Кузнецов А. И., Кузнецов А. Р.
Физики-теоретики, начиная с 1970-х гг. пытаются создать Теорию Великого объединения фундаментальных взаимодействий, в которой электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия будут рассматриваться как различные проявления единого поля. Согласно Стандартной модели, действие этих трех взаимодействий можно представить, как обмен частицами-квантами. Электромагнитное взаимодействие - это обмен фотонами между частицами, слабое - обмен W-бозонами, сильное - обмен глюонами.
Принято, что протоны и нейтроны соединяются в атомные ядра вследствие сильного взаимодействия, которое превосходит кулоновские силы. Благодаря электромагнитному взаимодействию, ядра и электроны образуют атомы, из которых, в свою очередь, состоят молекулы и макроскопические тела. Слабое взаимодействие протонов приводит к процессам бета-распада.
Современная наука считает, что так как силы ядерного взаимодействия этих частиц на много превосходят силы электромагнитного взаимодействия, то при изучении ядерных процессов можно пренебречь электромагнитной энергией взаимодействия протонов. Нейтрон и протон становятся неразличимы, т.е. в ядерных взаимодействиях они ведут себя совершенно одинаково. Это позволяет рассматривать их как два разных состояния одной частицы - нуклона [1, с. 9].
Мы считаем, что нейтрон ядра представляет собой особый вид соединения протона и электрона. Этим, возможно, частично объясняется, что масса ядра меньше суммы масс, входящих в него частиц (протона и нейтрона).
Принято считать, что нейтрон, как бы неделимая частица, когда находится в связанном состоянии – в ядре, а в свободном состоянии он в течение примерно 15 минут распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. По нашей гипотезе, распад на эти частицы, известный как бета-распад, возможен также и для нейтронов ядер, находящихся под воздействием расположенных вблизи них протонов.
Согласно общепринятой модели, атом нейтрален и представляет собой ядро, окруженное электронами, число которых равно числу протонов в ядре. Из нашей гипотезы следует, что внутри ядра содержится количество электронов равное числу находящихся в нем нейтронов.
Известно, что между всеми заряженными частицами действуют электромагнитные силы. Поэтому электроны атома, притягиваясь к ядру, одновременно отталкиваются друг от друга. Все протоны в ядре заряжены положительно, следовательно, они притягивают к себе электроны и испытывают силы отталкивания друг от друга.
Ученые считают, что наличие ядра свидетельствует о существовании в атоме другой силы взаимодействия, кроме электромагнитной. Ее принято называть ядерным сильным взаимодействием. Нуклон в ядре взаимодействует только с небольшим числом соседних нуклонов, только на близком расстоянии, соизмеримом с размером ядер, т.е. ядерные силы обладают свойством насыщения [1, с. 35].
Японский физик Юкава еще в 1935 году выдвинул гипотезу, что ядерное взаимодействие есть результат обмена нуклонов виртуальными мезонами. При этом один нуклон испускает частицу, а другой нуклон ее быстро поглощает, затем он испускает ее и первый нуклон ее поглощает. Такой процесс обмена промежуточной частицей происходит постоянно между нуклонами, находящимися в связанном состоянии. Промежуточные частицы, участвующие в процессе обмена, называют виртуальными частицами [1, с. 35].
Однако, в начале 1970 г. было установлено, что при уменьшении расстояния до асимптотического предела частицы перестают взаимодействовать и становятся свободными, а на расстояниях близких к нулю притяжение между нуклонами сменяется отталкиванием [1, с. 32].
Схема Юкавы исключает возможность таких состояний нуклонов. Кроме того, она предполагает только попарную связь между частицами, т.е. не объясняет связь всей совокупности, находящихся в ядре, нуклонов между собой.
Первоначально протон считался бесструктурной частицей. Однако постепенно накапливались экспериментальные факты, говорящие о том, что он не является точечной частицей, а имеет какую-то внутреннюю структуру. Было показано, что электрический заряд протона не сосредоточен в одной точке, а распределён в области радиусом около 0,8 фм [2, с. 1]. Это подтверждено опубликованными в 2019 году результатами определения радиуса протона методом рассеяния электронов, проведенными группой учёных под руководством А. Гаспаряна. Он оказался равен 0,831±0,007±0.012 фм. Учитывая это можно предположить, что протон одновременно может взаимодействовать с несколькими окружающими его нуклонами [1, с. 35].
Наиболее распространены в природе химические элементы, с примерно равным содержанием числа протонов и нейтронов. При отклонении числа нейтронов N ± 1 ядро может оставаться стабильным. При добавлении большего числа нейтронов или его нехватке N ± 2, 3 и т.д. изотоп становится нестабилен. Ядра с избыточным содержанием протонов являются радиоактивными. Они становятся стабильными при превращении протона в нейтрон. Ядра с избытком нейтронов также являются радиоактивными и превращаются в стабильные при распаде нейтрона ядра с превращением его в протон.
Из всего выше изложенного следует, что в основе сильных и слабых ядерных сил, регулирующих процессы на субатомном уровне, находится один и тот же фактор: соотношение количества протонов и нейтронов в ядре атома.
