольшие размеры, нейтрально и перекрыто от любопытных взглядов исследователей протонами и нейтронами, которые очень близко обращаются вокруг ядра, поэтому их легко принять за нуклонное ядро.
Теперь можно объяснить, почему иногда, очень редко, при распаде нейтрона водород всё-таки образуется, но в ничтожно малых количествах. Это обстоятельство объясняется тем, что иногда нейтрон распадается с образованием не "чистого" протона, как обычно, а с образованием иона водорода (протон плюс ядро атома водорода, как отдельная элементарная частица). Что в свою очередь, можно объяснить особенностями строения исходного нейтрона.
Могут сказать, что авторы сделали вывод, что ядро атома - это отдельная элементарная частица, на основе анализа элементов только первого периода таблицы Менделеева, и возможно, уже со второго периода и далее атомы имеют обычное и привычное нуклонное ядро. Но нет, американский исследователь Пол Келер (Paul Koehler), который со товарищи из национальной лаборатории в Окридже с 2002 года изучали нейтронные резонансы при облучении пучком нейтронов четырёх изотопов платины. Предположил, что на явление резонанса влияет распределение и перемещение нуклонов внутри ядра, так что исследователи рассчитывали подробнее разобрать его структуру. Согласно ныне принятой модели, движение нейтронов и протонов в ядре - хаотично и описывается математической теорией случайных матриц. Однако ныне в данных от того эксперимента Келер со товарищи нашли свидетельство, что представление это ошибочно. Напротив, изучив параметры резонансов, авторы исследования (его выводы опубликованы в Physical Review Letters) пришли к заключению, что никаких следов хаотичного движения нуклонов не наблюдается, и оно, по-видимому, хорошо скоординировано. Потому от применения теории случайных матриц к "объяснению" ядра следует отказаться (с вероятностью 99,997%). По словам Пола, сейчас не существует жизнеспособной модели внутренней структуры ядра, которая объяснила бы это согласованное движение протонов и нейтронов. Если группа физиков права, это заставит пересмотреть не только текущие представления о строении ядра, но и модели, исходя из которых физики, к примеру, проектируют атомные реакторы.
Эта группа физиков, безусловно, права. Разумеется, протоны и нейтроны двигаются согласовано, раз они не в нуклонном ядре, а обращаются вокруг ядра атома, как отдельной элементарной частицы. Таким образом, эксперименты Пола Келера убедительно доказывают, что ядро атома отдельная экспериментальная частица и у тяжёлых металлов. Сам Пол Келер не сделал вывод, что ядро атома отдельная элементарная частица, так как хотел ещё проделать опыты на других материалах, кроме платины, но у него не получилось по организационным причинам. Кроме того мы уже сообщали, что в непосредственных опытах трудно определить, что ядро атома отдельная элементарная частица, т.к. протоны и нейтроны обращаются вокруг ядра атома на очень близких расстояниях от него, и его легко можно спутать с нуклонным ядром. Только сопоставив три факта (протон, образовавшейся при распаде нейтрона, не способен присоединять к себе электрон; альфа частицы образовывают атомы гелия с высокой вероятностью и согласованное движение нейтронов и протонов в атоме) можно сделать вывод, что ядро атома - это отдельная элементарная частица.
Настоящее открытие сделано с неумолимой силой и никакие соображения, логические построения и расчёты не могут опорочить его. А любые эксперименты будут только подтверждать, что ядро атома - это отдельная элементарная частица.
Это открытие имеет фундаментальное значение и требует пересмотра всех теорий связанных с атомным ядром. Так, отменяется название "нуклоны", и протоны и нейтроны получают свои истинные названия. Так как протоны и нейтроны не в ядре, то в протонах и нейтронах нет никаких внутриядерных обменных взаимодействий и кварков. Требует пересмотра теория распада естественных радиоактивных элементов и пр.
Открытие достаточно обосновано. Тем не менее, для дополнительного экспериментального подтверждения его, можно рекомендовать следующее. В связи с тем, что протоны полученные от распада нейтронов отличаются от "протонов" полученных, например, от ионизации атомов водорода (протия), т.к последние вообще не являются протонами, а есть ионы водорода (протон плюс ядро атома, как отдельная элементарная частица) следует тщательно сравнить их свойства и выявить отличия. Ожидается, что масса "чистых" протонов, полученных от распада нейтронов, будет меньше, чем ионов водорода полученных, например, от ионизации протия. Однако опыты по определению масс должны быть проведены очень тщательно, т.к. разница будет небольшая. Масса ядра протия будет составлять примерно треть массы электрона. Мало конечно, но всё-таки это не масса нейтрино и при современных методах и оборудовании разницу можно будет заметить и оценить. Косвенным подтверждением, что ядро атома - это отдельная элементарная частица, будет являться то, что при использовании в качестве снарядов "чистых" протонов, полученных при распаде нейтронов, на ускорителях не удастся получить ни одного трансуранового элемента. Это связано с тем, что недостаточно вставить ещё один (два, три и т.д.) "чистый" протон в хоровод протонов и нейтронов, чтобы получить трансурановый элемент. Надо чтобы в ядро исходного элемента попали необходимые стабильные составные части, о которых говорилось выше, но при использовании "чистых" протонов, полученных от распада нейтронов, эти стабильные составные части негде взять. Успех изготовления трансурановых элементов, как раз и обусловлен тем, что в качестве снарядов для облучения мишени используют ионы протия, полученные от ионизации атомов протия. Заметим кстати, что ядро, например, дейтерия отличается от ядра протия на одну стабильную составную часть, а ядро трития - на две стабильные составные части.
Могут спросить, но что же будет, если в зону с "чистыми" протонами, полученные от распада нейтрона, подать электроны, полученные, например, от ионизации атомов водорода? Водорода не получится, т.к. нет ядра. Также не получится и нейтрона при поглощении протоном электрона. Для такового поглощения необходимо сильное магнитное поле, т.к. только в сильном магнитном поле нейтрон стабилен. Но не это главное, а то, что при распаде нейтрона от нейтрона оторвался и улетел куда-то на бесконечность антинейтрино. Если что-то разбилось, то уже не склеить, т.к. не все составные части можно собрать. По-видимому, к протону будут притягиваться электроны. Причём, из-за больших размеров протона по сравнению с электронами к протону будут притягиваться несколько электронов с образованием своеобразных отрицательно заряженных частиц, которые могут существовать довольно долго пока не рассеются на окружающей среде. Впрочем, возможно эти гипотетические частицы и образовывались при стандартном распаде нейтрона, надо посмотреть. Просто исследователей никогда не занимал вопрос, какова судьба продуктов распада. Исследователей интересовал нейтрон как таковой, а так же вопросы его замораживания и хранения для дальнейшего использования.
Список литературы:
1. J. Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012) http://pdg.lbl.gov/2012/tables/rpp2012-sum-baryons.pdf
• 2. Bales M. J. et al. (RDK II Collaboration) (2016), "Precision measurement of the radiative β decay of the free neutron",arΧiv:1603.00243
• 4. Green, K., Thompson, D. (1990). "The decay of the neutron to a hydrogen atom". Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 16 (4): L75-L76. https://dx.doi.org/10.1088%2F0954-3899%2F16%2F4%2F001
• 5. Фастовский В.Г., Ровинский А.Е., Петровский Ю.В. Глава первая. Открытие. Происхождение. Распространенность. Применение // Инертные газы. - Изд. 2-е. - М.: Атомиздат, 1972. - С. 3-13. - 352 с. - 2400 экз.