Почему и как распадаются ядра атомов.

Анри Беккерель экспериментально открыл, что соли урана что-то излучают, а в 1899 году Э. Резерфорд экспериментально установил, что соли урана испускают лучи трёх типов, которые по-разному отклоняются в магнитном поле. Принципиальная установка очень проста. Я нашел в сети такую картинку:

Такое деление ядер на различные части назвали радиоактивным распадом, который формулируется так:

Радиоактивный распад — спонтанное изменение состава (заряда Z, массового числа A) или внутреннего строения нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц, гамма-квантов и/или ядерных фрагментов.

Ученые точно определяют на какие элементы и в каких пропорциях распадается тот или иной атом. Определяют время полураспада того или иного атомного ядра. Все это определяется в экспериментальных исследованиях.

Оказывается, что время полураспада для различных элементов разное. Одни из них распадаются за микросекунды, а другие за миллионы лет.

К сожалению, наука не знает почему распад вообще происходит. Лежит какая-то кучка атомов соответствующего вещества и вдруг одно из массы ядер распадается. Чем это ядро отличается от соседних ядер? Очевидно, что без причины не может быть следствия, в данном случае распад ядра. Ученые даже не могут сказать – внутренняя это или внешняя причина.

Некоторые пытаются ответить на данный вопрос, но как-то нечетко и не до конца. Например, пост наука пишет:

Почему происходит распад ядра? Ядро атома состоит из нуклонов — нейтронов и положительно заряженных протонов. Существуют силы, которые связывают между собой нуклоны в ядре. Но его устойчивость зависит от того, сколько нуклонов оно содержит. Если ядро слишком тяжелое, то есть перегружено протонами или нейтронами, то оно будет менее устойчивым.

Вам стало понятно – почему ядро распалось? Мне – нет. Если оно перегружено, то почему в одном случае оно распадается через доли секунды, в другом через часы, а в третьем через годы. Почему ядерные, которые удерживали нуклоны вместе, вдруг так ослабли, что ядро распалось? Точнее силы не ослабли, а превратились в противоположные и растолкнули фрагменты ядра. В уране, с которым экспериментировал Резерфорд, все ядра с одинаковым числом нуклонов, но одно ядро распадается сейчас, это фиксирует счетчик, другое распадется завтра, а какое-то может распадется через тысячу или миллион лет. А потом распадаются не только слишком тяжелые ядра, но и легкие ядра. Например, изотопы бериллия, углерода и даже водорода (порядковый номер Z=1 и массовое число A=3, время полураспада 12,3 года). Как видите половина ядер водорода распалось за 12,3 года, а когда остальные распадутся известно одному Богу. Получается, что устойчивость ядра не зависит прямо от его перегруженности.

От чего же тогда зависит устойчивость атомного ядра? Естественно, что ответить на этот вопрос можно только в том случае, если нам известно устройство ядра. Для этого надо знать не только состав ядра, элементы, из которых оно состоит, но и физическую сущность сил, которые удерживают эти элементы в совокупности, как целый объект (ядро). Наука же знает только название силы – ядерная, но какая физическая сущность этой силы – это науке неизвестно. Не зная физической сущности этой силы невозможно даже сказать: ослабевают эти силы, превращаются в противоположные или исчезают вовсе. Не понимая этого нельзя ответить на вопрос: почему ядро распадается?

Существует несколько теорий ядерных сил, но в них ядерные силы сводятся к другим каким-нибудь силам (например, силы поверхностного натяжения) и считается, что удовлетворительной теории ядерных сил пока нет. Но мне видится это не справедливым. В 1935 году Х. Юкава опубликовал статью о « мезонной теории ядерных сил».

Юкава выдвинул гипотезу, что притяжение, удерживающее нуклоны внутри ядра, возникает благодаря наличию «квантов» некоего поля, аналогичных фотонам (световым квантам) электромагнитного поля и обеспечивающих взаимодействие электрических зарядов.

Эта гипотеза не была принята за приоритетную, потому что никто не понимал, как это фотон может притягивать один нуклон к другому. Это такое же состояние, как и в гравитации. В гравитации трудно представить, что фотон может тянуть электрон на себя, хотя есть примеры и в макромире, как один объект тянет на себя другой объект. Всегда считалось, что если один объект ударяет во второй объект, то второй объект всегда будет двигаться в ту же сторону, что и ударяющий объект. Сейчас диалектический материализм не в моде, а он утверждает, что такие взаимодействия равноправные и они существует.

Вот этот «квант» – мезон, по мнению Юкавы, и тянет на себя протон и заодно превращает этот протон в нейтрон. А поскольку мезон (пион) примерно в 200-300 раз больше электрона, то и сила притяжения больше во столько же раз нежели силы, действующие при аннигиляции электрона и позитрона. Это и составляет ядерную силу.