С учетом всего выше изложенного предлагаем свою гипотезу Теории Великого объединения. Мы считаем, что сильное ядерное взаимодействие возможно только в том случае, когда все нуклоны находятся в постоянной связи между собой. При этом между всеми, а не отдельными, частицами, образующими ядро, должны одновременно существовать связи, удерживающие их в скученном состоянии.
Это возможно при особом расположении и механизме взаимодействия между протонами, обусловленном отсутствием сил отталкивания однородно заряженных частиц за счет того, что они изолированы друг от друга размещенными между ними нейтронами или электронами. Именно этим, очевидно, объясняется близкое к одинаковому содержание протонов и нейтронов в ядре атомов. Для тяжелых химических элементов, в образующемся клубке нуклонов, полная изоляция протонов возможна только при преобладающем количестве нейтронов над протонами.
При недостатке нейтронов, вследствие образования в ядре мест скопления протонов с отсутствием связей и наличием между ними сил отталкивания, ядра становятся радиоактивными.
При избытке нейтронов и их скоплении в отдельных участках, из-за отсутствия связи между ними ядра становятся нестабильными, и происходит их распад.
Существующее между нуклонами взаимодействие, удерживающее их вместе в ядре, обусловлено свойствами протона. Он стремится восстановить равновесие за счет присоединения электрона путем заимствования его у ближайшего окружения.
Поскольку заряд протона равномерно распределен по его поверхности, то он одновременно оказывает влияние на все находящиеся вокруг него нейтроны, пытаясь отнять у кого-нибудь из них электрон. Согласно принципа суперпозиции, если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел. Это можно сравнить с действием магнита, который притягивает к себе все металлические опилки, находящиеся вокруг него, превращаясь, как бы в ежа. В ядре также имеет место одновременное притяжение протоном нескольких электронов от расположенных рядом с ним нейтронов. Под влиянием этого воздействия нейтроны распадаются на протон и электрон.
Поскольку электроны нейтронов находятся в постоянном движении, то их расстояние от центра воздействующего протона непрерывно меняется. Следовательно, каждый из них компенсирует только определенную долю от требуемого протону заряда электрона, которая обратно пропорциональна этому расстоянию.
В квантовой модели атома это легко объясняется формами орбитали электрона.
Если суммарное значение этих долей стабилизируется и становится равным целому заряду электрона, то притяжение прекращается и протон становится нейтральным. Это состояние назвали асимптотической свободой. Если, в результате движения, или под действием других сил, два таких нуклона, имеющих общий электрон, приблизятся друг к другу, то они заряжаются отрицательно и начинают отталкиваться. Если к протону, находящемуся в состоянии асимптотической свободы, приблизится положительно заряженный протон, то он заберет у него часть отрицательного заряда электрона себе. Если этого заряда будет недостаточно для его нейтрализации, то оба нуклона приобретут положительные заряды и начнут отталкиваться друг от друга. Этим объясняется, что на расстояниях близких к нулю притяжение между нуклонами сменяется отталкиванием.
Учитывая, что расстояние между нуклонами и электронами может колебаться в течение времени, то изменяются и силы их взаимодействия.
Силой притяжения протону удается приблизить к себе на какое-то расстояние электроны окружающих его нейтронов. С удалением электрона нейтрон приобретает положительный заряд и начинает в свою очередь притягивать электроны расположенных вблизи его нейтронов. Поскольку суммарные заряды всех протонов (исходных и образовавшихся из нейтронов) равны по величине, то ни один из них не в состоянии отобрать полностью электрон у другого. Мы считаем, что именно, наличие общих электронов у исходных протонов и протонов бывших нейтронов и поочередное колебание их от одного к другому, способствует появлению между ними сил сильного взаимодействия, удерживающих их вблизи друг друга. При этом колебание электрона между протонами осуществляется не по прямой линии, а по конической спирали.
Простейшим примером такого взаимодействия является молекулярный ион водорода (H2+) - физическая система, состоящая из двух протонов, удерживающихся вместе на расстоянии 1,06 ; одним электроном. Стабильность такой системы, по Полингу, вызвана резонансом электрона между двумя протонами с «резонансной частотой», равной 7;1014 Гц [2, с. 1]. Этим объясняется наличие наиболее простого атомного спектра у водорода.
Такая же схема взаимодействия характерна при наличии в ядре и протонов и нейтронов. Структура ядра, его свойства и характер взаимодействия в атомах с большим их содержанием отличаются повышенной сложностью, наличием большего количества колеблющихся электронов вокруг каждого протона, но принцип остается таким же. Наличием общих электронов объясняется более плотная упаковка ядра и наблюдающийся дефект массы.
Очевидно, что электроны и протоны, находящиеся в глубине ядра тяжелых химических элементов, при большом количестве окружающих их нуклонов, имеют большее количество разносторонних связей, с меньшим расстоянием между ними, чем те, которые располагаются на его поверхности и имеют меньшее количество только односторонних связей. Этим можно объяснить удаленность от ядра, более слабую (однобокую) связь и высокую подвижность электронов, окружающих ядро атома. Их суммарный заряд равен недостающему заряду протонов, расположенных на поверхности ядра. Поэтому в химических реакциях изменяется только электронная оболочка, а ядра атомов остаются неизменными.
