1963 - Dewey B. Larson - Electronii

Dewey B. Larson

1963

Cazul Împotriva Atomului Nuclear

CAPITOLUL TREI

Electronii I Este destul de improbabil ca acceptarea ipotezei nucleare a lui Rutherford ar fi fost atât de rapidă și de necritică dacă nu ar fi fost faptul că terenul era deja pregătit pentru o asemenea ipoteză prin descoperirea electronului și a radioactivității, care au arătat (1) că există particule mai mici decât atomul, și (2) că asemenea particule sunt eliminate din atom în procesul de dezintegrare radioactivă. Concluzia că atomul este o structură compozită, realizată din aceste entități subatomice, urmează în mod natural și logic; prin urmare întrebarea la care Rutherford și contemporanii acestuia au încercat să răspundă nu a fost o întrebare generală despre compoziția atomului, răspuns pe care ei îl considerau ca fiind evident, ci întrebarea era despre cum erau electronii și alte particule subatomice aranjate în atom. Totuși, concluzia logică și naturală la prima considerare nu rezistă mereu la o analiză mai deliberată și aprofundată. Argumentul original bazat pe caracteristicile cunoscute ale radioactivității pot fi rezumate astfel: (a) În anumite condiții atomii se dezintegrează (b) Electronii se găsesc printre produsele dezintegrate (c) Prin urmare, electronii sunt constituenți ai atomului La prima vedere acest argument pare a fi corect, iar în anii de formare a ipotezelor nucleare el a fost acceptat fără întrebări. Chiar și astăzi el reprezintă doctrina ortodoxă. Dar adevărata valoare a argumentului poate fi realizată clar prin folosirea unui argument analog în cazul fotonului: (a) În anumite condiții atomii se dezintegrează (b) Fotonii se găsesc printre produsele dezintegrate (c) Cu toate acestea, fotonii nu sunt constituenți ai atomului Aici putem vedea că pe baza exact a acelorași dovezi, fizicienii ajung la concluzii diametral opuse. Deoarece idei preconcepute despre electron sugerează că el ar putea fi un constituent al atomului, evidența din dezintegrare este acceptată ca o dovadă că el este, în timp ce idei preconcepute similare despre foton sugerează că el nu ar putea fi un constituent al atomului, pe baza a exact acelorași dovezi care sunt prin urmare folosite în a arăta ca fotonul a fost creat în procesul de dezintegrare. Practic, desigur, evidențele fizice nu fac distincție între aceste alternative, nici nu exclud posibilitatea ca alte explicații să fie corecte. Ceea ce evidențele arată este că electronul fie: -

a fost un constituent al atomului, sau preexista în, dar nu ca parte a atomului, sau provenea din spațiul înconjurător, sau a fost creat în procesul de dezintegrare provenea din combinații ale celor descrise anterior, sau avea alte origini conforme cu evidențele

Tradus de SaDAng

1

05.04.2015

Dewey B. Larson

1963

Cazul Împotriva Atomului Nuclear

La timpul când atomul a fost inițial conceput, cunoașterea fizică existentă nu era suficient de extinsă încât să permită vizualizarea acestor alternative care au listate. Idea că electronii pot fi creați în unele procese fizice de exemplu, au fost probabil întrutotul de neconceput pentru Thompson și Rutherford. Dar astăzi este un subiect normal. Asemenea creație este practic observată într-o mare varietate de procese, începând cu producerea unei singure perechi electron-pozitron de către un foton energetic și până la producerea unui flux de milioane de particule de către o rază cosmică în principal. Această nouă informație a făcut evident faptul că emisia de electroni din materialele radioactive, nu are neapărat semnificația care i-a fost inițial alocată. Gândirea curentă favorizează ipoteza creaționistă ca fiind cea mai bună explicație a acestui fenomen, iar cărțile încearcă încet și frustrant să incorporeze acest nou punct de vedere. Kaplan ne spune de exemplu “… trebuie concluzionat că în radioactivitatea beta, electronul este creat în actul emisiei”26. Însă aceiași carte care ne indică la pagina 154, această concluzie fundamentată pe evidențele curente, încă repetă la pagina 39 raționamentul complet contradictoriu al secolului al nouăsprezecelea, că emisia electronilor de către materie este “dovada convingătoare că electronii există astfel în interiorul atomului”, și continuă să prezinte teoria atomică bazat în mare pe această idea demodată, ca și cum ar fi fost complet în acord cu cunoașterea reală a zilelor noastre. Aceasta nu este o particularitate doar a acestui text. Orice alt text modern care pe care îl alegem, ne dă practic aceiași imagine contradictorie. De exemplu, o altă carte ne spune “Experimentele de dezintegrare (care au indicat emisa de protoni de către atomi) au furnizat dovezi evidente că protonii sunt componenți ai nucleului tuturor elementelor”27 . Apoi, pe următoarea pagină, textul continua să afirme “Se poate argumenta că dacă un electron poate fi emis dintr-un nucleu, el trebuie să fi existat acolo de dinainte,” dar în ciuda faptului că acesta este exact același argument care este caracterizat ca “dovada certă” pe pagina precedent, aici el este respins cu afirmația “Această soluție… nu poate fi, oricum, admisă”. Aici este un exemplu grafic a ce s-a vrut a zice în capitolul introductiv, când teoria atomică prezentă a fost descrisă ca un amestec curios și contradictoriu a vechilor idei ale ultimei jumătăți de secol cu concluziile actuale. Orice teorie care este atât de confuză încât autorii cărților pot “dovedi” un punct fundamental de importanță majoră pe o pagină, ca apoi să contrazică categoric această dovadă pa pagina următoare, fără ca nimeni să nu spună că există un conflict, are neapărată nevoie de o revizuire. Informația existentă acum face clar faptul că electronul nu este tipul de “cărămida de bază” permanentă care a fost vizualizată în 1911, ci o particulă efemeră care poate fi creată sau distrusă relativ ușor. Recunoașterea acestui fapt ar putea duce la realizarea faptului că nu doar radioactivitatea a încetat să mai fie dovada prezenței electronilor în materie; apariția electronilor în orice proces fizic nu mai poate fi luată ca o indicație că acești electroni existau de dinaintea inițierii procesului. De fapt, majoritatea dovezilor sunt acum puternic în favoarea concluziei că cele mai multe cazuri, ei sunt creați în procesul respectiv, și că într-adevăr acolo unde electronii au o existență anterioară reală, ei există în materie și nu ca parte componentă a atomilor materiei. Această concluzie se aplică nu doar electronilor, dar și sarcinilor electrice în general, indiferent dacă ele pot fi sau nu identificate cu claritate cu prezența sau absența electronilor. Cu un secol în urmă se considera că apariția ionilor pozitivi și negativi, atunci când un material intra într-o soluție, constituia o dovadă clară că sarcinile există de asemenea în substanța nedizolvată, și chiar și astăzi mai găsim cărți de chimie făcând afirmații de genul “Acum noi știm că compușii ionici există ca și ioni chiar și în stările cristaline”28.

