МЕНЮ

О дефекте массы

В работе представлен альтернативный взгляд на теорию дефекта масс, основанный на эфиродинамической концепции строения атома и физических понятиях энергии и массы.

Показано, что в основе представлений о данном явлении лежит универсальный закон сохранения момента количества вращения.

Введение.  

Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния,
что сколько чего от одного тела отнимается, столько
присовокупиться к другому. Так, ежели где убудет несколько
материи, то умножиться в другом месте… Сей всеобщий
естественной закон простирается и в самые правила движения:
ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оныя
теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение
получает.
М. В. Ломоносов [1]

После опытов Резерфорда по установлению структуры атома, вопрос из чего состоит атом и его центральная часть  – ядро, долго оставался открытым. В начале ХХ ст. этот вопрос удалось решить развитием масс-спектрометрических способов измерения масс заряженных частиц. В 1919 г. английский физик Ф. Астон создал масс-спектрограф, с помощью которого открыл 213 стабильных изотопов, в том числе уран-238. [2]  В 1927 г. проведя систематические исследования о весах атомов, Астон обнаружил потерю в массе каждого протона атома по отношению к массе протона в ядре атома кислорода. [3] Эту потерю массы в ядерной физике стали называть “дефектом массы”. Впоследствии  стали подсчитывать дефект массы не по отношению к “кислородному протону”, а по отношению к массе тех составных частей, из которых построено ядро. Соответственно, в масс-спектроскопии дефектом массы стали называть разность между массой атома, измеренной в атомных единицах массы, и массовым числом A=Z+N. 

            В современной физике понятие дефекта масс не имеет однозначного толкования и отличается от приведенного выше началом отсчёта дефекта массы и системой единиц.

Например, в современной физической энциклопедии [4]:  дефект массы (от лат. defectus – недостаток, изъян) – разность между массой связанной системы взаимодействующих тел (частиц) и суммой их масс в свободном состоянии. Дефект массы ∆М определяется энергией связи εсв. системы:

            ∆М  = εсв. /c2.                                                                                              (1)

В случае атомных ядер дефект массы даётся формулой

            ∆М  = Zmp + Nmn m (Z, N),                                                                     (2)

где m – масса ядра, имеющего Z протонов и N нейтронов, mр и mn – массы протона и нейтрона.

Напомним, что величина атомной единицы массы u выбрана так, чтобы дефект массы для атома изотопа углерода-12, в состав которого входит 12 нуклонов, из которых 6 протонов, был точно равен нулю, т.е.  Δ(12,6)/c2 = Мат(12,6) – 12u = 0. [5]

В релятивистской динамике [6] дефект массы ядра определяется как

∆М  = ∑m0i M0,                                                                                         (3)

где m0i  – массы покоя нуклонов (нейтронов и протонов ядра),  M0 – масса покоя ядра.

Выше, при построении релятивистской механики, было использовано только одно понятие массы – масса покоя. Она инвариантна относительно перехода из одной инерциальной системы отсчета в другую, т.е. относительно преобразований Лоренца, которые при нерелятивистских скоростях, ν << с, переходят в преобразования Галилея классической механики. Масса покоя – это количественно та же масса, которая используется в ньютоновой механике. 

Масса и энергия покоя связаны уравнением:

Е0 = m0 с2                                                                                                      (4)

из которого вытекает, что всякое изменение массы  Δm0 сопровождается изменением энергии покоя  ΔE0:

ΔE0 = Δm0c2                                                                                              (5)

       Это утверждение носит название закона взаимосвязи (пропорциональности) массы и энергии покоя [7], оно стало символом современной физики.

            Уравнение (4) имеет универсальный характер. Оно применимо ко всем формам энергии, т. е. можно утверждать, что с энергией, какой бы формы она ни была, связана масса m = Е/c2.                                                                                              

Закон взаимосвязи (пропорциональности) массы и энергии блестяще подтвержден экспериментом о выделении энергии при протекании ядерных реакций. Он широко используется для расчета энергетических эффектов при ядерных реакциях и превращениях элементарных частиц. Он же стал теоретической основой объяснения дефекта масс. Зная численную величину дефекта масс, и связь массы с энергией E = mc2, мы можем перейти к новой значимой величине εсв, называемой энергией связи атома.

