В физике уже довольно давно доминирует представление о ядрах атомов, как структурах, состоящих из элементарных частиц двух типов: протонов и нейтронов. Протон (p) – стабильная частица массой 938,256 Мэв, и с электрическим зарядом равным +1. Нейтрон (n) – электрически нейтральная, нестабильная частица (время жизни около 17 мин), массой 939,550 Мэв. По истечении времени жизни, нейтрон «распадается» на протон и электрон, испуская электронное антинейтрино:
Но такое печальное, по человеческим меркам, событие происходит только со свободными нейтронами. Если нейтрон входит в состав атомного ядра, участвуя в сильном взаимодействии, то он, не успевая развалиться на «части», триллион триллионов (10Е23) раз в течение одной секунды превращается в протон, и столько же раз протон превращается опять в нейтрон. То есть атомное ядро представляет собой единую систему, пребывающую в состоянии динамического равновесия. Именно это обстоятельство и дало немецкому физику
В. Гейзенбергу основания для того, чтобы в 1932 году выдвинуть предположение о возможности рассмотрения протона и нейтрона, как одной и той же частицы (нуклона), способной существовать в двух состояниях (основном и возбужденном), все время переходя из одного состояния в другое, и обратно.
Вполне логичное предположение, однако, оно неизбежно порождает не менее логичный вопрос: «По какой причине нуклон переходит из p-состояния
в n-состояние и обратно?». Очевидно, что это должно быть взаимодействие нуклона с какой-нибудь другой частицей, но вот какой именно? Из всех атомных ядер, только ядро атома водорода состоит из одного нуклона. Ядра атомов остальных химических элементов содержат десятки и сотни нуклонов. Так, может быть, нуклоны осциллируют потому, что взаимодействуют друг с другом посредством обмена квантами поля ядерных сил, в роли которых выступают пи-мезоны (существование этих частиц предсказал японский физик Х. Юкава в 1935 г.)? Первое время так и считалось, но возникли новые вопросы и недоумения, например, такое: «Если пи-мезоны излучаются нуклонами, то обмен ими должен приводить к более серьезным последствиям, ведь
пи-мезоны являются достаточно тяжелыми частицами вещества (масса нейтрального пи-мезона равна 134,974 Мэв) и притом еще и нестабильными.
Для сравнения, кванты электромагнитного поля (фотоны) – стабильные частицы излучения с нулевой массой покоя, которые испускаются для обмена электрически заряженными частицами, участвующими в электромагнитном взаимодействии, не приводящем к их превращению в другие частицы. Так что выдвижение сильного взаимодействия на роль причины существования осцилляции нуклонов, выглядит не совсем убедительно. Остается только одно: перенести акценты с взаимодействия нуклонов друг с другом, на их взаимодействие с электронами, образующими вместе с ядром атом данного химического элемента.
Указанное взаимодействие носит электромагнитный характер, и это легло в основу планетарной модели атома (Э. Резерфорд 1911 г.). Исследование рассеяния α-частиц на металлической фольге привело Резерфорда к представлению об очень малом, положительно заряженном атомном ядре, находящемся в центре атома, в котором сконцентрирована почти вся его масса. В состав атома, кроме ядра, также входят и обращающиеся вокруг него по круговым орбитам электроны, число которых равно числу положительных элементарных зарядов ядра. Однако предположение об электронах, вращающихся по законам классической механики вокруг ядра, без излучения энергии, и без итогового падения электронов на ядро, означающего прекращение существования атома, не соответствовало классической электродинамике. Планетарная модель атома выглядела весьма шаткой конструкцией, готовой рухнуть в любой момент под тяжестью собственных противоречий.
В 1913 г. модель атома Резерфорда удалось спасти Н. Бору, применившему к ней основную идею квантовой теории М. Планка. Бор постулировал, что для электрона, обращающегося вокруг положительно заряженного ядра, существует дискретный ряд стационарных состояний, в которых он может находиться, не излучая. Излучение же спектральной линии происходит при скачкообразном переходе из одного стационарного состояния в другое. Это было даже не спасение модели атома Резерфорда, а ее перевод в состояние искусственной «комы», вывести из которого указанную модель еще только предстояло квантовой механике, находившейся в те годы на стадии зарождения.