Tradus de SaDAng

2

05.04.2015

Dewey B. Larson

1963

Cazul Împotriva Atomului Nuclear

Dar din nou avansul cunoașterii a invalidat concluzia predominantă. S-a descoperit că multe substanțe care formează ioni în soluție, nu au cu certitudine natură “ionică” în solide, și aceiași carte din care a fost luat paragraful anterior, ne spune câteva pagini mai încolo “Dacă ionii nu sunt prezenți într-un electrolit înainte ca acesta să se dizolve, ei trebuie să se formeze din moleculele compusului cât acesta se dizolvă.” Aceasta este cu siguranță același tip de situație pe care am întâlnit-o la întrebarea referitoare la originea electronilor din apariția lor în dezintegrarea radioactivă. Multe substanțe se descompun în ioni, cel puțin parțial, când sunt introdu-se în soluție, iar dacă substanța este de un tip care, conform teoriei curent acceptate, poate fi compusă din ioni în stare solidă, formarea ionilor în soluție este normal interpretată ca o dovadă a faptului că substanța este astfel compusă. Acolo unde există argumente de ce existența ionilor în stare solidă este incompatibilă cu teoria prezentă astăzi, exact aceleași argumente sunt aduse ca dovadă că sarcinile electrice sunt create în procesul de ionizare. Aici din nou, dacă examinăm cu atenție situația, este clar că evidențele fizice nu fac distincție între aceste alternative, dar atât timp cât este necesar să presupunem că unii ioni sunt creați în acest proces, este evident că este foarte posibil, și chiar probabil, că toți ionii sunt creați astfel; adică, acesta este modul în care se formează ionii. Astfel, ipotezele ca ionii exista in solide înaintea soluției nu e doar fără dovada care este susținută; nu e nici măcar cea mai probabilă din explicațiile deja disponibile pentru fenomenele observate. Explicația creării are avantajul distinct că aplică același mecanism de ionizare tuturor substanțelor, în timp ce explicația general acceptată și alternativă necesită două mecanisme diferite. Rezumând cele spuse anterior, este acum evident că electronii, și sarcinile electrice în general, sunt ușor create în procese fizice de diferite tipuri, și prin urmare, emisia de electroni din materie pe durata unor asemenea procese, nu poate fi considerată ca o dovadă, sau chiar ca o evidență corectă că electronii ar fi existat în materie înainte ca procesul să aibă loc.

II În această conjunctură cineva va arăta probabil că, chiar dacă emisia electronilor din materie nu mai poate fi considerată ca o dovadă că electronul este un constituent al materiei, emisia este încă în concordanță cu o asemenea ipoteză, iar o dovadă clară din această sursă nu mai este necesară ținând cont de numărul mare de evidențe care o sprijină existente acum pretutindeni. Adevărul gol goluț este că aceste alte evidențe sunt himere; întreaga istorie a dezvoltării conceptului de electron atomic, este o poveste construită din presupuneri nesusținute clădite unele peste altele, iar fără dovezi clare și pozitive pe care emisia electronilor din materie s-a presupus că le furnizează, întreaga structură se prăbușește. Postulatele originale ale lui Bohr de exemplu, sunt pur și simplu ridicole dacă el trebuie prima dată să presupună că electronul este un constituent al materiei, și apoi să continue postulând caracteristicile comportamentale pentru acești constituenți ipotetici ai atomului, ca fiind diferite de orice observat până atunci. Dacă acțiune lui de abandonare a terenului solid al dovezilor fizice stabilite, și pornirea pe un curs neexplorat al ipotezelor pure poate fi justificată, ceea ce este totuși discutabil, ea poate fi justificată doar în cazul în care el s-a gândit că dovada clară și pozitivă că electronul este un constituent al materiei exista deja, și prin urmare dacă comportamentul acestor electroni ai atomului nu poate fi explicat pe căi normale, era rezonabil să presupună că ei trebuie să urmeze unele legi diferite.

