Как было показано в первой части этой статьи, процессы синтеза и расщепления атомных ядер в рамках существующей модели строения атома не могут быть экзотермическими. Согласно представленным рассуждениям выделения энергии, как при синтезе «лёгких» атомных ядер, так и при расщеплении «тяжёлых» атомных ядер не происходит. Чтобы подтвердить, или опровергнуть это мнение, нам потребуется беспристрастный анализ модели строения атома. Вначале немного цифр.
Масса электрона – 0,000911*10-24г
Масса протона – 1,673 * 10-24г
Масса нейтрона –1,675*10-24г
Примерный радиус электрона – 2,8*10-15см
Примерный радиус протона – 6,8*10-12см
Примерный радиус атома –10-8см
Таковы «антропометрические» характеристики стабильных элементарных частиц, из которых построены все атомы вселенной. То, что протоны и нейтроны достаточно плотно упакованы в атомных ядрах, а электроны располагаются на значительном удалении от них на атомных орбиталях с различным энергетическим уровнем, можно было бы и не упоминать. Сегодня эта модель хорошо известна даже школьникам и признаётся всем мировым научным сообществом. Кроме этого, при обсуждении строения атома необходимо упомянуть о таких частицах как позитроны.
Позитрон электромагнитный антипод электрона, имеет такую же, как электрон массу и величину заряда, но противоположный знак (+). Открыт в 1923 году и с тех пор достаточно хорошо изучен. В соответствии с представлениями современной квантовой физики отнесен к антивеществу, хотя является обязательным участником всех так называемых β-распадов любого нормального вещества. В ходе многочисленных экспериментов было подтверждено, что в процессе β-распада ядро атома испускает позитрон, при этом масса ядра не меняется, а величина его заряда уменьшается на единицу. Также при наблюдении β-распада ядер некоторых веществ было зафиксировано превращение протонов в нейтроны. Т.е. некоторые протоны становятся электрически нейтральными, испустив позитрон.
Так как, непротиворечивое толкование наблюдаемых в реальной жизни ядерных реакций и выделяемого в ходе этих реакций огромного количества энергии, в рамках действующей модели строения атома не возможно, нам ни как не обойтись без новой модели строения атома. И она у нас есть!
Предлагаемая ниже модель строения атома уточняет действующую модель в части элементарности (т.е. неделимости) протонов и нейтронов.
Атом состоит только из двух типов элементарных частиц – электронов и позитронов. Протоны и нейтроны не самостоятельные частицы, а скопления электронов и позитронов, достаточно компактно упакованных в объеме ядра атома. В протоне число позитронов больше числа электронов на единицу. Разность между количеством позитронов и электронов обуславливает величину положительного заряда протона и наличие свободного электрона на атомной орбите. Нейтрон состоит из одинакового количества электронов и позитронов, поэтому он электрически нейтрален и его масса всегда больше массы протона на массу недостающего в нем электрона. Собственно, все электроны в составе электронной оболочки атома это те самые, недостающие в составе протонов электроны (в прямом смысле этого слова). Они по тем или иным причинам не смогли удержаться в составе компактного ядра, переместились на более высокие орбиты и тем самым превратили нейтроны в протоны. Т.е. протоны это «сломанные» нейтроны. Высота орбиты каждого электрона определяется балансом электростатических сил между протоном и электроном.
Изображенные на рисунке модели конфигураций нейтрона и протона не являются полноценными. Они представляют собой сильно упрощенные плоские варианты реальной картины мира. На самом деле протоны и нейтроны - трёхмерные объекты. Скорее всего, каждый такой объект представляет собой сферу или шар, собранный из электронно-позитронных пар. При этом, мы можем совершенно точно назвать количество таких пар в нейтроне и протоне. Каждый протон состоит из 918 электронов и 919 позитронов. Каждый нейтрон состоит из 919 электронно-позитронных пар. Такие цифры получаются в результате решения очень простого уравнения. Разделив массу нейтрона на массу электрона, получим число 1838 (количество частиц с массой электрона в составе нейтрона) и, разделив это число на два, получим количество электронно-позитронных пар, из которых состоит нейтрон.