Но данный мезон или пион является не резонансным для протона, он не может замкнуться на протоне, и этот протон, превратившийся в нейтрон, излучит этот пион. Излученный пион попадает на следующий протон и тоже тянет его на себя. И тут полная тьма.

Если у водорода один протон и один нейтрон, то еще можно представить, как этот обменный пион прыгает между этими нуклонами. Можно представить и большие ядра в виде кольца, в которых пионы движутся по кругу один за другим, тянут нуклоны, создавая их круговое движение. Этим можно объяснить магнитный момент ядра. Но одной из проблем данной модели является то, что от атома к атому должен изменяться коэффициент преломления нуклонов или изменяться величина пиона. Можно представить ядро в виде многогранного кристалла в виде оболочки или монолита, в котором как-то движутся пионы и держат всю конструкцию, как целый объект.

Можно много придумать разных форм организации нуклонов в ядро, но будет ли среди них истинная неизвестно. Трудностью в построении модели ядра является, то, что мы не понимаем физического устройства нуклонов. А как строить дом, не зная устройства кирпича или гвоздя?

Для меня несомненным является только, то, что именно пионы держат совместно нуклоны в ядре. И это не один пион или небольшое их количество. Если пион один и он исчезнет, то ядро развалится на одиночные нуклоны, а если пиона два, то ядро развалится на один какой-то большой кусок (элемент) и множество нуклонов и так далее. Похоже, что количество пионов должно быть равно количеству нейтронов. Именно они превращают протоны в нейтроны. Потеря пиона приводит к тому, что протон, который должен был удержан в ядре, в результате превращения его в нейтрон, не превратится в нейтрон и его остальные протоны просто вытолкнут из ядра. Так произойдет спонтанный распад ядра. А как может быть потерян пион?

Насколько плотно ядро заполнено нуклонами никто не знает и даже не пытается это узнать. Но понятно, что ядерные силы пытаются растолкать нуклоны, а гравитационные пионы стремятся противодействовать этой силе. Известно, что эти силы не линейны, они не могут уравновесить друг друга в какой-то точке, чтобы два нуклона остановились в стационарной позиции. Такое положение нуклонов не устойчиво. Это как маятник или груз, подвешенный на пружине. То есть, можно с уверенностью говорить, что нуклоны в атомном ядре совершают какие-то колебательные движения. А это значит, что между нуклонами есть какое-то расстояние. На сколько большое это расстояние и какова скорость колебательного движения нуклонов тоже никто не знает. Как говорилось выше, мы не знаем коэффициента преломления нуклонов и энергии (длины) пионов.

Все это не позволяет нам точно определить пути движения нуклонов в ядре и пути следования пионов. Но чтобы ядро было устойчивым должно быть так, чтобы пион всегда попадал на нуклон, иначе он может вылететь за пределы ядра, образуя гамма-излучение. Вылетевший из ядра протон – это альфа-излучение. Атом, потерявший из ядра протон, может легко потерять излишний электрон, а это уже бета-излучение. Это и показал в своих опытах Резерфорд.

Это спонтанный радиоактивный распад. Он может происходить по разным причинам, как по внутренним, так и внешним. Обход нуклонов пионами задается при формировании ядра: и направление, и шаг этого обхода формируется при разных внешних условиях. Они могут несколько отличаться от ядра к ядру (ведь рождаются разные братья или сестры, даже если это близнецы). Эти отличия могут накапливаться с ростом количества циклов обхода и дорастать до таких величин, что пион может приходить в нужное место, когда нуклон еще не дошел до этого места или уже его прошел. Так пион может оказаться на свободе.

Спонтанное излучение могут спровоцировать и внешние причины. Например, во время поглощения протоном пиона на этот протон попало соответствующее нейтрино или фотон реликтового излучения, тогда эти элементы могут увеличить время излучения этого суммарного пиона, он может опоздать к месту встречи со следующим нуклоном, и он покинет ядро в виде гамма-излучения. В общем сотворить аварию всегда много способов.

В ядерной реакции мы искусственно тормозим, ускоряем или сбиваем с пути сами нуклоны, чем разрушаем встречи пионов с нуклонами во множественном числе, провоцируя цепную реакцию. Ядерный взрыв – это ни что иное, как вынужденное излучение.

Прав я или не прав я не могу утверждать достоверно, но чтобы лучше это понять, если кто пожелает, то желательно прочесть статьи: “ Атом, его квантовое устройство”, “ Спонтанное излучение” и “ Вынужденное излучение”.