Но стоило ли Бору «спасать» Резерфорда? Должен признаться, что в свое время, меня уже посещала эта явно крамольная, и даже еретическая, а может быть просто идиотская мысль о том, что падение электрона на ядро атома никоим образом не угрожает существованию последнего, как и не становится актом «самоубийства» для «падшего» электрона. Напротив, именно падение электрона на ядро и туннелирование сквозь последнее обеспечивает стабильность существования ядра атома в режиме смены основного (протонного) состояния возбужденным (нейтронным) состоянием и наоборот.
Проверим это предположение, придерживаясь выдвинутой ранее концепции дискретности и принципа относительности процесса сосуществования материальных объектов, согласно которым эти объекты способны к взаимодействию только в общие для них моменты настоящего времени. Сами же моменты настоящего времени для любого объекта совпадают с теми мгновениями времени, в которые его переменная масса проходит через значения, соответствующие критическим точкам графика зависимости массы объекта от времени. Указанная концепция изложена в статьях «Масса Часть2. Переменная величина или Двуликий Янус», «Повесть о том, как Альберт Эйнштейн «поссорился» с Нильсом Бором» и «Луна Альберта Эйнштейна. Принцип относительности существования объектов».
За один период функция изменения массы любого объекта, в частности, электрона, проходит через четыре мгновения настоящего времени, проявляя в эти моменты свое существование. Это две точки перегиба (точки a и c) и две точки поворота (точки b и d).
Как известно, результат столкновения электрона с ядром атома, например, с ядром атома водорода, зависит от характера удара. Электрон отражается от нуклона, если удар упругий, что возможно только в трех случаях, когда в момент касания частиц масса электрона принимает одно из следующих значений (среднее, максимальное или минимальное):
Напомню, что в рамках концепции переменности массы материального объекта во времени, синусоида переноса текущего значения массы этого объекта по мере его перемещения в пространстве, представляет собой визуализацию волны де Бройля (о которой написана статья «Волна-призрак»).
Когда на расстоянии s = s1 укладывается целое число (n = 1, 2, 3, …) волн
де Бройля электрона (λe), участвующего в столкновении с нуклоном, тогда в момент касания масса этого электрона принимает свое среднее значение
μe = μe0, и частицы вступают во взаимодействие. Происходит типичный абсолютно упругий удар, в результате которого электрон «отскакивает» от нуклона, возвращаясь практически в свое исходное положение s1.
В планетарной модели атома на длине окружности n – й разрешенной боровской орбиты электрона, радиус которой равен <rn>, тоже укладывается целое число волн де Бройля:
Таким образом, один оборот электрона по орбите оказывается эквивалентен его прямолинейному перемещению на расстояние, равное длине окружности, которой является рассматриваемая орбита. Говоря иначе, среди множества этих стационарных орбит существуют соответствующие пары, такие, что радиус одной из них (ri) совпадает с длиной окружности (Ck) другой орбиты, и поэтому радиальную модель атома можно считать, по меньшей мере, равносильной модели атома Резерфорда-Бора.
Вернемся, однако, к столкновению тел. Во всех остальных случаях, когда текущее значение массы тела не совпадает с каким-нибудь из ее критических значений, удар будет неупругим. Столкнувшиеся подобным образом тела в буквальном смысле слипаются в момент касания и продолжают свое движение после соударения вместе как единое целое. В качестве примера обычно приводят стрельбу в ящик с песком, подвешенный на веревках подобно маятнику. После столкновения с ящиком, пуля застревает в нем, и дальше они движутся вместе. Однако при этом, пуля остается пулей, а ящик ящиком.
Гораздо интереснее в случае неупругого столкновения ведут себя элементарные частицы – они не слипаются, а скорее сливаются, превращаясь в нечто третье. Чтобы подчеркнуть эту невероятную способность элементарных частиц, удар, приводящий к таким последствиям, называется абсолютно неупругим или глубоким ударом. Фактически это даже и не удар вовсе, потому что в момент касания частиц масса электрона имеет любое промежуточное значение между экстремальными значениями, когда электрон не в состоянии с чем-нибудь взаимодействовать. Однако со «стрельбой» электронами по ядру атома будем разбираться уже во второй части статьи.