Из представленной модели нейтрона видно, что все электроны и позитроны взаимно уравновешены и располагаются в наиболее энергетически выгодных позициях по отношению друг к другу. С точки зрения классической электростатики такое расположение позитронов и электронов соответствует стабильной или устойчивой суперпозиции разноименных зарядов. Так как количество позитронов и электронов в нейтроне одинаковое, то, в целом, такая система обладает нулевым электрическим зарядом и является высокостабильной.
Переходя к рассмотрению модели протона можно отметить, что в его компактное ядро входит неравное количество позитронов и электронов и следствием этого является его положительный заряд. При этом свободному электрону не досталось места в стабильной структуре ядра протона. Попросту говоря, остальные электроны вытолкнули его, заняв все энергетически выгодные позиции. Поэтому он вынужден переместиться на более далекую от ядра позицию и оставаться в таком неопределенном положении до тех пор, пока не освободится место в ядре. Любое, самое незначительное, внешнее воздействие способно разрушить это неустойчивое равновесие и спровоцировать спонтанный переход свободного электрона в другую суперпозицию. Для рассматриваемой модели протона число таких нестабильных суперпозиций ограничено тремя возможными состояниями. Для реального протона, включающего большее количество позитронов и электронов, количество нестабильных суперпозиций также будет больше и в общем случае не должно превышать р-1 (где р – количество позитронов в протоне). Скорость и направление движения свободных электронов в разные моменты времени различны и определяются кулоновскими силами электростатического взаимодействия заряженных частиц в пространстве. Движение свободного электрона вокруг компактного ядра обусловлено не центростремительными силами и он вовсе не вращается по сферическим или каким-либо еще орбитам. Он, под действием положительного заряда ядра, притягивается к нему, а при малейших внешних воздействиях (например, при сближении с другими свободными электронами) меняет свою позицию относительно компактного ядра протона. Таким образом, перемещение электрона в электронной оболочке представляет собой своеобразные прыжки вокруг компактного ядра протона. При достаточно близком расположении нескольких протонов друг с другом, их свободные электроны могут переходить от одного протона к другому, образуя уже некое, общее для всех протонов, входящих в ядро атома, электронное облако. Такая диффузия электронов принципиально ограничена суммарным электростатическим балансом заряженных частиц – протонов и электронов внутри атома. Современные физики не могут найти какую-либо закономерность, описывающую движение электронов вокруг ядра атома, потому что движение электронов вокруг ядра атома по природе своей случайно и хаотично, как случайна траектория падения листа с ветки дерева.
В целом система протон + электрон всегда остаётся электрически нейтральной, так же как и нейтрон. Но отдельные участки «поверхности» нейтронов и протонов имеют разные по знаку заряды. Благодаря этому протоны и нейтроны упакованы в ядре атома достаточно плотно. И обеспечивает эту компактность не сильное ядерное взаимодействие, а электромагнитное. Протоны и нейтроны притягиваются разноимёнными участками друг к другу. Но полностью соединиться не могут – так как соседние одноимённые заряды начинают отталкивать друг друга. Это классическая система точечных зарядов в пространстве с несколькими устойчивыми суперпозициями.
Экспериментально установить истинные 3-х мерные конфигурации электронов и позитронов внутри протонов и нейтронов при современном уровне технологий электронной микроскопии не представляется возможным. Но данный вид научно-технической деятельности развивается очень динамично. Поэтому, вполне возможно, уже в ближайшем будущем учёные смогут наблюдать внутреннюю структуру протонов и нейтронов.
Аннигиляция - источник ядерной энергии
Не вдаваясь глубоко в теорию аннигиляции и антиматерии как таковой, мы воспользуемся термином АННИГИЛЯЦИЯ, предложенным СТО, для описания процесса взаимного уничтожения электрона и позитрона.
Согласно современным научным данным, имеющим надёжные экспериментальные подтверждения, такие частицы как электрон и позитрон при свободном взаимодействии аннигилируют. Т.е. полностью взаимно уничтожаются, выделяя примерно 0,551 КэВ энергии. Теоретически, в рамках предлагаемой модели строения атома, эти 0,551 КэВ объясняют причину возникновения лишней энергии при расщеплении атомных ядер. Механизм такого расщепления достаточно прост. Необходимо из компактного ядра протона или нейтрона извлечь некоторое количество электронов и позитронов, которые в свободном состоянии аннигилируют и запустят цепную реакцию. Но чтобы такая реакция заработала необходимо доказать её экзотермичность.