Итак: согласно  закона взаимосвязи (пропорциональности) массы и энергии покоя (соотношению Эйнштейна), энергия связи должна быть пропорциональна дефекту массы:

εсв = Δmc2, где Δm – уже известный нам дефект массы ∆М.

А для более правильного понимания зависимости величины энергии связи в ядре от количества нуклонов в этом же ядре, так же введено такое понятие как удельная Еуд (т.е. средняя) энергия связи – приходящаяся на один нуклон.

Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая энергия, которую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

            При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи.

            В основе выше рассмотренной теории дефекта масс на взгляд авторов лежит ряд некорректных толкований таких фундаментальных понятий как энергия, масса и их взаимосвязь. Целью данной работы является изложение альтернативного взгляда на теорию дефекта масс, основанного на эфиродинамической концепции строения атома и физические понятия энергии и массы.

Эфиродинамическая концепция дефекта масс.    Понятие дефекта масс  и его объяснение  появились задолго до   определения структуры   атома, протонно-нейтронной модели ядра, механизмов распада атома и др. явлений, что указывает на несовершенство его определения. Кроме того, исходные представления, положенные в теорию дефекта масс, в течение времени претерпели существенные изменения, что еще больше мифологизировало данный эффект. Прежде всего, это относится к понятию масса покоя. 

Согласно современным представлениям [8]: масса – фундаментальная физическая величина, определяющая инерционные и гравитационные свойства тел – от макроскопических  объектов до атомов и элементарных частиц – в нерелятивистском приближении, когда их скорости пренебрежимо малы по сравнению со скоростью света с. В этом приближении масса тела служит мерой содержащегося в теле вещества и имеют место законы сохранения и аддитивности массы: масса изолированной системы тел не меняется со временем и равна сумме массы тел, составляющих эту систему. 

             В целом терминология, использующая понятия “массы покоя”, “массы движения” и т. п. артефакты, мешает понять сущность теории относительности, затрудняет в дальнейшем знакомство с современной научной литературой. 

                Протоны, электроны, нейтроны и др. элементарные частицы, согласно данного выше определения массы, характеризуются инертной массой, которая служит мерой содержащегося в нем вещества (в данном случае уплотненного эфирного газа).   В эфиродинамических моделях [9] элементарные частицы трактуются как замкнутые вихревые образования (кольца), в стенках которых эфир существенно уплотнён, а элементарные частицы, атомы и молекулы, — это конструкции, объединяющие такие вихри. Основным принципом существования таких структур является закон сохранения момента количества вращения [10]. Для движущейся по окружности точки момент количества вращения равен, конечно, произведению ее массы mi на скорость vi и на расстояние до оси вращения ri , а скорость в свою очередь равна угловой скорости ω, умноженной на расстояние до оси: Li = mi vi ri = mi ri2 ω = const.

Масса и энергия связаны уравнением:

Ес = Li ω = mi ri2 ω2,                                                                                    (6)

где Ес – кинетическая энергия вращения вокруг собственной оси.

            В случае фотона  [11] эта энергия Ес значительно превышает как кинетическую энергию вращения вокруг оси прямолинейного движения, так и кинетическую энергию прямолинейного движения Е = mc2 и определяет проникающие способности

γ-фотонов.

            Протоны, электроны и нейтроны являются структурными элементами атомов вещества, единственным типом их движения является вращение вокруг собственной оси, поэтому они характеризуются кинетической энергией Ес. Согласно эфиродинамическим представлениям [12] условием радиоактивного распада является превышение совокупных внутренних магнитных сил отталкивания Еот  над совокупными внутренними магнитными силами притяжения Епр за счет энергии внешних факторов Евн:

Еот + Евн > Епр.                                                                                              (7)

С другой стороны устойчивость атома определяется  энергией связи εсвЭнергия связи в ядре – физическая величина, равная минимальной энергии, которая  необходима для удаления протона или нейтрона из ядра в бесконечность без сообщения ему кинетической энергии.

