Модели ядер атомов

МОДЕЛИ ЯДЕР АТОМОВ

1. Общие сведения о ядрах атомов

Первое и самое главное следствие атомной спектроскопии, которое относится к ядру атома, - отсутствие орбитального движения электрона в атоме. Электроны взаимодействуют с ядрами атомов своими осями вращения. Это возможно, если протоны ядра расположены на его поверхности.

Таким образом, чтобы обеспечить взаимодействие каждого электрона с ядром, необходимо, чтобы протоны были на поверхности ядра. Одинаковые заряды протонов исключают структуру ядра, в которой протоны касались бы друг друга. Природа строит ядро так, чтобы между протонами обязательно находился нейтрон. Поскольку последнее требование трудновыполнимо при большом количестве протонов в ядре, то привлекаются дополнительные нейтроны. Вот почему ядра почти всех химических элементов содержат нейтронов больше, чем протонов. Причем с увеличением количества протонов и нейтронов в ядре доля «лишних» нейтронов увеличивается. И это понятно, так как без них невозможно добиться геометрической симметрии ядра, в котором между протонами обязательно должны быть нейтроны.

Далее, нейтроны, по-видимому, проницаемы для магнитных полей протонов и непроницаемы или слабо проницаемы для их электрических полей. Экранируя одноименные электрические поля протонов, нейтроны создают условия, при которых магнитные полюса протонов взаимодействуют с противоположными магнитными полюсами нейтронов.

Электрон и протон имеют заряды и магнитные моменты. Мы уже установили, что магнитное поле электрона подобно магнитному полю стержневого магнита. Можно полагать, что заряд протона способствует формированию у него такого же магнитного поля, как и у электрона, то есть структура магнитного поля протона подобна структуре магнитного поля стержневого магнита. Назовем такое магнитное поле простым.

Нейтрон также имеет магнитный момент, а значит и магнитное поле. Но о структуре его магнитного поля нам ничего неизвестно. Если оно также подобно магнитному полю стержневого магнита, то протон и нейтрон соединяются между собой как стержневые магниты и тогда структура ядер должна быть линейной. Если же нейтрон имеет сложное магнитное поле, состоящее из нескольких магнитных полюсов, то возможно построение ядер атомов с более сложной пространственной конфигурацией. Поэтому одной из первоочередных задач в обосновании структуры ядер атомов - получение доказательств о том, что нейтрон имеет шесть магнитных полюсов.

Силы, действующие между нуклонами в ядре, называются ядерными силами. Они являются силами притяжения и действуют на очень коротких расстояниях . Ядерные силы, действующие между протоном и нейтроном, а также между двумя нейтронами, считаются одинаковыми. Это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил.

Каждый нуклон взаимодействует не со всеми нуклонами ядра, а только - с ближайшими к нему. Такое свойство ядерных сил названо свойством насыщения

Модель ядра, подобная капле жидкости, до сих пор считалась наиболее близкой к реальности. Однако, эта модель, как и капля жидкости, не раскрывает её внутреннюю структуру. Поэтому выявление структуры ядер атомов химических элементов остаётся актуальной задачей. Начнем с анализа структуры ядра атома самого простого химического элемента - водорода.

Природа формирует ядра атомов, то изложенная нами информация о моделях протона и нейтрона указывает на то, что основными свойствами этих частиц, которые управляют формированием ядер атомов, являются: заряд и магнитный момент протона, а также магнитный момент нейтрона и отсутствие у него заряда. Наличие магнитных моментов у этих частиц дает нам основание представлять наличие у них магнитных полюсов.

Магнитные силы разноименных полюсов магнитных полей протона и нейтрона являются единственными силами, способными соединять эти частицы друг с другом. Электростатические силы протонов - единственные силы, которые ограничивают сближение протонов в ядре.

Тем не менее, как мы уже отметили, экспериментально установлено существование ещё и ядерных сил, соединяющих протоны и нейтроны в ядрах атомов. Величина этих сил на два порядка больше электростатических сил отталкивания протонов. Силы, генерирующие такое взаимодействие, названы ядерными силами. Природа их остаётся неизвестной.