Что ж, имея на входе скромную цифру 0,551 КэВ, приступаем к нашему любимому занятию – подсчёту энергетического баланса теперь уже аннигиляции.
Как мы выяснили ранее, в состав нейтрона входит 919 электронно-позитронных пар. Следовательно, при полном разрушении одного нейтрона и аннигиляции всех его электронов и позитронов выделившаяся энергия будет равна 506,4 КэВ или примерно 0,5 МэВ (919 * 0,551). Такое же количество энергии должно выделиться и при разрушении одного протона. Конечно, такой подсчёт несколько идеализирован, так как в реальной жизни далеко не все электроны и позитроны, входящие в состав нейтрона или протона должны аннигилировать. Какая-то их часть может просто разлететься под действием «взрывной волны». Поэтому фактическая энергия аннигиляции нейтрона будет чуть меньше. Для того, чтобы оценить количество энергии необходимой для разрушения нейтрона, нам потребуется разобраться какая сила удерживает 919 электронно-позитронных пар в составе одного компактного ядра. Очевидно, что это не сильное и не слабое ядерные взаимодействия. Остаётся гравитация или электромагнетизм. Для частицы с массой и зарядом электрона сила гравитации на несколько порядков меньше электромагнитной силы. Следовательно, электронами и позитронами внутри нейтронов и протонов управляет электромагнитное взаимодействие. Величина заряда электрона известна и принята в электростатике за единичный точечный заряд 1,6 *10-19 Кл или 1 электрон. По понятным причинам данных об энергии связей электронов и позитронов внутри нейтрона мы нигде не найдём. Зато у нас есть полный комплект данных об энергетических уровнях электрона в составе атома. Потенциалы возбуждения атомов водорода хорошо изучены и документированы (n1 = 1 В, n2 = 10,6 В, n3=12,7 В, n4=13,4 В, где n – номер энергетического уровня). Потенциалы возбуждения это дискретные величины напряжённости электромагнитного поля, при которых электрон совершает переход с одного энергетического уровня на другой. Значения этих потенциалов нужны нам, чтобы примерно оценить порядок энергии, затрачиваемой на извлечение одного электрона или позитрона из состава нейтрона. Для начала, предположим, что потенциал в два раза превышающий максимальный энергетический уровень электрона атома водорода позволит перевести любой электрон из компактного ядра нейтрона в свободное состояние. Исходя из этого получим следующее значение энергии, необходимой для полного разрушения нейтрона 919 * 1 э * 26 В = 23,9 КэВ. Вычисляем разницу энергий на входе и выходе аннигиляции и получаем плюс 0,484 МэВ. Столько энергии выделится при аннигиляции одного нейтрона или протона. Умножаем эту цифру на количество протонов в одном грамме водорода (примерно 10 в 23 степени штук) и получаем - океан энергии. Помня о предположительном характере расчёта, найдём максимально возможное значение потенциала возбуждения электрона, при котором аннигиляция всё ещё будет оставаться экзотермической реакцией. Для этого будем увеличивать первоначальный уровень потенциала возбуждения в десять раз до тех пор пока не превысим энергию аннигиляции. Начнём с 260 В – энергия на входе составит 239 КэВ, баланс плюс 0,312 МэВ. Далее 2600 В – энергия на входе 2,39 МэВ, баланс минус 1,839 МэВ. Верхняя граница потенциала возбуждения электрона перекрыта. Аккуратно возвращаемся назад и находим, что максимально допустимая величина потенциала возбуждения электрона не должна превышать 500 В (просто запредельная цифра применительно к одному электрону). При таком потенциале энергетический баланс аннигиляции всё ещё будет положительным и составит примерно 0,1 МэВ. Причём, эта цифра ничуть не хуже 0,484 МэВ, так как в нашем распоряжении по-прежнему астрономическое количество нейтронов и протонов в одном грамме водорода.