Очевидно, что  εсв. = Епр, т. е. энергия связи будет определяться теми магнитными силами притяжения, которые формируются  за счет кинетической энергии  вращения вокруг собственной оси протонов, электронов и нейтронов εсв. = f (Есp, Есе, Есn), где Есp – кинетическая энергия вращения протонов,Есе  – кинетическая энергия вращения электронов,  Есn  – кинетическая энергия вращения нейтронов.   Из рассмотренного выше следует, что энергия связи имеет сложно подчиненную зависимость от энергии протонов, электронов и нейтронов исходного (материнского)атома вещества.  В процессе распада, согласно системного закона композиции распада [13], образуются дочерние атомы вещества, сопровождаемые излучением элементарных частиц и тепловой энергии.

Полная энергия распада Ер:

Ер = Eд + Еγ + ∆Е + Епр = Eд + Еγ + ∆Е + εсв                                               (8)                                                                                              

где Ед – энергия дочерних атомов, представляющая собой совокупность кинетической энергии вращения вокруг собственной оси Ес и энергии прямолинейного движения Епр,

т. е. Eд = Ес + Епр,  Еγ – энергия излучения, ∆Е – тепловая энергия. Указанный выше пример фотона показывает, что энергия прямолинейного движения всегда значительно меньше кинетической энергии вращения вокруг собственной оси. Поэтому в первом приближении можно считать Eд = Ес.

            Из рассмотренного выше следует, что энергия связи составляет только некоторую часть полной энергии распада и не имеет непосредственного отношения к массам структурных элементов атома вещества, а выделяемая энергия определяется энергией излучения и тепловыми потерями. В этой связи особый интерес представляют  процессы, которые вызывают дефект масс.

            В эфиродинамической концепции распада определяющую роль играет закон сохранения момента количества вращения. Согласно этому закону моменты количества вращения всех протон-электронных пар всех атомов вещества равны и определяются моментом количества вращения свободной протон-электронной пары, т. е. атома водорода. Каждый атом вещества характеризуется определенным набором протон-электронных пар и нейтронов. Причем радиусы этих протон-электронных пар представляют собой уникальную величину, характеризующую соответствующую протон-электронную пару в атоме. Согласно закона сохранения момента количества вращения (6) изменение радиуса протон-электронной пары соответственно вызовет изменение массы и скорости кругового вращения. А именно, увеличение радиуса вызовет увеличение массы и уменьшение скорости кругового вращения и, наоборот, уменьшение радиуса вызовет уменьшение массы и увеличение скорости кругового вращения.

В процессе распада материнский атом имеет не только большую массу, но и больший радиус, чем дочерние атомы. Соответственно, уменьшение радиусов дочерних атомов, согласно закона сохранения момента количества вращения, приведет к уменьшению их масс и увеличению скорости кругового движения. Поэтому масса материнского атома всегда будет больше суммы масс дочерних атомов. Например, радий-226  22688Ra претерпевает α-распад, в результате распада образуется нуклид 22286Rn, также известный как радиоактивный газ радон или эманация радия (выделяемая энергия 4870,62(25) кэВ):

            22688Ra → 22286Rn  + 42He + 4870,62(25) кэВ.                                               (9)

Радиус атома радия-226 [14] составляет 235 пм, атомная масса 226,0254 а.е.м., радиус атома радона [15] – 214 пм, атомная масса 222,0176 а.е.м., радиус  атома гелия –

31 пм, атомная масса 4,002602 а.е.м. 

            Таким образом масса радия МRa = 226,0254 а.е.м., а сумма масс радона и гелия   МRn + МНе = 222,0176 + 4,002602 = 226, 020202 а. е. м. < 226,0254 а.е.м. (МRa), т. е. исходная масса радия больше суммы масс дочерних атомов радона и гелия.

            Дефект массы равен 0,003398 а.е.м. или 0,0015% от массы радия.

            Сравним полученный дефект массы с массой протона mр = 938.27 МэВ/с2 ≈ 1.673·10-24 г. = 1,0075 а.е.м. [16]. Дефект массы распада радия составляет порядка 0,337% от массы протона. Таким образом результаты данного примера α-распада хорошо согласуются с теорией дефекта масс в рамках эфиродинамической концепции.