Tradus de SaDAng

3

05.04.2015

Dewey B. Larson

1963

Cazul Împotriva Atomului Nuclear

Atât timp cât există îndoieli dacă electronul este sau nu un constituent al materiei, faptul că electronul atomic nu poate fi reconciliat cu legile fizice cunoscute, este un argument puternic împotriva existenței unei asemenea entități, nu o justificare pentru formularea unor noi legi fizice. Dacă Bohr ar fi fost în 1913 în posesia cunoștințelor experimentale din zilele noastre, incluzând aici bine cunoscutul fapt că electronii sunt entități tranzitorii care pot fi cu ușurință produși sau distruși, ar fi fost fără îndoială evident pentru un savant de competența lui, că motivul pentru inabilitatea lui de a potrivi electronul atomic în cadrul legilor fizice existente, era nu că acest constituent al atomului este guvernat de un set de legi diferite, ci că nu există un asemenea electron în atom. Una din caracteristicile unei teorii fizice corecte este că ea conduce într-un mod ușor și natural, “cu apariția unor anumite inevitabilități” așa cum a spus-o Bridgman, la explicații ale fenomenelor fizice altele decât cele pentru care ea a fost inițial dezvoltată. Teoria cuantică original a lui Planck de exemplu, a fost dezvoltată pentru a explica comportamentul radiației din punct de vedere al distribuției energiei, dar una din primele ei consecințe importante a fost o explicație simplă și logică a efectului fotoelectric: un fenomen total diferit dar apropiat. Similar, ne-am putea aștepta ca, dacă conceptual de electron ca și constituent al materiei ar fi fost valid, ne-ar fi condus ușor și natural la soluțiile altor problem apropiate. Dar întreaga istorie a acestui concept a fost exact opusul. Nimic nu s-a dezvoltat ușor și natural; fiecare pas care a fost făcut, a fost forțat și artificial, și fiecare avans într-un nou teritoriu a fost făcut doar cu sacrificarea unei părți din cunoașterea fizică existentă, în măsura în care aceasta este aplicată atomului. Așa după cum s-a exprimat un observator, “Bohr a rezolvat problema stabilității unui sistem de sarcini electrice aflate în mișcare, simplu postulând că, cauza instabilității… nu exista”29. Nespecialistului, aceasta-i poate părea că implică mai degrabă o redefinire drastică a cuvântului “rezolvare”, dar oricum ar fi, istoria care decurge din atomul lui Bohr și descendenții lui liniari, este o lungă serie de probleme pentru care se pare că nu există altă soluție, decât să se postuleze că ei nu există. Orbitele pe care Bohr le-a postulat pentru electroni, nu pot fi localizate, prin urmare a fost postulat că nu există orbite definite, momentul și poziția teoretică a unui electron nu pot fi reconciliate, și prin urmare a fost formulat un “Principiu al Incertitudinii”, care susține că electronul nu poate avea un moment și o poziție definite în același timp; chiar și cu beneficiul extraordinarului principiu, identificarea poziției s-a dovedit a fi imposibilă, așa că a fost postulat că imposibilitatea era inerentă și că tot ceea ce se putea face mai bine, era să se calculeze probabilitatea ca electronul să se găsească la o anumită locație; unele din consecințele teoretice erau inconsistente cu relația normal cauză-efect, și a fost prin urmare postulat că relațiile cauzale nu operează la nivelul subatomic. Acum, în anii relative recenți, lunga listă de presupuneri și postulate a atins apogeul prin presupunerea, sponsorizată de școala teoretică de la Copenhaga (care reprezintă punctul de vedere “oficial” al teoreticienilor fizicieni actuali), și exprimată de către Heisenberg în pasajul citat anterior, că acest electron atomic nici măcar nu “există obiectiv”. Toate aceste “soluții” la problemele care au apărut în dezvoltarea conceptului de electron ca un constituent al atomului, au modificat desigur foarte drastic caracteristicile electronului atomic. Așa cum a fost inițial conceput atomul nuclear, sarcina negative constituent s-a presupus a fi același electron care este observat experimental. Acest electron experimental este lucru cert și bine definit, în pofida efemerității lui. Îl putem produce la voință prin anumite procese. Îi putem măsura masa, sarcina electrică și viteza.

