Позитронно-электронная модель атомного ядра

Существующая теория атомного ядра

Работая над трудом «Основы химии», Д. И. Менделеев открыл в феврале 1869 года один из фундаментальных законов природы - периодический закон химических элементов. Не давая представления о строении атома, периодический закон, тем не менее, вплотную подводит к этой проблеме.

В дальнейшем было принято, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Единственное ядро, состоящее из одного протона - ядро атома водорода. В начале периодической таблицы Менделеева количество протонов примерно равно количеству нейтронов. Ближе к концу периодической таблицы соотношение составляет один протон на два нейтрона.

Каждый элемент имеет свой положительный заряд, вокруг ядра на орбиталях вращаются электроны, число которых равно заряду ядра. Заряженные протоны в ядре отталкивают друг друга, а гравитационное взаимодействие существенно слабее и не в состоянии их удержать в ядре. Соответственно возникла проблема устойчивости ядра, и тогда придумали, что нуклоны (протоны и нейтроны) удерживаются в ядре сильным взаимодействием.

Необходимость введения понятия сильных взаимодействий возникла в 1930-х годах, когда стало ясно, что ни явление гравитационного, ни явление электромагнитного взаимодействия не могли ответить на вопрос, что связывает нуклоны в ядрах в существующей теории ядра. В 1935 году японский физик Х. Юкава построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов, происходящего посредством обмена новыми частицами, которые сейчас известны как пи-мезоны (или пионы). Пионы были экспериментально открыты в 1947 году.

Существующая теория атомного ядра не может объяснить выделение энергии при образовании более тяжелых ядер (термоядерный синтез), поскольку масса нейтрона больше в сумме масс протона и электрона. Открытие большого количества изотопов различных ядер также порождает много проблем с устойчивостью атомного ядра.

Электромагнитная теория устойчивости атомного ядра

Если из начальной теории убрать допущение, что заряд ядра равен номеру элемента в периодической таблице Менделеева, то проблема устойчивости атомного ядра решается без придуманного сильного взаимодействия. В этой теории все электроны, кроме валентных, находятся внутри ядра, удерживая протоны.

Учитывая, что масса нейтрона больше масс в сумме протона и электрона, приходим к выводу, что в легких ядрах вообще нет нейтронов.

Рассмотрим ядро дейтерия, два протона находятся на расстоянии чуть меньше, чем радиус электрона. Поскольку сила Кулоновского взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния, то электрон притягивает два протона, при этом потенциальная энергия системы значительно меньше, чем если бы эти частицы были бы в не ядра. Эта потенциальная энергия выделяется в виде фотонов.

Устойчивость системе придает обстоятельство, что протон и электрон имеют спин, т.е. вращаются вокруг собственной оси и для вхождении протона в электрон требуется энергия для образования электромагнитного поля (т.е. частицы начинают отталкивать друг друга).

Поскольку между двумя протонами может поместиться только один электрон, то электрон становиться валентным и находиться вне ядра.