Это, действительно, нетривиальная задача. Устройство атома всем известно со школьной скамьи. Оно, вообще, очень хорошо изучено. Закономерности, которым подчиняется данная система, познаны давно, истолкованы теоретически, вдоль, поперёк и по диагонали проверены экспериментально, и давно же широко используются на практике. Так что, решительно ничего таинственного в устройстве атома нет. Исключая единственный аспект: это объект микромира. Атом нельзя представить и понять, как человек понимает строение макроскопических объектов — визуально представив расположение и взаимодействие частей.
Как следствие, визуализируется атом, традиционно, в рамках «планетарной модели», — которая, как известно из того же учебника, — в корне неверна. Известно, что ядро не выглядит, как шар, слепленный из меньших голубых и розовых шариков — нейтронов и протонов. Электроны — не зелёные шарики и не носятся вокруг него по орбитам. Известно, но… понятно же, что в реальности атом не выглядит никак, ибо не отражает фотоны, поглощаемые позже сетчаткой. А что же касается моделей «правильных», то их в настоящий момент насчитывается десять. Принципиально непредставимые свойства конгломерата частиц толкуются в них разными способами через что-то вменяемое и очевидное хотя бы физикам, — например, через категории оптики или акустики. Однако, визуализации в какой-либо форме актуальные модели не предполагают.
...Так что, задача объяснить строение атома просто и наглядно — очень непроста. Но я попробую. Ибо к прочим моим статьям о микромире уже возникли правильные вопросы. Там говорится, что частицы наблюдаются и вообще существуют лишь в отдельные моменты взаимодействий. Понятно, — такая претензия с очевидностью возникла ещё к планетарной модели, — что электрон не может нарезать круги по орбите вокруг ядра. Тогда бы он излучал. А израсходовав энергию, упал бы на ядро.Однако же, и в рамках любых иных представлений кажется, что электроны с ядром и нуклоны в ядре должны непрерывно взаимодействовать друг с другом. В противном случае, конструкция бы развалилась… Взаимодействие же в микромире подразумевает обмен квантами, который связан всё с теми же потерями энергии. Да и непрерывным быть не может по определению.
Следовательно, пробуем. Допустим, — как принято в рамках модели планетарной — электрон — зелёный шарик, а протон — розовый. Вместе они образуют простейший атом — водорода. Но как образуют? Летит электрон, вдруг, рядом протон. Опа! Притяжение разноимённых зарядов, это электромагнитное взаимодействие. То есть, каждая из частиц выстреливает в противоположном направлению к другой по гамма-кванту (фотону). Фотоны же по закону сохранения импульса толкают электрон и протон в объятья друг другу… И это, кстати, можно видеть с помощью современных детекторов. Так всё и происходит — в деталях.
Происходящее же далее можно понять лишь внеся в планетарную модель элемент реалистичности. Частица не имеет размера, вероятность её обнаружения в пространстве подчиняется волновому распределению, но в известной мере аналогом размера в микромире можно считать именно длину волны. Которая убывает с ростом массы. То есть, если электрон — шарик, то он огромный шарик. Тогда как протон — маленький. Как следствие, — условно, — в рамках умозрительной визуализации, — протон проваливается внутрь электрона. В равновесную точку — в центр зелёного шарика.
И всё. Больше электрон и протон не взаимодействуют. По той же причине, по которой предмет в центре Земного шара окажется в невесомости. Для читателя же особо въедливого можно добавить, что избыток энергии (раз частицы сблизились, они уже имели относительное движение), поглощается электроном. Ну, допустим, в терминологии макромира, это можно объяснить «трением». Электрон, пробитый протоном до центра, нагревается и — несколько сжимается, сокращает длину волны (это уже реалии микромира). Этот избыток он может потом выплюнуть в форме фотона.
Способен ли протон сместиться относительно центра электрона, снова создав условия для взаимодействия? Легко. Но не сам по себе. Для этого нужен импульс, получить который он может только от третьей частицы. А так, протон и электрон могут вечно держаться друг друга, друг с другом не взаимодействуя и не расходуя энергию.
Теперь усложняем картину добавив в систему нейтрон (получаем ядро дейтерия). Но нейтрон взаимодействует только с протоном — за счёт короткобойных ядерных сил. Сблизившись на пистолетный выстрел, нейтрон и протон ускорятся противонаправленными глюонами и… тоже сольются. Нейтрон чуть тяжелее и меньше, так что окажется внутри протона. А поскольку же разница диаметре невелика, ещё и растянет протон, устраиваясь внутри…
Следующая ступень — гелий (два электрона, два протона, два нейтрона) — будет представлять собой такую же «матрёшку». Однако осложнённую необходимостью впихивать исходно одинаковые по размеру частицы друг в друга. Последнее достижимо либо сжатием (увеличением энергии), либо растяжением. При этом, в описание можно добавить и ещё один элемент — пусть частицы, это шарики полые, упругие, сжимаемые и растяжимые, но с заметной «толщиной стенок». То есть, как попало одну в другую не вложишь. Сжатие же — плохой способ. Частица будет стремиться упруго расшириться, сбросив возбуждение — избыток энергии. И да! Важно, хотя и необъяснимо через свойства макрообъектов: каждая из полых сфер может растягиваться и сжиматься не произвольно, а лишь определёнными «шагами».
...Как следствие, некоторые комбинации протонов и нейтронов возможны, а некоторые нет. Ибо нельзя натянуть одни на другие без больших зазоров или чрезмерных сжатий. Которые, кстати, могут приводить к бета-распаду протона, под прессингом переходящего в более компактный нейтрон. «Люфт» же — зазоры между слоями матрёшки — будут затягиваться сами собой. Люфт приводит к неустойчивости элементов, их смещению, взаимодействию, а значит, потере энергии-массы и расширению одной из сфер.
И, кстати, о «растяжении» частиц натянутых на другие. С увеличением диаметра масса падает, — и так, собственно, возникает тот самый «дефект массы». При слиянии лёгких ядер часть энергии приходится сбросить. У тяжёлых же ядер, напротив, сжатых вложений оказывается больше, чем растянутых. Ибо шаг растяжения-сжатия прогрессивно растёт, и добавление очередного слоя снаружи ведёт к люфту.
Избыток же массы имеет пределы — частицы, которые при взаимозапихивании пришлось сжать слишком сильно, нестабильны и в любой момент — по законам квантовой механики это момент случайный, — могут расшириться, развалив всю конструкцию. Чем тяжелее ядро, тем больше в нём окажется подобных мин. По этой причине при слишком большом числе нуклонов ядра становятся нестабильными.
...Ну, и предвижу, что у некоторых читателей, — особенно, компетентных в физике, — к «матрёшечной» модели атома возникнет множество претензий. Но то, что эти претензии обоснованы, я и сам знаю. Так что, недовольные могут предложить лучший, более наглядный вариант.