Если учесть столь большую напряженность магнитных полей вблизи центра симметрии протона и предположить, что у нейтрона она примерно такая же, то появляются основания полагать, что магнитные силы протона и нейтрона, действующие на расстояниях, близких к их геометрическим центрам, и являются теми силами, которые названы ядерными.

Таким образом, у нас появляется возможность предположить, что ядерные силы являются на самом деле магнитными силами, действующими на предельно малых расстояниях между центрами масс протонов и нейтронов.

Поскольку ядра являются основой формирования атомов, то различия в свойствах некоторых тел, состоящих из одного и того же химического элемента, скрыты в структуре их ядер. Например, ядра графита и алмаза, состоят из одного и того же химического элемента - углерода, но имеют радикально различные свойства. Графитовый карандаш пишет на бумаге, а алмаз режет не только бумагу, но и стекло. Сейчас мы убедимся, что эти различия - следствия разных структур ядер атомов графита и алмаза.

Чтобы упростить процедуру построения ядер атомов, будем представлять протоны и нейтроны сферическими образованиями. Протон имеет магнитное поле, подобное магнитному полю стержневого магнита, а нейтрон - шесть магнитных полюсов, направленных по осям декартовой системы координат. Протоны показаны белым цветом, нейтроны - чёрным, а осевые - серым.

2. Структура ядра атома водорода

Известно, что ядро атома водорода состоит из одного протона (рис. 1, а). Однако существуют и изотопы атома водорода, в ядрах которых к протону добавлены один (рис. 1, b) или два нейтрона (рис. 1, с). Водород, в ядре которого один протон и один нейтрон, назван дейтерием, а его ядро - дейтроном (рис. 1, b). Если в атоме водорода один протон и два нейтрона, то такой атом называется тритием (рис. 1, c). Проследим за процессом формирования ядер дейтрона и трития с учетом изложенного нами принципа соединения протонов с нейтронами.

Сближение протона P и нейтрона N происходит за счет действия магнитных сил, формируемых магнитными полями разноименных магнитных полюсов протона и нейтрона. Здесь нет сил, которые препятствовали бы сближению этих частиц. В результате получается ядро дейтерия или дейтрон (рис. 1, b). Если магнитные поля протона и нейтрона симметричны, то такая структура должна быть устойчивой. В Природе существует лишь 0,015% ядер дейтерия (дейтрона). На рис. 1, с показано ядро атома трития. В Природе существует лишь ядер трития.

Если же протон и нейтрон имеют форму, близкую к сферической, то схемы ядер дейтерия (дейтрона) и трития можно представить в виде предельно сближенных сферических образований (рис. 1, b и с).

Рис. 1. Схемы: а) протон; b) ядро дейтерия (дейтрон); с) ядро трития

Если учесть очень большую напряженность магнитных полей протона и нейтрона вблизи их геометрических центров, то при компоновке ядер, показанных на рис. 1, b и c, магнитные силы, сближающие эти частицы, и будут соответствовать ядерным силам.

3. Структура ядра атома гелия

Обратим внимание на очень важное различие между электрическими и магнитными полями. Известно, что электрические поля легко экранируются. Экранировать же магнитные поля значительно труднее.

Какие же частицы экранируют электростатические силы протонов в ядрах атомов? Нейтроны, конечно, нейтроны, больше некому. Тогда простейшая схема ядра атома гелия может быть такой, как показано на (рис. 2, а).

Рис. 2. Схема ядра атома гелия

Если нейтрон окажется между двумя протонами (рис. 2, а), то он будет экранировать их электрические поля и таким образом ослаблять электростатические силы отталкивания. Поскольку магнитные поля проницаемы для нейтрона, то присутствие нейтрона между двумя протонами ослабит электростатические силы, отталкивающие протоны, но не ослабит магнитные силы, сближающие их, так как протоны и нейтроны соединяют их разноимённые магнитные полюса. Так формируется структура из двух протонов и одного нейтрона, которая является ядром изотопа атома гелия (рис. 2, а). В Природе существует 0,000138% атомов гелия, которые имеют такое ядро.