Tradus de SaDAng

4

05.04.2015

Dewey B. Larson

1963

Cazul Împotriva Atomului Nuclear

Îi putem controla mișcarea și avem metode prin care putem înregistra traiectoria pe care o urmează ca răspuns la aceste controale. În fapt, avem un asemenea precis control asupra mișcării electronului, încât îl putem utiliza ca un mijloc puternic de a produce imagini mărite ale obiectelor care sunt prea mici pentru mărire optică. Pe scurt, electronul experimental este o entitate fizică perfect normală, cu un comportament bine cunoscut. Dar un asemenea electron nu poate nici măcar să înceapă a se potrivi cu cerințele acre au fost stabilite pas cu pas pentru electronul atomic, așa cum conceptul pentru această particulă a fost gradual modificat pentru a “rezolva” o problemă după alta. Electronul atomic, așa cum este el conceput acum, nu este o entitate clară și tangibilă, așa cum este electronul experimental. El nu se conformează legilor fizice uzuale, așa cum o face electronul experimental, ci are unele caracteristici comportamentale unice și fără precedent, incluzând aici o stranie și complet inexplicabilă abilitate de a sări de la o orbită la alta (sau să facă ceva complet de neînțeles, care are același efect) fără un motiv real, și astfel apare ca fiind complet imun la toate limitările fizice. Putem avea de-a face cu el doar sub formă statistică, și chiar și atunci, așa cum indică și Herbert Dingle, putem face efective metodele noastre statistice despre asemenea particule “doar prin atribuirea particulelor de proprietăți neavute de nici un alt obiect imaginabil”30. Mai mult, așa cum s-a menționat deja, teoreticienii de vârf din zilele noastre, ne spun că electronul atomic nu se poate potrivi în cele trei dimensiuni ale spațiului fizic; el trebuie simplu privit ca un simbol mai degrabă, decât o particulă reală obiectivă. Având în vedere acest lucru, că electronul atomic nu mai are nici chiar o asemănare îndepărtată cu electronul experimental, este evident absurd să se continue fundamentarea teoriei fizicii pe ficțiunea că cei doi sunt identici. Concluzia anterioară că nu există nici o dovadă că electronul este un constituent al tomului trebuie prin urmare să fie extinsă și să se afirme în mod special, că electronul așa cum este el cunoscut experimental nu este cu certitudine un constituent al atomului. Constituentul atomic ipotetic cu sarcină electrică negativă, care momentan împarte numele de “electron” cu particula experimentală, este ceva de un caracter cu totul diferit, o creație pur teoretică, nerelaționată la nimic care a fost vreodată observat, el însuși neputând fi observat: un “lucru abstract, nemaiputând fi intuit în termenii aspectelor familiare ale experienței de zi cu zi”31, așa după cum îl descrie Margenau.

III Ar trebui subliniat că concluzia anterior formulată – concluzia că sarcina negativă constituentă a atomului (dacă există un asemenea constituent) este o entitate pur ipotetică și fără legătură cu electronul experimental – nu este un lucru care a fost dezvoltat în această muncă, sau care depinde în vre-un fel de vre-unul din argumentele prezentate aici. Este simplu o consecință necesară al unui fapt evident, că fizicienii moderni au ales să ignore: faptul că două entități fizice nu sunt identice dacă au o mică sau deloc asemănare între ele. Dacă teoreticienii doresc să susțină că constituenții ipotetici negativi al atomului sunt identici cu particulele observate experimental pe care noi le numim electroni, ei trebuie să accepte doar cu nu mai mult decât modificări rezonabile și justificate de către mediu, proprietățile electronilor experimentali; dacă consideră necesar să investească constituenții lor atomici ipotetici cu un set de proprietăți total diferite, atunci nu-i pot identifica cu electronii experimentali. Chiar și fizicienilor, cărora în aceste zile li se permite să “scape cu crima”, așa după cum s-a exprimat James R. Newman, trebuie să li se ceară se conformeze cu câteva din regulile elementare ale logicii.

Tradus de SaDAng

5

05.04.2015

Dewey B. Larson

1963

Cazul Împotriva Atomului Nuclear

Ani lungi de efort au convins fizicienii teoreticieni că prima alternativa, construcția unui atom în care electronul experimental este constituentul cu sarcină electrică negativă, este imposibilă. După cum s-a demonstrate mai devreme în această discuție, conceptul de nucleu compus în întregime sau parțial din dintr-un grup de particule cu sarcină electrică pozitivă, este de asemenea de neconceput în lumina cunoașterii zilelor noastre. Presupunerea (2) din lista anterior dată este prin urmare invalidă; adică dacă atomul este construit din “părți”, aceste părți nu sunt particule subatomice cunoscute; ele sunt concept pur teoretice pentru care nu există evidențe experimentale independente. Aceasta este o pastilă greu de înghițit: o concluzie pe care lumea științifică o va găsi foarte greu de acceptat, no doar din cauză că invalidează multe din îndrăgitele idei și concepte ale fizicii moderne, dar de asemenea deoarece ea se află în conflict direct cu aparenta deducție logică și naturală care se trage imediat din existența radioactivității. Conceptul original al atomului a fost că el este ultima particulă indivizibilă a materiei; cuvântul atom practic însemnând indivizibil. Dar descoperirea radioactivității a arătat că atomul nu este indivizibil, și că acesta este un proces al dezintegrării, în care sunt eliminate particule iar atomul original se transformă într-unul diferit, de alt tip. Concluzia naturală care se trage din această nouă cunoaștere – concluzie care a fost trasă atunci când cunoașterea a fost nouă, și care este încă unul din principalii susținători pentru teoria curentă a atomiștilor – este că atomul este o structură complexă compusă din particule subatomice. Validitatea acestei concluzii în aspectele ei generale va fi discutată mai târziu. Pentru moment avem de a face doar cu întrebarea legată de natura acestor particule. Așa cum este natural să se concluzioneze că existența procesului de dezintegrare radioactivă dovedește că atomul este compus din părți individuale, la fel este natural este să se concluzioneze că particulele emise din atom în procesul dezintegrării sunt părțile din care este compus atomul. De fapt, această concluzie pare să fie implicită în primul caz. Dar această a doua aparent naturală și evidentă concluzie, se dovedește a fi total eronată. Trei tipuri de particule sunt emise la dezintegrarea atomului, iar cunoașterea existentă indică că nici una din acestea trei exista sub forma respectivă în atom, înainte de dezintegrare. Particulele alfa sunt atomi de heliu încărcați pozitiv, și s-a înțeles repede că ei nu pot fi “cărămizile primare” ale atomului; opinia zilelor noastre, așa cum s-a observat anterior, este că particulele atomice, care sunt electroni, sunt create în procesul dezintegrării; iar particulele gama (dacă extindem definiția de “particulă” destul de mult pentru a le include) sunt fotoni, unități de radiație, și care au fost mereu considerați ca fiind produsul dezintegrării, nu ca entități preexistente. Aceasta aruncă o lumină complet diferită asupra imaginii de ansamblu. Dacă am fost capabili să arătăm că particulele emise de atom au fost de un asemenea caracter încât să se poată concluziona logic că ele au fost “cărămizile primare” din care este construit atomul, atunci putem lua ca fiind corect că radioactivitatea furnizează o explicație satisfăcătoare a naturii generale a structurii atomului. Dar fizicienii nu pot și nu susțin că aceasta este adevărat, când filtrăm afirmațiile lor descoperim că ei în esență, avansează afirmația curioasă că emisia anumitor particule din atom pe durata dezintegrării radioactive este o dovadă că atomul este construit din alte particule. Aceasta este foarte departe față de concluziile care par atât de naturale și logice ale primei considerări a fenomenului radioactivității. Poziția prezentă a fizicienilor nu este nici naturală, nici logică, și distruge întreaga forță a argumentului original. Nu doar că lasă complet în aer întrebarea asupra identității constituenților atomului, dar faptul că a fost necesară concluzionarea că toate particulele emise de către atomul radioactiv sunt create în procesul de dezintegrare, ridică de asemenea câteva întrebări serioase despre validitatea presupunerii de bază, cum că atomul este compus din “părți”.