Наличие у таких электронов слабонасыщенных связей способствует образованию молекул и относительно легкой ионизации атомов при воздействии на них ионизирующих частиц и повышенных температур. Чем тяжелее химический элемент, тем меньшей малонасыщенностью связей он обладает. С этой точки зрения можно объяснить наличие двух атомов в молекуле газов и более высокую реакционную способность атомов легких химических элементов, по сравнению с более тяжелыми.
Условно можно предположить, что электрон, расположенный между протоном и бывшим нейтроном соединен с ними как бы коническими пружинками. Витки пружин характеризуют траекторию движения электрона (рисунок 1).
Наименьший диаметр пружины находится в вершине конуса и соизмерим с диаметром электрона, вращающегося вокруг собственной оси. При взаимодействии протона с протоном нейтрона удаленность электрона от каждого из них определяется силой их воздействия на него. Величина этих сил зависит от доли его влияния на суммарный отрицательный заряд каждого из взаимодействующих с ним нуклонов. Чем больше доля его влияния, тем ближе к этому нуклону он располагается. Диаметр орбиты электрона (витка пружины) повышается по мере его приближения к нуклону.
Когда нейтрон находится в свободном состоянии, электрон вращается вокруг находящегося в его центре протона по орбите близкой к его диаметру. Его заряд уравновешен зарядом протона, поэтому он обладает минимальным запасом энергии, характеризующимся приложенной к нему центростремительной силой.
По мере удаления электрона от нейтрона к протону атома его возбуждение растет, а, следовательно, повышается его энергия, характеризующаяся его центростремительной скоростью, диаметром витка и шагом спирали вращения.
Для электронов, окружающих ядро атома, каждый виток спирали соответствует расщепленному подуровню главного энергетического уровня в атоме. В ядрах атомов с большим содержанием нуклонов витки можно рассматривать как внутриядерные энергетические уровни и подуровни.
Изменением шага спирали или иначе длины волны траектории движения электронов определяется цвет свечения химического элемента при ионизации его атомов. Этим можно объяснить изменение цвета поверхности металла при повышении его температуры. Атому каждого химического элемента свойственна определенная длина волны (шаг спирали), которая при колебании постоянно изменяется с определенной закономерностью. Этим объясняется наличие различных дискретных линий в атомных спектрах химических элементов.
Сравнивая спирали траекторий движения электронов с пружинами (рисунок 1), жестко связанными с электроном и нуклоном, отметим, что при удалении электрона от нейтрона пружина, связывающая их будет растягиваться, следовательно, сила притяжения электрона к протону нейтрона будет возрастать. Пружина между электроном и протоном, начинающим приобретать отрицательный заряд, наоборот будет сжиматься. При этом сила оттягивания электрона от протона, по мере его приближения, будет увеличиваться в направлении действия силы между электроном и протоном нейтрона. При достижении критического значения суммы этих сил, электрон начнет двигаться в обратном направлении – к бывшему нейтрону. Постоянно меняя направление своего движения общие электроны протонов и близлежащих нейтронов будут совершать возвратно поступательные колебания с определенной частотой, обеспечивая связь (сильное взаимодействие) между ними в ядре атома.
Таким образом, согласно предлагаемой гипотезы Теории Великого объединения:
1 – сильные и слабые ядерные взаимодействия являются проявлением одного фундаментального электромагнитного взаимодействия;
2 – слабое ядерное взаимодействие (распад, радиоактивность) возникает при наличии в ядре атома участков скопления избытка нейтронов или протонов, между которыми в первом случае отсутствуют силы взаимодействия, а, во втором присутствуют силы отталкивания одноименно заряженных частиц (протонов);
3 – сильное ядерное взаимодействие возникает при равновесном содержании количества протонов и нейтронов в ядре и обусловлено связью за счет наличия у них общих электронов, совершающих колебания между ними в соответствии с принципом суперпозиции полей;
4 - атом каждого химического элемента обладает свойственной только ему амплитудой (частотой) колебаний электронов, определяющей минимальную энергию его ионизации (квант фотоэффекта);
5 – амплитуда (частота) колебаний электронов определяет наличие и отличие различных дискретных линий в атомных спектрах химических элементов и цвет их свечения при ионизации атомов;
6 – изменением амплитуды колебаний электронов объясняется изменение цвета поверхности металла при повышении его температуры;
7 - чем меньше количество связей у электронов, окружающих ядро химического элемента, тем выше его активность при образовании молекул. Чем тяжелее химический элемент, тем большим количеством связей обладают такие электроны и меньше его активность.
ЛИТЕРАТУРА
1 Сафаров Р. Х. Физика атомного ядра и элементарных частиц: учебное пособие для студентов педагогических вузов. - Казань: РИЦ «Школа», 2008. - 280 с.
2 Протон. [Электронный ресурс]. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki [дата обращения 23.09.2021].