На рис. 2, b показан второй вариант формирования ядра атома гелия. Здесь два нейтрона экранируют электрические поля двух протонов. Такую схему ядра атома гелия можно считать более предпочтительной, так как при такой схеме компоновки ядра электростатические силы отталкивания, действующие между двумя протонами, ослаблены сильнее, чем в схеме, показанной на рис. 2, а. Кроме того, у этой схемы оба протона имеют свободные магнитные полюса для взаимодействия с электронами.

Отметим, что ядро атома гелия в большинстве ядерных реакций выделяется в виде положительно заряженного образования, называемого альфа частицей (рис. 2, b). Порядковый номер 2 химического элемента гелия относится к ряду магических чисел, характеризующих особую устойчивость ядра этого элемента. Следующие магические числа 8 и 20. Дальше мы рассмотрим структуру ядра атома кислорода с магическим числом 8 и ядро атома кальция с магическим числом 20 и убедимся, что причиной устойчивости этих ядер является их геометрическая симметричность.

В вариантах возможной компоновки ядра атома гелия (рис. 2) нейтроны экранируют часть электрических силовых линий протонов. За счет этого силы электростатического отталкивания протонов уменьшаются. Величина же магнитных сил, соединяющих между собой протоны и нейтроны, почти не изменяется, что и обеспечивает такой совокупности частиц прочность и устойчивость.

Обратим внимание на возможный вариант компоновки ядра атома гелия, показанный на рис. 2, с. Количество атомов гелия, ядра которых состоят из двух протонов и двух нейтронов (рис. 2, b, c), составляет 99,999862%. Время жизни атомов гелия, в ядрах которых 4 или 6 нейтронов, исчисляется миллисекундами.

4. Структура ядра атома лития

Основой при построении ядра лития является ядро более простого атома гелия. Чтобы из ядра атома гелия получилось ядро атома лития достаточно к ядру атома гелия прибавить один протон и один нейтрон. Если компоновка ядра будет идти за счет симметричных магнитных полей протона и нейтрона, то схемы ядра атома лития окажутся такими, как показаны на рис. 3, а, b. В Природе 92,50% ядер атомов лития имеют три протона и четыре нейтрона (рис. 3, а). Остальные 7,50% ядер лития имеют по три нейтрона и три протона (рис. 3, b).

Рис. 3. Схемы ядер атома лития

Почему Природа отдает предпочтение такой компоновке ядер атома лития, какие показаны на рис. 3, а и b? Потому что протоны и нейтроны в ядре атома соединяют не ядерные силы, а магнитные. Наиболее важным здесь является тот факт, что большинство атомов лития имеет не три, а четыре нейтрона (рис.3, а). Из этой схемы следует неожиданное следствие: магнитное поле нейтрона формируется минимум четырьмя магнитными полюсами. Это предположение следует из того, что центральный нейтрон на схеме рис. 3, а имеет три контакта, которые соответствуют трем магнитным полюсам. Четвертый контакт у этого нейтрона свободен, он соответствует четвертому магнитному полюсу, к которому присоединяются нейтроны изотопов атома лития.

Изотопы атомов лития могут иметь в ядре до пяти лишних нейтронов, но время жизни таких атомов исчисляется миллисекундами. Большинство атомов лития имеют ядра, показанные на рис. 3, а. Объясняется это тем, что протоны и нейтроны соединяют их магнитные силы. Обратим внимание еще раз на количество контактов между нейтронами и протонами в схеме на рис. 3, а. Каждый протон имеет лишь один контакт с нейтроном, формируемый одним из двух его магнитных полюсов. Можно было бы думать, что нейтрон имеет также два магнитных полюса, но средний нейтрон имеет три занятых контакта и один потенциально свободный. Это дает нам основание полагать, что он имеет сложное магнитное поле, состоящее минимум из четырех магнитных полюсов.

5. Структура ядра атома бериллия

Обратим внимание на структуру ядра атома бериллия (рис. 4, а), построенную на предположении, что протоны и нейтроны в ядре соединяют так называемые ядерные силы. Оно состоит из четырех протонов и четырех нейтронов. Достаточно симметричная структура. Однако в Природе атомов бериллия с таким ядром не существует.

Рис. 4. Схемы возможной компоновки ядра атома бериллия

Результаты ядерной экспериментальной спектроскопии показывают, что 100% природных атомов бериллия имеют ядра с четырьмя протонами и пятью нейтронами (рис. 4, b). Мы не рассматриваем структуру короткоживущих искусственных изотопов этого элемента.

