vida_louca (vida_louca) wrote,
vida_louca
vida_louca

Category:

Почему электрон не падает на ядро?

Этот вопрос поставил «на уши» многих физиков начала прошлого века. По представлениям классической механики электрон обязательно должен упасть на ядро, поскольку предполагалось:


1. Электрон существует где-то вблизи ядра за счёт сил электростатического притяжения.
2. Он обязан вращаться вокруг ядра по тем же причинам, по каким Земля вращается вокруг Солнца, только сила взаимодействия другая – не гравитационная, зато с той же зависимостью силы от радиуса.
3. При круговом вращении он испытывает центростремительное ускорение, направленное к центру, и поэтому должен излучать энергию (свет) по классическим законам электромагнетизма.
4. Следовательно, при таком движении он постоянно теряет свою (кинетическую) энергию и обязан упасть на ядро.
5. Или в атоме закон сохранения энергии перестаёт работать, и надо что-то с этим делать, иначе придётся менять всю сложившуюся к этому времени классическую физику.

Первым был Н.Бор, который попытался спасти от разрушение здание классической физики. Он предположил, что сам факт существования атомов свидетельствует о том, что существуют минимальные "размеры", ближе которых к ядру электроны не могут подобраться. Бор вспоминал, что "будучи в Манчестере на стажировке у Резерфорда, весной 1912 года он пришел к убеждению, что строение электронного роя в атоме управляется квантом действияпостоянной Планка". В 1913 году он опубликовал свою знаменитую статью "О строении атомов и молекул", в которой использовал гипотезу астрофизика Николсона и спектральные закономерности излучения Бальмера, Ридберга и Ритца. Гипотеза Николсона объясняла устойчивость "орбит" электронов кратностью их орбитального момента импульса величине постоянной Планка, уменьшенной на 2 пи. Что соответствовало требованию равенства длины орбиты целому числу длин волн де Бройля для электрона. А комбинационный принцип Ритца соответствовал дискретным излучательным переходам между стационарными состояниями.

А потом, четверть века спустя появилась волновая механика Э.Шрёдингера, в которой уже не было у электрона никакой траектории в атоме, а его состояние описывалось дискретным значением энергии вместе с волновой функцией, физический смысл которой заключался в описании плотности вероятности электрона внутри атома. Таким образом, электрон в атоме водорода представлялся некоторым шаровым облаком, в котором вероятность «встретить» сам электрон асимптотически убывала при удалении от ядра.

С нашей точки зрения в атоме водорода электрон уже «упал» на ядро и прекрасно там себе чувствует. А как же иначе: мы имеем два существенно разных пространства с разной внутренней симметрией, но «состыкованных» вместе. Тем более, что ближайший к ядру электрон имеет нулевой «орбитальный» момент импульса. А полный момент будет определяться спином электрона, но это так – к слову. Поэтому картинка с шаровым облаком для электрона вполне может соответствовать истине.

Мы уже писали в позапрошлом сообщении, как может быть устроено многомерное пространство «электронных оболочек», элементы которого – фермионы. А теперь скажем немного, как устроено внутриядерное пространство. Для этого пространства основополагающей гипотезой является гипотеза о пространстве ядра как пространстве отрицательной кривизны. Первым, кажется, эту гипотезу высказал кристаллограф Р.В.Галиуллин. А прекрасные картинки, как это может выглядеть, можно увидеть у М.Эшера.



Дискретные элементы, составляющие ядро – нуклоны (протоны и нейтроны), тоже будем считать элементами пространства отрицательной кривизны. Как они связаны вместе в ядре? Мы уже отказались раньше от понятия силы, придётся и сейчас рассматривать «сильное взаимодействие» как проявление принципа наименьшего действия, когда отдельные элементы стремятся собраться вместе в плотную упаковку, чтобы оказывать минимальное влияние на окружающее пространство. В нашем случае, если не считать пространство «электронных оболочек», это – электромагнитное пространство фотонов, но уже положительной кривизны.

