6. СТАБИЛЬНОСТЬ МИКРОЧАСТИЦ

 

Микрочастицы (атомы, атомные ядра и элементарные частицы) стабильны только в основном равновесном состоянии. Из любого возбужденного состояния они самопроизвольно переходят в основное невозбужденное состояние. Причем, чем сильнее возбуждение, тем дальше частица находится от основного состояния, тем быстрее теряет это возбуждение. Вблизи основного состояния микрочастицы могут находиться сравнительно длительное время (метастабильное состояние). Возбужденное состояние различно для разных микрочастиц. Атомы «расширяются» при возбуждении – электроны удаляются от ядра, элементарные частицы, наоборот «сжимаются» - их составные части движутся по орбите меньшего радиуса и увеличивают свою массу, поэтому основное состояние соответствует распаду элементарной частицы на стабильные составляющие. В атомных ядрах основное состояние соответствует термодинамическому равновесию между числом протонов и нейтронов, а степень возбуждения определяется отклонением от равновесного состава ядра, как в ту, так и в другую сторону.

Возбужденные состояния атомов достаточно подробно исследованы, поэтому здесь на них останавливаться не будем.

 

6.1. Нейтрон и ядра атомов

 

Нейтрон. Из всех известных элементарных частиц только нейтрон находится в минимальном возбужденном состоянии, поэтому метастабилен. Разница масс нейтрона и протона, которая приходится на электрон составляет 1,29344 Мэв (Физика микромира. «Советская энциклопедия», М., 1980, стр. 292). По этим данным легко найти радиус орбиты электрона вокруг протона в нейтроне, т.е. радиус самого нейтрона по формуле (6.5.3):

rn = 2,81794092 × 0,5109991 / 1,29344 = 1,113283 фм         (6.1.1).

Любые другие нестабильные элементарные частицы, как минимум, содержат электрон с массой не менее 70,0252673 Мэв.

В литературе приводят среднее время полураспада для нейтрона от 624 сек до 1040 сек. Такой разброс понятен, т.к. слабое возбужденное состояние нейтрона снимается любым слабым воздействием на него с переходом в основное состояние: n0 p++ e-+. Благодарю своего старшего сына за важное замечание по устройству нейтрона, до которого я сам не догадался. Чтобы не противоречить представлениям новой физики об электрическом заряде, который несут нейтрино и антинейтрино, следует предположить, что при распаде нейтрона выделяется фотон, который излучается в «разобранном» виде отдельных нейтрино. То, что в этом процессе выделяется пара нейтрино должны показать будущие эксперименты. Поэтому более предпочтительно доверять большому периоду полураспада. Если механизм перехода в основное состояние для атомов более или менее ясен, то механизм перехода в основное состояние элементарных частиц – их распад, требует особого анализа.

Чтобы нейтрон распался на стабильные частицы, очевидно, что ему надо сообщить такую энергию, чтобы электрон приобрел момент импульса  вместо момента ×, где  - постоянная тонкой структуры. Поскольку =m0 cr0, где m0 – масса свободного электрона, r0 – минимальный радиус винтовой траектории нерелятивистского электрона, то для распада нейтрона необходимо уменьшить массу электрона на:

 1,29344 - 0,5109991 = 0,7824409 Мэв                         (6.1.2),

равную энергии связи электрона с протоном. Эта энергия содержится в самом электроне нейтрона, поэтому самопроизвольный распад нейтрона возможен и для этого не требуется затраты энергии извне.

Найденные соотношения для нейтрона легко подтвердить следующим расчетом. Электростатическая энергия, полученная при сближении электрона с протоном до расстояния rn=1,113 фм (6.1.1) согласно формуле:

E=e2/rn                                                   (6.1.3)

равна 2,073×10-6 эрг, что соответствует 1,294 Мэв и совпадает с разницей масс нейтрона и протона, выраженной в Мэв.

Ядра атомов. В дейтерии электрон удерживают два протона, поэтому энергии 0,7824409 Мэв уже недостаточно для распада дейтерия и этот изотоп водорода оказывается стабильным. У трития два электрона удерживаются тремя протонами. Время полураспада 12,33 года. Сравним энергию связи 1H3=8,48215 Мэв и 2He3=7,71739 Мэв и посмотрим на строение этих изотопов на фигуре 6.1.1.

 


При радиоактивном распаде ядро трития выбрасывает электрон и электронные нейтрино и образует стабильное ядро 2He3, в котором один электрон удерживается тремя протонами. Получается, что в сравниваемых ядрах три протона не меняют своего положения, и связь между ними остается постоянной. Поэтому разница в энергиях связи этих ядер обусловлена только энергией связи одного электрона с протоном:

8,48215 - 7,71739 = 0,76476 Мэв                              (6.1.4).

