Есть ли электроны в атомном ядре?!! – Есть!

(или о применимости неопределенности Гейзенберга)

Анализ одноименного параграфа № 26.3 из книги “Основы современной физики” В. Акоста, К. Кован, Б. Грэм (перевод с английского) Москва,“Просвещение”1981 г.

Для исключения затрат Вашего времени на поиски книги приведу сначала полный текст параграфа:

Вопрос о том, есть ли электроны в ядре, появился потому, что Дж. Дж. Томсон первоначально представлял себе атом в виде малень­кого шарика, однородно заряженного положительным электриче­ством, в который погружены точечные электроны. Атом, по Дж. Дж. Томсону, не имел ядра. Впоследствии Резерфорд и Бор отбросили эту модель атома и провозгласили, что атом обладает массивным положительно заряженным ядром очень малых разме­ров, вокруг которого на больших расстояниях вращаются электроны. Но тем не менее вплоть до 1931 г. все думали, что в ядре имеются свои «ядерные» электроны и что суммарный положительный заряд ядра обязан избытку числа протонов над числом ядерных электронов. Например, ядро дейтерия представляли себе состоящим из двух про­тонов и одного «ядерного» электрона и считали, что избыток заряда ядра (+ 1е) компенсируется в нейтральном атоме дейтерия одним электроном в его внешней оболочке. В результате открытия Чедвиком в 1932 г. нейтрона была предложена новая теория структуры ядра, в которой отрицалось присутствие электронов в ядре. Согласно этой теории ядро содержит внутри себя только протоны и нейтроны и вовсе не имеет никаких «ядерных» электронов. С тех пор было про­ведено много различных экспериментов, которые убедительно дока­зали отсутствие электронов в ядре.

  Если бы электроны в ядре были, магнитный момент ядра был бы порядка магнетона Бора. Эксперименты же (см. 26.11 и 26.10) показывают, что магнитные моменты ядер в тысячу раз меньше боровского магнетона.

Далее очень многие эксперименты приводят к заключению, что ядро дейтерия имеет спин +1. На рисунке 26.4 (таблица) проиллюстрировано, как объясняется спин дейтрона по старой и новой теории (с учетом «ядерного» электрона и без него). Как видно из этого рисунка, при любой комбинации возможных ориентации спинов одного электрона и двух протонов в ядре по старой теории получается полуцелое зна­чение спина, что противоречит эксперименту.

  Рис.26.4

 Эксперименты Резерфорда по рассеянию ά-частиц показали, что атомное ядро имеет размеры порядка 10 ^-14 м. Следовательно, неоп­ределенность положения «ядерного» электрона в ядре должна была бы быть

и согласно соотношению неопределенностей неопределенность его импульса была бы

Импульс такого электрона должен был бы быть не меньше этого значения, и по формуле (6.27) кинетическая энергия «ядерного» элект­рона равнялась бы

Энергии же электронов, вылетающих при распаде нестабильных ядер, оказываются порядка всего нескольких электронвольт, как об этом свидетельствуют эксперименты. Так что получается противо­речие с приведенной теоретической оценкой, полученной на основе соотношения неопределенностей, если сделать предположение, что в ядре имеются «ядерные» электроны.

 Начнем анализ приведенного выше параграфа с рассуждений о спине, итак:

1. Приводя данный пример, уважаемые авторы упустили из виду довольно простой момент, а именно, реакцию распада нейтрона

Или, как они сами пишут в параграфе № 39.2 (стр.413): “…Когда в каком – либо процессе слабого взаимодействия участвует электрон, в нем обязательно участвует и электронное нейтрино”. Т.о. для существования закона сохранения спина (а он существует) необходимо чтобы суммарный спин электрона и нейтрино равнялся нулю, но тогда спин дейтрона будет принимать целые значения – 0 либо ±1.

2. Применяя соотношение неопределенности, в данном параграфе находится минимально возможное значение импульса, а, следовательно, и кинетической энергии “ядерного” электрона.

 Проведем такой же сравнительный анализ для атома водорода:

Приняв неопределенность положения электрона равной размеру атома водорода (удвоенному боровскому радиусу), получим:

тогда неопределенность импульса

следовательно, импульс такого электрона должен быть не меньше этой величины, и, если следовать логике параграфа, минимальная кинетическая энергия должна быть равна примерно следующей величине

или в электронвольтах

Но из опытов мы точно знаем, что в атоме водорода существует электрон, и энергия ионизации атома равна 13,6 эВ, т.е. ошибка примерно на два порядка.

3. О магнитном моменте ядра: магнетон Бора – магнитный момент атома, обусловленный вращением электрона вокруг ядра.

 Рассчитаем максимальный магнитный момент, который может создать электрон, вращающийся по орбите с радиусом равным радиусу протона. Максимальный магнитный момент будет достигнут при скорости вращения равной скорости света – с.

 Произведем расчет так же как это сделано в параграфе № 19.3 (стр.212 того же издания) немного поменяв порядок изложения: “…Если ток течет по замкнутому контуру площадью А, то магнитное поле, которое он создаст, тождественно полю магнита, имеющего магнитный момент

где площадь контура

величина тока определится как:

где f – частота вращения электрона по орбите.

где v – скорость движения по орбите.

Подставляя эти значения в формулу магнитного, получаем:

подставляя скорость электрона равную скорости света v=c, а радиус орбиты примерно равный радиусу протона r ≈ 10^-15 м, получаем

при меньшей скорости движения электрона величина магнитного момента будет меньше.

 Для сравнения приведу значение магнитного момента протона:

где µ_N=5,09 *10^-27 Дж/Тл – ядерный магнетон.

Таким образом, электрон, вращающийся по орбите радиуса протона, создаст магнитный момент одного порядка с магнитным моментом, приписываемым протону.

ВЫВОДЫ:

1.                          Электронам ничто не препятствует находиться как внутри ядра, так и внутри элементарных частиц. Скорее всего, так называемые, элементарные частицы представляют собой сложные электрон – позитронные комплексы со своими оболочками, подобными электронным оболочкам атомов;

2.                          Возникает вопрос о применимости принципа неопределенности Гейзенберга в отношении к элементарным частицами и требуется иное объяснение их волновых свойств.

17.02.04 г. Ф.П. Неделин