Таким образом, на выходе любого процесса, сопровождаемого разрушением протонов и нейтронов, мы всегда, гарантировано, получаем некоторое количество свободной энергии. Источником этой энергии являются элементарные частицы электроны и позитроны. Следовательно, настоящим источником ядерной энергии является аннигиляция или полное взаимное уничтожение электронов и позитронов.
Вот теперь можно взяться за бомбы.
Начнём с термоядерной. Если вы забыли устройство этой страшной штуки, то давайте вспоминать вместе. Термоядерная бомба состоит из ядерного запала и контейнера с термоядерным горючим (литием). Ядерный запал нужен для создания требуемых величин давления и температуры в контейнере. Т.е. сначала происходит «обыкновенный» ядерный взрыв с расщеплением ядер урана-238, а потом, нагретые в свинцовом контейнере до миллионов градусов нейтроны и протоны лития, начинают «склеиваться» в ядра гелия и выделять энергию. Такова официальная версия неуправляемого термоядерного взрыва. На самом деле, очень трудно представить себе, что в процессе ядерного взрыва можно что-то синтезировать. Это примерно так же как подложить ящик динамита под кучу кирпичей, взорвать его и ожидать, что в результате взрыва появится дом с окнами, дверями и красивым крыльцом. Но зато легко представить, что в результате ядерного взрыва, нагретые до миллионов градусов протоны и нейтроны атомных ядер лития распадутся на электроны и позитроны. Свободные электроны и позитроны, как мы помним, имеют привычку аннигилировать, сопровождая этот процесс выделением огромного количества энергии. Следовательно, термоядерный взрыв это аннигиляция свободных электронов и позитронов, добытых из термоядерного топлива (лития) посредством ядерного взрыва.
Атомная бомба устроена примерно также как и термоядерная. Имеется контейнер с ядерным зарядом (плутонием) и запал. Контейнер представляет собой стальную сферу радиусом несколько десятков миллиметров. Вокруг контейнера размещается взрывчатка, выполняющая роль запала. После взрыва запала в контейнере, точнее в том, что осталось от него, температура достигает миллионов градусов, а давление сотен тысяч атмосфер. Не трудно догадаться, как поведут себя нейтроны и протоны атомных ядер плутония в подобных условиях. Они, конечно, развалятся на свободные электроны и позитроны, которые тут же аннигилируют и выделят огромное количество энергии – теперь уже ядерной.
Таков механизм извлечения ядерной энергии из термоядерных и ядерных бомб в рамках предлагаемой модели строения атома.
Напоследок у нас остался термоядерный синтез, протекающий в звёздах. С ним дела обстоят не намного сложней. Как вы уже догадались, источником энергии всех звёзд является аннигиляция свободных электронов и позитронов, возникающих в звёздах примерно по той же причине, что и в бомбах. Температура в миллионы градусов и давление в тысячи атмосфер во внутренних объёмах звёзд, обусловленные гравитационным сжатием звёздного вещества, неизбежно разрушают нейтроны и протоны водорода и гелия, составляющих основную массу звёзд. Освободившиеся электроны и позитроны аннигилируют и дарят нам свет и тепло. При этом, следует сделать одно, очень важное, уточнение относительно «выгорания» водорода в гелий. В свете представленной модели строения атома, в звёздах не происходит выгорания водорода в гелий. Скорее наоборот, ядра гелия распадаются на ядра дейтерия и трития, ядра дейтерия и трития распадаются на протоны и нейтроны, протоны и нейтроны распадаются на электроны и позитроны, которые аннигилируют. И это хорошо. Потому что такая схема термоядерных реакций в звёздах существенно продлевает жизнь нашего Солнца.
PS Предложенная модель строения атома снимает проблему асимметрии вселенной. В соответствии с этой моделью в нашей вселенной нет преобладания вещества над антивеществом. Количество электронов в составе нового атома строго равно количеству позитронов. Да и само понятие – антиматерия, в рамках такой модели становится надуманным и избыточным. Хотя без антиматерии вселенная, конечно, станет скучнее.
PPS Предложенное в статье объяснение причины возникновения ядерной энергии вызывает большие сомнения в элементарности (неделимости) электронов и позитронов. Но это тема другой статьи.