Сравнивая (6.1.2) и (6.1.4) можно сделать три важных вывода. 1. Энергии электрона в тритии немного не хватает, чтобы стать свободным (0,7824409 - 0,76476 = 17,6809 кэв), поэтому время полураспада трития очень велико по сравнению с распадом нейтрона, а сам распад возможен только в результате флуктуаций теплового движения нуклонов ядра трития. 2. Энергия связи электронов с протонами в ядре практически одинакова для любых ядер и недостаточна для свободного распада нейтронов ядра. Таким образом, ядра атомов представляют некоторое подобие металла, содержащего «свободные» электроны, некоторые из них не принадлежат конкретному протону. 3. Любое ядро можно рассматривать как систему протонов, в которой содержится определенное количество электронов с энергией близкой 0,78 Мэв каждый. Подобное рассмотрение удобно для теоретического исследования ядерного взаимодействия.

При избытке протонов относительно равновесного состава ядра в нем должны возникать электронно-позитронные пары. Они возникают при движении электрона вблизи протона и для этого необходима энергия не менее 1,022 Мэв. Электрону внутри ядра не хватает для этой цели 0,24 Мэв, поэтому превращение протонов в нейтроны внутри ядра затруднено. В связи с этим, -распад часто подменяется излучением протонов или захватом электрона на орбите атома, ближайшей к ядру. Таким образом, на устойчивость ядер к радиоактивному распаду большое влияние оказывает концентрация электронов и позитронов в ядре, которая, в свою очередь, определяется соотношением протонов и нейтронов.

Время жизни обратно пропорционально отклонению от оптимального состава для ядер:

                                   (6.1.5).

Если мы будем строить зависимость времени полураспада от числа избыточных или недостающих нейтронов в ядре относительно самого распространенного изотопа данного элемента, ядро которого обычно устойчиво за редкими исключениями, то получим резко уменьшающееся время полураспада в зависимости от этого числа. Но наша зависимость не будет плавной кривой, а ломаной линией, т.к. при четном числе избыточных или недостающих нейтронов прочность ядра значительно возрастает, а при нечетном – падает.

 


Глядя на устройство ядер в соответствующих главах, мы можем сразу указать на самое слабое место ядра, т.е. прочность ядер в отношении радиоактивного распада определяется не в целом ядром, а точечной «дислокацией» на поверхности ядра. Если ядро симметрично, то такое место указать невозможно, поэтому подобные ядра стабильны. Последний вопрос, на который здесь необходимо ответить, касается изотопов с огромным временем полураспада, достигающим миллиардов лет. Официальная физика объясняет такие распады «туннельным эффектом». Если пользоваться официальной теорией туннельного эффекта для рассматриваемого случая, то приходится оперировать такими цифрами, которые не укладываются в рамки здравого смысла, поэтому есть необходимость дать единый механизм радиоактивного распада для любых ядер. Если для распада нужна небольшая дополнительная энергия, то распад идет без затруднений. Но в достаточно прочных ядрах тех изотопов, состав которых почти равен оптимальному, для спонтанного распада нужна значительная энергия. Единственный способ «отобрать» ее у всех нуклонов ядра и сконцентрировать на «дислокации». Естественно, что это должно произойти в случайном процессе и за очень короткое время, чтобы флуктуация не рассеялась вновь. Кроме того, для небольшого числа нуклонов в ядре может потребоваться многократное повторение этого процесса с условием, что за время повторений избыточная энергия «дислокации» не теряется. Это еще сильнее уменьшает вероятность распада, т.к. «время полураспада» возбужденного состояния дислокации мало. Вероятность такого события ничтожна, что можно показать простыми расчетами, поэтому время полураспада очень резко увеличивается с увеличением недостающей энергии. Схематически в идеале рассматриваемое событие изображено на фигуре 6.1.2, где «дислокация» обозначена черной точкой, а направление передачи импульсов нуклонами обозначено стрелками. Из рисунка видно, что  он отображает практически невероятное событие.

 

6.2 Элементарные частицы

 


Время жизни элементарных частиц обратно пропорционально их главному квантовому числу (ГКЧ), которое определяет их возбужденное состояние. Распад элементарных частиц происходит в результате перехода в основное состояние (распад до стабильных частиц) сразу или поэтапно, через промежуточные состояния с меньшим ГКЧ (меньшим возбуждением). Спонтанный распад всегда обеспечен внутренней большой избыточной энергией компонентов частицы и не требует внешней энергии для своей реализации.

На фигуре 6.2.1 Показаны зависимости времени жизни элементарных частиц от значения ГКЧ для частиц, содержащих одновременно электрон и позитрон (черные точки) и остальных частиц (белые точки). Первая черная точка относится к пара-позитронию ГКЧ которого равно 1, т.к. орбиты электрона и позитрона не образуют одну орбиту. В барионах учитывалось только ГКЧ частиц на орбите вокруг протона, поскольку сам протон на время жизни частиц практически не влияет. По не вполне ясным причинам точки для каонов  и  лежат выше предназначенной им кривой белых точек. Белые точки соответствуют частицам (в скобках указано значение ГКЧ): нейтрон (1/137),  (1,5),  (2),  (3),  (4),  (4),  (6),  (6),  (7),  (11). Черные точки соответствуют частицам: пара-позитроний (1),  (2),  (6). Здесь нет смысла рассматривать время жизни «резонансов» т.к. они успевают развалиться не сделав и одного оборота по орбите. Таким образом, представления новой физики о причинах распада ядер и элементарных частиц нашли свое подтверждение.