Итак, отсутствие в Природе ядер бериллия с четырьмя нейтронами (рис. 4, a) и стопроцентное количество ядер этого элемента с пятью нейтронами (рис. 4, b) дают основание предполагать, что ядерные силы имеют магнитную природу. Эта же схема (рис. 4, b) доказывает важность экранирующих функций нейтрона и сложность его магнитного поля.

На рис. 4, b центральный нейтрон имеет четыре контакта. Это значит, что в структуре магнитного поля нейтрона в одной плоскости существует четыре магнитных полюса: два южных и два северных.

6. Структура ядра атома бора

Бор - пятый элемент в периодической таблице химических элементов. Казалось бы, что большинство атомов этого элемента должно иметь ядра с пятью протонами и пятью нейтронами, но это не так. Лишь 20% атомов бора имеют ядра с пятью протонами и пятью нейтронами (рис. 5, а), а 80% атомов этого элемента имеют ядра, состоящие из пяти протонов и шести нейтронов (рис. 5, b). То есть построение ядра атома бора аналогично построению ядра атома лития (рис. 3).

а) b)

Рис. 5. Схемы ядер атома бора: а) с пятью нейтронами; b) с шестью нейтронами (протоны показаны белым цветом, нейтроны - чёрным)

Анализ схем компоновки ядер атома бора (рис. 5, а и b) указывает на то, что дополнительный нейтрон (рис. 5, b) удаляет пятый протон от четырех остальных на большее расстояние. В силу этого в ядре, схема которого показана на рис. 5, b, электростатические силы отталкивания пятого протона от четырех остальных меньше, чем в ядре, показанном на рис. 5, а. Таким образом, дополнительный нейтрон явно улучшает прочность ядра атома бора, поэтому в Природе ядер атома бора с шестью нейтронами больше, чем с пятью.

Обратим внимание на количество контактов центрального нейтрона с остальными нейтронами. Их пять и один свободный. Если каждый контакт соответствует определенному магнитному полюсу магнитного поля нейтрона, то общее количество контактов должно быть четным, то есть равняться шести. Один контакт, а значит, и один магнитный полюс у центрального нейтрона свободен. Дальше мы увидим, что он оказывается занятым в структуре ядра атома углерода, когда из него формируется алмаз.

Таким образом, мы получаем дополнительные доказательства соединения протонов с нейтронами в ядрах атомов только посредством разноименных магнитных полюсов. Напряжённости магнитных полей в центрах симметрии протона и нейтрона, примерно равные Тесла, доказывают, что функции таинственных ядерных сил выполняют магнитные силы магнитных полюсов протонов и нейтронов. Причем каждый нейтрон имеет сложное магнитное поле с шестью магнитными полюсами: тремя северными и тремя южными.

Отметим, что у ядра основного атома бора (рис. 5, а) 10 нуклонов и 9 связей, поэтому удельная энергия связи у него больше, чем считалось до сих пор. У второго ядра (рис. 5, b) 11 нуклонов и 10 связей. Удельная энергия связи у него также больше, чем считалось до сих пор.

7. Структура ядра атома углерода

Углерод считается основой жизни, так как формирует большое количество связей с атомами других химических элементов. Посмотрим на причину такой его активности.

На рис. 6, а показано плоское ядро этого элемента. Тут невольно вспоминается чешуйчатое, плоское строение графита, состоящего из углерода. Такое вещество образуется из атомов углерода, ядра которых имеют плоскую структуру из шести протонов и шести нейтронов. Однако в Природе встречается углерод и с другой - пространственной компоновкой ядра. Механические свойства алмаза (рис. 6, b, с), который также состоит из углерода, радикально отличаются от механических свойств графита.

а)

b) c)

Рис. 6. Структурные схемы ядра атома углерода: а) схема плоского ядра; b) и с) схемы пространственного ядра

Теперь мы видим, что форма ядра углерода определяет свойства вещества, состоящего из атомов этого химического элемента и линейное взаимодействие электронов с протонами ядер усиливает достоверность многих наших постулатов.