Tradus de SaDAng

6

05.04.2015

Dewey B. Larson

1963

Cazul Împotriva Atomului Nuclear

În orice caz, acum este evident că electronul sau orice altă particulă care este propusă ca un constituent atomic va trebui să stea pe propriile picioare, fără nici un alt sprijin din partea radioactivității. Concluziile anilor 1990 din potrivă vor trebui să fie rescrise în lumina cunoașterii moderne, indiferent de cât de șovăitor vor face teoreticienii acest pas. Din punctul de vedere pe care avansul în cunoașterea experimentală ni la dat, afirmația din cărți cum că “emisia de electroni din atomi este dovada convingătoare că electronii există în interiorul atomilor”, trebuie rescrisă pentru a se citi “Crearea electronilor în procesele fizice cum este radioactivitatea este o dovadă convingătoare că electronii există în interiorul atomilor”, ceea ce desigur o reduce la absurd. Dacă electronul este susținut ca fiind un constituent atomic, atunci va trebui să fie concepută o imagine coerentă al unui atom construit în întregime sau în parte din electroni, și așa după cum a fost evidențiat mai devreme în discuție este acum admis faptul că aceasta nu se poate face, dacă electronul atomic are proprietățile electronului care este observat experimental. Prin urmare, am ajuns înapoi la faptul că dacă există un constituent cu sarcină electrică negativă al atomului, acesta nu este electronul observat experimental; este o particulă pur ipotetică de o natură complet diferită. În acest punct, atunci, putem spune că atomul nuclear, așa cum este el conceput acum, este o imposibilitate. S-a arătat că cele două aspecte pe care se bazează teoria nucleară în furnizarea validității presupunerilor ei fundamentale, nu doar că nu furnizează nici o asemenea dovadă când sunt analizate cu atenție, ci practic furnizează argumente puternice împotrivă. S-a arătat de asemenea că fără dovada pe care aceste două aspecte, radioactivitatea și experimentele de împrăștiere ale lui Rutherford, se presupune că le furnizează, întreaga structură a teoriei atomice se prăbușește. Fiecare din cele opt mari presupuneri al acestei teorii, așa cum au fost ele listate anterior, se răstoarnă în această prăbușire generală, exceptând presupunerea (1) pe care încă nu am considerat-o. Cea mai eretică concluzie? Probabil că da. Dar să considerăm următoarea afirmație a lui Erwin Schrodinger, unul din principalii arhitecți ai teoriei fizice moderne, care cu greu poate fi clasificat ca un savant eretic, și întrebați-vă voi înșivă dacă el nu spune exact același lucru în cuvinte mult mai prudente: Odată ce devenim conștienți despre această stare de lucruri, la întrebarea epistemiologică: “Electronii există cu adevărat pe aceste orbite în interiorul atomului?” se răspunde cu un decisiv NU, cu excepția cazului în care preferăm să spunem că punerea întrebării în sine nu are absolut nici un sens. Într-adevăr se pare că nu există mult sens, în a întreba despre existența reală a ceva, dacă cineva este convins că dacă efectul prin care acel lucru se manifestă pe el însuși, în cazul în care există, este cu certitudine neobservat. În ciuda imensului progres pe care îl datorăm teoriei lui Bohr, consider că este foarte regretabil că lunga și fructuoasa folosire a acestui model a tocit delicatețea simțurilor noastre teoretice cu referire la astfel de întrebări. Nu trebuie să ezităm să ni le ascuțim din nou, ca nu cumva să fim într-o prea mare grabă să ne auto mulțumim cu noile teorii, care acum înlocuiesc teoria lui Bohr, și cred că ne-am atins scopul, care este într-adevăr încă foarte îndepărtat.32

