Главная > Научный подход > Почему электрон не падает на ядро

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.

Иллюстрация скриншот

Первым был Нильс 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 действия – постоянной 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.

На фото Нильс Бор, источник 24smi.org

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.

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.

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.

На фото Равиль Галиуллин, источник википедия

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.

Михаил Дулин, физик, математик

Поделиться:
  • 2
  • 1
  •  
  •  
  •  
  •  

Научный подход , , ,