На рис. 6, b, с показаны структуры другого ядра атома алмаза. У первой из них (рис. 6, b) - 7 нейтронов. Один расположен в центре пространственной системы координат и три пары других направлены вдоль трех координатных осей. У второй (рис. 6, с) пространственной структуры - 5 нейтронов. У обеих пространственных структур один нейтрон центральный. К каждому наружному нейтрону присоединен протон. Таким образом, пространственное ядро такого атома углерода - идеальный узел кристаллической решетки. Такая конструкция ядра и обеспечивает прочность кристаллов алмаза.

Экспериментальная ядерная спектроскопия свидетельствует, что 98,90% ядер углерода содержат 6 протонов и 6 нейтронов и лишь 1,10% процента ядер этого элемента имеют лишний нейтрон. Теперь мы видим, что это ядра атомов алмаза (рис. 6, b).

Обратим внимание на предельную симметричность обоих ядер атома углерода. Плоское симметричное ядро принадлежит углероду, формирующему органические соединения (рис. 6, а). Из этого следует также, что силы связи, действующие между частицами этих ядер, примерно одинаковые.

Из второй (рис. 6, b) и третьей (рис. 6, с) структурных схем ядер атома углерода следует, что нейтрон действительно имеет сложное магнитное поле, состоящее из шести магнитных полюсов. Магнитное же поле протона во всех рассмотренных нами случаях остаётся простым, подобным магнитному полю стержневого магнита.

8. Структура ядра атома азота

Азот - седьмой химический элемент в периодической таблице. В Природе существует 99,63% атомов азота, ядра которых состоят из 7 нейтронов и 7 протонов (рис. 7). Лишний, восьмой нейтрон имеют 0,37% ядер атомов этого элемента.

Шесть нейтронов, расположенных в одной плоскости, имеют шесть свободных магнитных полюсов, направленных к центру окружности, которую они образуют (рис. 7). Поскольку каждый нейтрон имеет четыре магнитных полюса в одной плоскости, то седьмой нейтрон занимает свободное место в центре, а седьмой протон присоединяется к нему сверху (рис. 7). В этом случае у центрального нейтрона остаётся один свободный магнитный полюс в нижней его части и к нему может присоединиться восьмой нейтрон, образуя ядро изотопа азота. Вполне очевидно, что к этому нейтрону могут присоединяться другие нейтроны, увеличивая количество изотопов этого элемента. Ядра изотопов атома азота могут иметь четыре лишних нейтрона.

Рис. 7. Схема ядра атома азота

Поскольку ядер атомов азота с восемью нейтронами лишь 0,37%, то у нас появляются веские основания полагать, что ядро атома азота - плоское образование, имеющее центральную ось, и все дополнительные нейтроны присоединяются к нижнему осевому нейтрону, имеющему свободный магнитный полюс (рис. 7).

9. Структура ядра атома кислорода

Ядру этого атома экспериментаторы приписывают магические свойства устойчивости. Число, соответствующее порядковому номеру этого элемента, тоже считается магическим. Симметричность расположения нейтронов и протонов в этом ядре подтверждает этот факт (рис. 8, а).

Ядро этого атома имеет 8 протонов и 8 нейтронов. В центральной части ядра, вдоль его оси расположены два нейтрона и к ним присоединяются два протона (рис. 8, а). В результате образуется идеально симметричная, а значит и устойчивая структура. Поскольку ядро атома кислорода имеет симметричную пространственную структуру, то у атома этого элемента резко увеличиваются возможности химической активности.

а)

b) с)

Рис. 8. Схема ядра атома кислорода

В Природе 99,762% атомов кислорода имеют восемь нейтронов и восемь протонов (рис. 8, а). Анализ схемы симметричного ядра атома кислорода показывает, что между верхним и нижним центральными протонами могут вклиниваться нейтроны и тогда образуются ядра изотопов кислорода. В Природе 0,038% ядер атома кислорода с одним лишним нейтроном (рис. 8, b) и 0,200% - с двумя лишними нейтронами (рис. 8, с). Ядро атома кислорода может иметь до пяти лишних нейтронов.

Следует отметить невозможность формирования пространственной структуры ядра атома кислорода. На рис. 8, b, где показано пространственное ядро атома азота с восемью нейтронами и семью протонами, восьмому протону ядра атома кислорода нет места.