Tradus de SaDAng

7

05.04.2015

Dewey B. Larson

1963

Cazul Împotriva Atomului Nuclear

REFERINȚE 26 - Kaplan, Irving, Nuclear Physics, Addison-Wesley Publishing Co., Cambridge, Mass., 1955, page 154. 27 - Jones, Rotblat and Whitrow, op. cit., page 34. 28 - Sisler, Vanderwerf and Davidson, General Chemistry, The Macmillan Company, New York, 1919, page 316. 29 - Kaplan, Irving , op. cit., page 140. 30 - Dingle, Herbert, A Century of Science, Hutchinson's Publications, London, 1951, page 315. 31 - Margenau, H., Quantum Theory, Vol. I, edited by D. R. Bates, Academic Press, New York, 1961, page 6. 32 - Schrodinger, Erwin, Science and the Human Temperament, W. W. Norton & Co., New York, 1935, page 124.

Tradus de SaDAng

8

05.04.2015

8-41 1

-

.

*

-

THE PROTON-NEUTRON HYPOTHESIS

191

particle was found to be neutral and to have a mass close to unity, it was identified with Rutherford's neutron. Later measurements have shown that the mass of the neutron is 1.00898 amu, so that it is slightly heavier than the proton, with a mass of 1.00758 amu. 8-4 The proton-neutron hypothesis. The discovery of a particle, the neutron, with an atomic weight very close to unity and without electric charge, led to the assumption that every atomic nucleus consists of protons and neutrons. This hypothesis was used for the first time as the basis of a detailed theory of the nucleus by Heisenberg in 1932. Under the protonneutron hypothesis, the total number of elementary particles in the nucleus, protons and neutrons together, is equal to the mass number A of the nucleus; the atomic weight is therefore very close to a whole number. The number of protons is given by the nuclear charge 2,and the number of neutrons is A - 2. The new nuclear model avoids the failures of the protonelectron hypothesis. The empirical rule connecting mass number and nuclear angular momentum can be interpreted as showing that the neutron, as well as the ~jroton,has a half-integral spin; the evidence is now convincing that the spin of the neutron is indeed ) h / 2 ~ . If both proton and neutron have spin ) then, according to quantum theory, the resultant of the spins of A elementary particles, neutrons and protons, will be an integral or halfintegral multiple of h / 2 r according to whether A is even or odd. This conclusion is in accord with all the existing observations of nuclear angular momenta. The value of the magnetic moment of the neutron is close to -2 nuclear magnetons; it is opposite in sign to that of the proton, but not very different in magnitude. The values for both the proton and neutron are consistent with those measured for many different nuclei. Finally, since the mass of the neutron is very close to that of the proton, the argument showing that protons can be contained within the nucleus is also valid for neutrons. The neutron-proton hypothesis is consistent with the phenomena of radioactivity. Since there are several reasons why electrons cannot be present in the nucleus, it must be concluded that in pradioactivity, the electron is created in the act of emission. This event is regarded arj the result of the change of a neutron within the nucleus into a proton, an electron, and a new particle called a neutrino, and both experimental and theoretical evidence offer strong support for this view. In Pradioactivity, then, the nucleus is transformed into a different one with one proton more and one neutron less, and an electron is emitted. An aparticle can be formed by the combination of two protons and two neutrons. It may exist as such in the nucleus, or it may be formed at the instant of emission; the latter possibility is now regarded as more likely.

CHAPTER 3

THE NUCLEAR ATOM

-

3-1 The Thomson atom. The discovery of radioactivity, together with Thomson's proof of the independent existence of the electron, provided a starting point for theories of atomic structure. The fact that atoms of a radioactive element are transformed into atoms of another element by emitting positively or negatively charged particles led to the view that atoms are made up of positive and negative charges. If this view is correct, the total negative charge in an atom must be an integral multiple of the electronic charge and, since the atom is electrically neutral under normal conditions, the positive and negative charges must be numerically equal. The emission of electrons by atoms under widely different conditions was convincing evidence that electrons exist as such inside atoms. The first modern theories of atomic structure were, therefore, based on the hypothesis that atoms are made up of electrons and positive charges. No particular assumptions could be made about the nature of the positive charges because the properties of the positive particles from radioactive substances and from gas discharge tubes did not have the uniformity shown by the properties of the negative particles. Two important questions then arose: (I) how many electrons are there in an atom, and (2) how are the electrons and the positive charges arranged in an atom? Information about the first question was obtained experimentally by studying the way in which x-rays interact with atoms, and this problem will be treated in some detail in the next chapter. I t will suffice, for the present, to state that early experiments of this kind indicated that the number of electrons per atom is of the order of the atomic weight. It was known that the mass of an electron is about one twothousandth of the mass of a hydrogen atom, which has an atomic weight very close to unity. Hence, the total mass of the electrons in an atom is only a very small part of the mass of the atom, and it was logical to assume that practically the entire mass of an atom is associated with the positive charge. I n the absence of information about the way in which the positive and negative charges are distributed in an atom, Thomson proposed a simple model. He assumed that an atom consisted of a sphere of positive electricity of uniform density, throughout which was distributed an equal and opposite charge in the form of electrons. I t was remarked that the atom, under this assumption, was like a plum pudding, with the negative 51