Существуют разные модели для структуры адронов в ядре. Жидкостная, оболочечная, кристаллическая и некоторые другие. Подобно Р.Галиуллину мы склоняемся к кристаллической модели такой, какая может быть у малоатомных кластеров с осями симметрии 5-го или 7-го порядков, которая позволяет элементам составлять более плотную упаковку, чем в обычных кристаллах. Тем более, что такими кластерами нам уже пришлось раньше заниматься, и нужно учитывать тот факт, что и кластеры, и ядра обладают или совпадающими «магическими» числами, или довольно близкими по величине. «Магическое» число – это число атомов в кластере или число нуклонов в ядре, когда кластеры и ядра оказываются наиболее устойчивыми к внешнему воздействию и имеют свою форму, близкую к сферической.

Известно, что ядра не бывают составлены из только одних протонов, или только из одних нейтронов. Устойчивыми оказываются те ядра, у которых протонов и нейтронов примерно поровну, но нейтронов всё-таки немного больше. В некоторой степени это указывает на то, что «кристаллические» структуры в пространстве отрицательной кривизны не имеют крайностей. Требуется «золотая середина», какой является, например, атом гелия He, у которого имеется два протона и два нейтрона. Которые, будучи попарно расположенными напротив друг друга, составляют структуру «седла», характерную именно для пространства отрицательной кривизны. Эти четыре нуклона в гелии вообще считаются некой элементарной «кристаллической» ячейкой, с помощью которой полностью или частично могут быть построены ядра остальных химических элементов.

Аналогично кристаллам, в которых основными возбуждениями считаются фононы, в ядрах тоже существуют возбуждения. Ими считаются нейтральные пионы из разряда мезонов, состоящие из кварка и антикварка так, что взаимодействие оказывается просто обменным по аналогии с тем, как происходит обмен фотонами в квантовой электродинамике.

Нам бы хотелось по-другому взглянуть на процессы обмена пионами в атомном ядре. А именно – рассматривать возникновение пиона в ядре как возбуждение нейтрона. Именно нейтрона, поскольку мы уже давно распрощались с идеей возможного распада протона, но вполне согласны с возможностью распада нейтрона, который часто и наблюдается в эксперименте. Но тогда это должен быть отрицательный пион, состоящий из разных кварка и антикварка и переносящий отрицательный заряд, равный заряду электрона. Как и фононы в кристалле, пионы в ядре также являются бозонами и вполне подходят на роль возбуждённых состояний. До такой степени, что по ним может определяться некая «температура» в ядре. То, что на роль возбуждённых состояний выбраны именно отрицательные пионы не должно нас смущать. Никакой симметрии «частицы-античастицы» в природе не существует, и отсутствие симметрии между электроном и протоном как раз может указывать на правильность сделанного нами выбора в пользу отрицательных пионов.

Теперь мы подошли к самому принципиальному вопросу нашего рассказа. Если наш электрон уже «упал» на ядро, то почему он не проникает внутрь ядра? Казалось бы, ядро и электрон – два пространства отрицательной кривизны могли бы как две капли воды слиться друг с другом, но этого почему-то не происходит. Почему? Дело в том, что электрон не может существовать внутри ядра. Он мог бы попробовать там выступить в качестве отрицательно заряженного пиона с нулевым спином и обмениваться между протоном и нейтроном. Но куда ему деть «лишний» спин ½? Один выход – испустить нейтрино, обладающее как раз нужным спином, а также нулевой массой и ненулевой энергией. Видимо, так и происходит внутри нашего Солнца и других звёзд при образовании ядер гелия из протонов и нейтронов (и электронов, если понадобятся в этом «бульоне»). Но где взять энергию на испускание нейтрино?

Таким образом, проникновению электрона внутрь ядра мешает совсем не необходимость преодолеть пресловутый кулоновский барьер, а требование выполнения при этом законов сохранения энергии, спина и полной кривизны пространства.

Искренне ваш, Дулин Михаил.
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 17 comments