            Рассмотрим приведенную выше проблему Астона (обнаружил потерю в массе каждого протона атома по отношению к массе протона в ядре атома кислорода). Каждый атом вещества характеризуется своим индивидуальным набором протон-электронных пар и нейтронов. В атоме вещества каждая протон-электронная пара уникальна относительно своего радиуса. Соответственно, согласно закона сохранения момента количества вращения, каждая протон-электронная пара атома вещества будет характеризоваться своим индивидуальным значением массы и скорости кругового вращения. Эту особенность атомов вещества и обнаружил Астон. Переход на подсчет дефекта массы не по отношению к “кислородному протону”, а по отношению к массе тех составных частей, из которых построено ядро, не поменял сущности процесса и не исключил погрешность ее определения.

            Сущность проблемы рассмотрим на примередефекта масс атомных ядер (2)

            М  = Zmp + Nmn – m (Z, N).

                В данной формуле (2) в качестве массы протона используется единственное справочное значение [16] и не учитываются изменения массы, обусловленные законом сохранения момента количества вращения. Что приводит к ошибке определения  составляющей формулы Zmp.

            Второй проблемой погрешности является величина массы нейтрона. Существуют два способа определения массы нейтрона: экспериментальный и теоретический. При экспериментальном способе значение массы нейтрона определяется не на основе масс-спектрометрии, а определяется как разность масс нейтрона и протона: mn – mр = (1,29344 ± 0,00007) Мэв, измеренная по энергетическому балансу различных ядерных реакций. [17] Эти измерения дают массу нейтрона примерно на 0,1378 % больше, чем масса протона; рекомендованные значения CODATA 2014 года (в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение):

939,565 420 52(54) МэВ; 1,008 664 915 95(49) а. е. м.; 1,674 927 498 04(95)⋅10−27 кг.

Суть некорректности данных способов измерения заключается в том, что фактически измерена только масса протона атома водорода. В балансе атомных реакций учет только массы протона атома водорода будет давать ошибку, вследствие разницы масс протонов в разных протон-электронных парах.

Кроме того существуют ошибки метода измерения и приборов регистрации. Нейтрон, согласно эфиродинамической концепции, это короткоживущий химический элемент (время жизни свободного нейтрона τn ≈ 890 сек.), который в свободном состоянии трансформируется в свободную протон-электронную пару (атом водорода). Следовательно, масса нейтрона это динамическая характеристика, которая за время жизни будет изменяться от исходной массы нейтрона до массы атома водорода, вследствие изменения радиуса протон-электронной пары.  Поэтому в процессе измерения  важную роль играет момент регистрации массы нейтрона. Нейтрон это протон-электронная пара, у которой электрон находится вблизи от тела протона. Согласно закона сохранения момента количества вращения масса нейтрона должна быть меньше массы свободной протон-электронной пары (атома водорода). Сравнение рекомендованных значений CODATA для масс нейтрона и атома водорода, соответственно 1,008 664 915 95(49) а. е. м.; 1,674 927 498 04(95)⋅10−27 кг и 1,007 825 032 07(10) а. е. м.; 1,6735575⋅10−27  кг,  указывает на превышение массы нейтрона, т. е. на ошибочность его измерения.

Теоретический способ определения массы нейтрона. Так как величина атомной единицы массы выбрана так, чтобы дефект массы для атома изотопа углерода-12, в состав которого входит 12 нуклонов, из которых 6 протонов, был точно равен нулю, то определим массу нейтрона из массы атома изотопа углерода-12:

            mn = (m(Z, N) – Zmpe)/ N,                                                                            (10)

где mpe  – масса атома водорода.

             mn = (12,0 а. е. м. – 6⋅1,007 825 032 07 а. е. м.) / 6 = 0,992174968  а. е. м. или 1,648918 ⋅10−27 кг.

            Оценим теоретические значения массы атомов гелия и радона на основе теоретического значения массы нейтрона. 

             mНе = Zmpe + Nmn  = 2⋅1,007 825 032 07 +  2⋅ 0,992174968  = 4,0 а. е. м.

Согласно справочным  данным  атомная масса гелия: 4,002602 а. е. м. Погрешность теоретического значения составляет 0,0665%.   

             mRn = Zmpe + Nmn  =   86⋅1,007 825 032 07 + 136⋅ 0,992174968  = 221,6084  а. е. м.  