84

Atoms and the universe

The determination of the atomic weights of individual isotopes revealed the amazing fact that they were all very nearly integral numbers, that is to say, that they could be expressed as almost exact multiples of the atomic weight of hydrogen. Thus, for example, chlorine, which has an atomic weight of 35-457, was found to be a mixture of two isotopes, one of which has an atomic weight of 34-978 and the other 36-977; similarly copper was found to have two isotopes of atomic weights nearly 63 and 65. This discovery brought back to life the old hypothesis of Prout in a slightly modified form; it has now become possible to assume that the nuclei of all elements are built up of the nucleus of the hydrogen atom. This nucleus, which carries one elementary posi tive charge, was given the name 'proton'. Although this assumption was very attractive, it would have been little more than a hypothesis without direct proof that protons are indeed present in nuclei of other elements. This proof was given by Rutherford in an epoch-making experiment in 1919, in which he effected the disintegration of the nitrogen nucleus, the first man-made transmutation of elements. Ruther ford bombarded nitrogen atoms with a-particles from radioactive substances and demonstrated that protons were emitted as a result of the disintegration. Later, similar experiments were car ried out with other elements and in these cases too the emission of protons was established beyond doubt. Thus, definite evidence was obtained that protons enter into the structure of nuclei of other elements and that, therefore, the proton is an elementary particle of matter. The neutron experiments provided definite proof that protons are components of nuclei of all elements, but protons by themselves are not sufficient to make up a nucleus. This can be seen clearly when one considers the relationship between atomic number and atomic weight of any element. Oxygen, for example, occupies the eighth place in the Periodic Table. This means that the atom of oxygen contains 8 electrons revolving round its nucleus, and consequently the nucleus of oxygen must contain 8 positive charges, i.e. 8 protons. On the other hand, the atomic

The disintegration

Elementary particles

35

weight of oxygen is 16, which means that the nucleus is 16 times heavier than the hydrogen atom, and so would require the pres ence of 16 protons. How can we account for this discrepancy? The simplest way is to assume that in addition to the orbital electrons there are some electrons in the nucleus. Thus, the nucleus of oxygen might consist of 16 protons and 8 electrons. The 8 electrons would neutralize 8 positive charges of the protons, making an effective charge of 8, while the total mass would still be 16 since the electrons hardly contribute to the weight. In a similar way, the charge and mass of all other nuclei could be explained by assuming that apart from protons they contain a certain number of electrons. The existence of electrons in the nucleus is seemingly also supported by the fact that some of the radioactive elements emit electrons when they break up. It might be argued that if an electron can be emitted from a nucleus, it must have been there before. In this way the whole problem of the structure of matter became greatly simplified. All matter could be assumed to be built up of only two particles, protons and electrons. This solu tion, though attractive in its simplicity, as it brought down the number of components of matter to a minimum, could not, how ever, be upheld, and a number of flaws were soon found in it. The main objection was the assumed presence of electrons in the nucleus. As the development of nuclear physics proceeded, more and more experimental and theoretical evidence accumulated, which was at variance with this simple scheme, and which par ticularly contradicted the idea that electrons were present in the nucleus. One of these difficulties can be explained by means of the following example of the nucleus of nitrogen. Nitrogen has atomic number 7 and atomic weight 14. We would, therefore, have to assume that its nucleus contains 14 protons and 7 elec trons, altogether 21 particles. On the other hand, from the mole cular spectrum of nitrogen, as well as from other evidence, it appears that the nucleus of nitrogen must contain an even number of particles. Perhaps the strongest argument against the existence of elec trons in the nucleus is of a theoretical nature. One can calculate the magnitude of the force needed to confine the negatively

140

ATOMIC SPECTRA AND ATOMIC STRUCTURE

[CHAP.

7

a transition is homogeneous, and its frequency v is determined by the relation h ~ =Wl - w21 (7-7) where h is Planck's constant and W 1and Wa are the energies of the system in the two stationary states. 3. The dynamical equilibrium of the system in the stationary states is governed by the ordinary laws of mechanics, but these laws do not hold for the transition from one state to another. 4. The different possible stationary states of a system consisting of an electron rotating about a positive nucleus are those for which the orbits are circles determined by the relation

where p is the angular momentum of the electron, h is Planck's constant, and n is a positive integer, usually called the quantum number. These postulates are a combination of some ideas taken over from classical physics together with others in direct contradiction to classical physics. Bohr solved the problem of the stability of a system of moving electric charges simply by postulating that the cause of the instability, the emission of radiation, did not exist so long as the electron remained in one of its allowed, or stationary orbits. The emission of radiation was associated with a jump of the system from one stationary state (energy level) to another, in accordance with the ideas of Planck's quantum theory. Also, the laws of classical mechanics were presumed to be valid for an atomic system in a stationary state, but not during a transition from one such state to another. Finally, the fourth postulate, which separates the allowed orbits of the electron from the forbidden ones by means of the quantum condition, Eq. (7-8), has been shown to be in harmony with Planck's condition for the energy of an oscillator. The angular momentum is said to be qwmlized in these orbits. Thus, Bohr's theory is a hybrid, containing some classical ideas and some quanta1 ideas. The justification for the postulates was the astonishing success of the theory in accounting for many of the experimental facts about atomic spectra. But, as will be seen later, the hybrid nature of the theory eventually led to serious difficulties. Starting with Bohr's postulates, we can calculate the values of the energy that correspond to the stationary states of an atom consisting of a nucleus and a single electron. Consider an atom with nuclear charge Ze, where Z is the atomic number and e is the magnitude of the electronic charge in electrostatic units. If Z = 1, the atom is the neutral hydrogen atom; for Z = 2, the system is the singly ionized helium atom He+; for Z = 3, the system is the doubly ionized lithium atom Li++

.