Согласно справочным  данным  атомная масса радона: 222,0176 а. е. м. Погрешность теоретического значения составляет 0,184%. 

            Погрешность между теоретическими значениями атомных масс и справочных данных показывает только на неточность определения исходной величины массы нейтрона и протон-электронных пар. Радиус атома углерода составляет 77,3 пм.  Это радиус внешней протон-электронной пары. Он больше  радиуса свободной протон-электронной пары (атома водорода) 32 пм. Остальные пять протон-электронных пар  атома углерода имеют радиусы меньше радиуса свободной протон-электронной пары. Следовательно, в расчете массы нейтрона не учтены реальные массы протон-электронных пар атома углерода. На сегодняшний день такие данные неизвестны.

            Сравнение погрешности определения массы нейтрона и теоретических масс атомов вещества с величиной дефекта масс, выше полученной, показывает, что  величина дефекта масс значительно меньше погрешностей, как измерений, так и теоретических вычислений. Это указывает или на отсутствие такого дефекта в природе, или  его незначительность в различных радиоактивных явлениях, в том числе  при радиоактивном распаде.

Выводы. Дефект масс это историческая неизбежность, обусловленная  некорректностью представления понятия массы, энергии, их взаимосвязи, несовершенство протонно-нейтронной модели ядра атома, непонимание механизма распада и некорректность измерения массы нейтрона.

            Дефект масс это миф квантово-релятивистской концепции современной физики, вносящий некорректность в реальные процессы ядерной физики.

            В данной работе  представлены результаты применения эфиродинамических моделей элементарных частиц и атомов для раскрытия сущности дефекта масс.

            Показано, что основным законом, на основе которого излагаются представления о дефекте масс, является закон сохранения момента количества вращения, который является универсальным законом существования элементов микромира физической материи.

Литература.

  1. Цитата из работы: “Семиков С.А. Баллистическая теория Ритца и картина мироздания (Концепция материи и света, микромира и Космоса. Альтернатива теории относительности и квантовой физике. Революция в науке и технике). Издание 3-е, перераб. и доп. — Нижний Новгород: Перспектива, 2013. — 612 с.“ c.324.
  2. https://www.kapitza.ras.ru/~glazkov/hse/minor/04.pdf  Глазков В. Н. Введение в квантовую физику. Лекция 4. Что и откуда мы знаем про устройство атома. Волны де Бройля и модель Бора.
  3. Харитон ЮБСборник научных статей / Водопшин А. И. (сост.). — Саров : РФЯЦВНИИЭФ2003. — 450 с.
  4. http://femto.com.ua/articles/part_1/0978.html  Дефект массы.
  5. http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e058.htm  Избыток массы.
  6. Афонин А.М. Физические основы механики: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по техническим направлениям подгот. и специальностям / А. М. Афонин. – Москва : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006 (М. : Изд. группа “Логос”). – 366.
  7. Трофимова Т. И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Таисия Ивановна Трофимова. — 11-е изд., стер. — М.: Издательский центр ≪Академия≫, 2006. — 560 с.
  8. http://www.femto.com.ua/articles/part_1/2157.html  Масса.
  9. Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире. Издание второе. М.: Энергоатомиздат, 2003. 584 с.
  10. Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике. Том 2. Пространство, время, движение. Под ред. Я. А. Смородинского. – М.: Мир, 1965. – 166 с.: ил.
  11. http://nauka2000.com/  Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Физическая сущность постоянной Планка.
  12. http://nauka2000.com/  Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Радиоактивность, что это такое?
  13. http://nauka2000.com/  Лямин В. С.,  Лямин Д. В.  Системный анализ явления радиоактивности.
  14. http://profbeckman.narod.ru/RH0.files/11_2.pdf  Радий.
  15. http://profbeckman.narod.ru/RH0.files/10_2.pdf  Радон.
  16. http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e130.htm  Протон.
  17. https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/080/923.htm Нейтрон.

Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов


1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звёзд6 звёзд7 звёзд8 звёзд9 звёзд10 звёзд (Еще не оценили)
Загрузка...


Вы можете оставить комментарий к записи