.

.

-

THE SIGNIFICANCE OF SCIENCE that predicted the observable.

315

But the time was not then

ripe for

such a revaluation. There was nothing contradictory in supposing that the unobservable was real and so physicists went ahead correlating experiences and paying lip-service to the supposed to be discovering.

world they were

The developments of this century have strained this artifice to the field of

statistical relations

the

has extended

breaking-point. First, from the properties of gases over almost, if not quite, the whole scope of physics. All observable physical knowledge now appears to be statistical, so that the 'real' causal world lying behind itself

unknown. Secondly, it is not only unknown but unknowable. By an analysis of the processes of

it

turns out to be completely

observation that Einstein's discovery impelled physicists to undertake, it has been found that the means of observing the position of a molecule, or any other of the elementary constituents of the 'real' world, necessarily interferes with the means of observing its motion, so that an exact knowledge of these two properties, which is necessary to enable the future behaviour of the particle to be determined, can never in the nature of things be obtained. (This is known as Heisenberg's Uncertainty Principle.) Thirdly, the 'real'

only unknown and unknowable but

world

inconceivable

that

is is

not to

when we apply our approved statistical methods to the particles in order to calculate what we can observe, there are some departments of physics in

say, contradictory or absurd. For

it

which those methods break down. only by ascribing to the objects at all.

imaginable course of their

in the

nothing has happened.

turns out that

We

can make them effective

particles properties

For instance,

not possessed by any

we must

suppose that when, motions, two particles change places, It will not do to describe the; second

situation as exactly like the first; that leads to the wrong result. must describe it as actually the same situation, and treat it

We

statistically

as

one and not two possible arrangements of the

particles.

Collapse of the Nineteenth-Century Philosophy of Science The nineteenth-century 'real' world, then, has been forced,

by

the natural extension of scientific practice, from the foreground of our inquiry into the inaccessible background, where it has become

6

Η. MARGENAU

(4) Millikan's celebrated oil drop experiment, which led to a determination of the electron's charge. (5) Wilson cloud chamber tracks bespeak the particle nature of electrons. 1.1.2

Evidence for believing that electrons are waves.

(1) Louis de Broglie's epoch making result which assigned a wavelength λ to a moving electron. His analysis led to the well known formula λ = hjmv, h being Planck's constant, m the mass and ν the velocity of the electron. (2) The Davisson-Germer experiment of 1927 which showed by studying the diffraction pattern of electrons reflected from a nickel surface, that electrons do have wavelengths in agreement with the de Broglie formula. (3) The formation of diffraction rings upon the passage of electrons through metal foils (G. P. Thomson, 1928). (4) Diffraction of electrons by means of optical gratings (Rupp, 1929). The wavelengths obtained from all these diffraction phenomena confirmed de Broglie's formula. (5) Polarization of electrons.

The attribute formerly regarded as the

spin revealed itself as wholly analogous to the polarization of light waves. Thus it appeared that the electron possesses all the normal attributes of waves. Three types of attitudes have been adopted to this so-called "dualism" of the nature of electrons. The first affirms that the electron has both cor­ puscular and undulatory properties simultaneously, much in the manner of Newton's photons which were particles guided by a wave-like disturbance. This "guiding w a v e " theory of electrons found expression in the early writings of Schrödinger and de Broglie. A second possible answer, propagated through the more popular and elementary literature, holds that the electron is some­ times a wave.

In different experiments, the electron manifests different

qualities of existence. This view likewise is no longer held. The third answer is that electrons are neither particles nor waves.

They are entities which,

because of their inaccessibility to immediate observation, have properties which do not allow themselves to be cast into intuit able or visual forms. According to this third position, which is most widely held today and is in harmony with the formalism of the quantum mechanical theories to be developed, an electron is an abstract thing, no longer intuitable in terms of the familiar aspects of everyday experience, but determinable through formal procedures such as the assignment of mathematical operators, observables, states, and so forth.

In sum, the physicist, while still fond of mechanical

models wherever they are available and useful, no longer regards them as

Science

and

the

Human Temperament

indeed quite independently of the question whether or not one considers it possible to obtain such an exact field registration of the individual atom. Not only do the orbits themselves not obey "the ordinary laws of electrodynamics", but the field totally different

is

also

from what might be expected.

It

made up

of quite other frequencies than the frequencies of electron revolutions are supposed to be. The average effect resulting from the co-operais

tion of many atoms suffices to reveal this discrepancy, which was admitted in Bohr's theory from the very start.

Once we have become aware of this state of affairs, the epistemological question: "Do the electrons really exist on these orbits within the atom?" is to

be answered with a decisive No, unless we prefer to say that the putting of the question itself has

absolutely no meaning. Indeed there does not seem to be much sense in enquiring about the real

convinced that the effect through which the thing would manifest itself, in case it existed, is certainly not observed. Despite the immeasurable progress which we owe to Bohr's theory, I consider it very regrettable that the long and successful handling of its models has blunted our theoretical delicacy of feeling with reference to such questions. We must not hesitate existence of something,

if

one

is

to sharpen it again, lest we may be in too great haste to content ourselves with the new theories

which are now supplanting Bohr's theory, and believe we have reached the goal which indeed is still

that far

away.

124