|
|
В.А. Шашлов
Атомные ядра имеют структуру квазикристаллов: все составляющие ядро нуклоны занимают фиксированное положение в ячейках квазикристаллической решетки, образованной наложением граней правильных тетраэдров.
Цель работы
Работа имеет своей целью изложить основы новой модели атомного ядра, в которой нуклоны имеют форму одностороннего трилистника, а ядра образуются в результате объединения вершин лепестков данных трилистников.
Содержание работы
В первом разделе описана модель нуклона, в которой нуклон имеет форму одностороннего трилистника, в вершинах лепестков которого расположены кварки.
Во втором разделе изложен алгоритм построения атомных ядер путем объединения кварков, находящихся в вершинах лепестков односторонних трилистников.
В третьем разделе указаны пути проверки новой модели ядра, и создания новых источников ядерной энергии на основе реакций синтеза при нормальной температуре.
I. Строение нуклона
Стандартная модель представляет нуклон в виде шарика размером r ~ 0,86 Фм, в котором с ультрарелятивистскими скоростями движутся 3 кварка, удерживаемые за счет обмена глюонами, являющимися переносчиками сильного (цветного) взаимодействия.
Примечание 1. Ускорения, которое испытывают кварки при таком движении, чрезвычайно велики: каким образом кварки выдерживают такие ускорения, – Стандартная модель «умалчивает».
Примечание 2. По мнению автора, данная модель чрезвычайно сложна, чтобы быть правильной, – Субстанция вполне способна «придумать» нечто более простое.
В этом разделе предлагается модель, в которой кварки не имеют возможности двигаться по всему объему нуклона, располагаясь в фиксированных участках, где совершают колебательное движение.
Еще одной характерной особенностью данной модели является отказ от гипотезы о существовании глюонов: в модели вообще отсутствует цветное взаимодействие.
Итак, основные отличия предлагаемой модели от существующей модели нуклона сводятся к 2м пунктам:
1. изменяется характер расположения и движения кварков внутри нуклонов,
2. глюоны исключаются из числа составляющих нуклоны элементов.
В основу новой модели нуклона положена хорошо известная в проективной геометрии 3-х лепестковая поверхность: односторонний трилистник, который носит наименование «поверхность Боя». Основное утверждение данной работы: кварки представляют собой лепестки поверхности Боя.
Поверхность Боя обладает тем свойством, что лепестки являются ее неотъемлемой частью: их невозможно отделить от поверхности. Учитывая указанное свойство, естественно предположить, что именно поверхность Боя служит жестким кором нуклонов (равно как и всех остальных адронов), а лепестки выполняют функцию кварков.
Данная гипотеза дает наиболее естественное объяснение конфайнмента кварков: кварки невозможно выделить из адронов, поскольку лепестки невозможно оторвать от поверхности Боя.
Примечание 1. Понимание природы конфайнмента не требует введения цветного взаимодействия: конфайнмент представляет собой геометрическое свойство поверхности Боя, являющейся центральным кором адронов.
Примечание 2. Лепестки одностороннего трилистника можно мысленно покрасить в красный, зеленый и синий цвета, после чего заявить, что лепестки не могут удалиться друг от друга вследствие обмена двуцветными глюонами, однако, не проще ли признать, что лепестки обладают данным свойством без какого-либо взаимодействия?
Поверхность Боя не является объектом обычного, физического пространства: она не может быть вложена в 3-мерное евклидово пространство без самопересечений. Однако, наряду с евклидовым пространством, в природе существует более фундаментальное проективное RP3-пространство: именно этому пространству принадлежат поверхности Боя, которые служат жесткими корами адронов.
Примечание. О роли проективных пространств в строении Мироздании и связи этих пространств с физическим пространством-временем см. [1].
В состав нуклона, как всех остальных частиц материи, кроме центрального кора, входит связка проективных RP1-прямых. Эта связка наделяет частицы массой, зарядом и спином, а также является носителем взаимодействий, в которых участвуют частицы [2,3].
Центр связки RP1-прямых совмещен с тройной точкой поверхности Боя (это единственная общая точка 3-х лепестков одностороннего трилистника).
RP1-прямые выполняют функцию электрических силовых линий, а связка прямых порождает единичный (элементарный) заряд. При распределении связки по трем лепесткам поверхности Боя, с каждым лепестком оказывается связанной 1/3 или 2/3 доля связки, что соответствует кварковым зарядам с абсолютной величиной 1/3 и 2/3.
Формирование кварковых зарядов аналогично образование фокуса собирающей линзы: аналогом световых лучей служат RP1-прямые. Лепестки являются сильно выпуклыми, поэтому фокусы образуются вблизи вершин лепестков. Это означает, что кварковые заряды располагаются в непосредственной близости от вершин лепестков поверхности Боя.
В данной модели находят объяснение основные свойства нуклонов:
1. наличие в нуклоне 3-х кварков: каждый кварк образован на основе одного из 3-х лепестков поверхности Боя,
2. наличие у кварков дробных зарядов, кратных 1/3.
3. природа конфайнмента: кварки не могут покинуть нуклон, поскольку лепестки невозможно отделить от поверхности Боя.
Веским аргументом в пользу истинности предлагаемой модели нуклона является вычисление аномальных магнитных моментов нуклонов (эта задача оказалась «не по зубам» Стандартной модели). В проективной модели нуклоны приобретают магнитные моменты благодаря вращению одноименно заряженных кварков вокруг непарного кварка, спин которого задает вращение нуклона, как целого [4].
Примечание. Необходимо лишь учесть, что спины одноименных кварков образуют «пару спинов», которая также дает вклад в магнитный момент.
Проективная модель нуклона позволяет дать иную интерпретацию силам, которые скрепляют нуклоны в ядра. Для объединения нуклонов в ядра не требуется сильное взаимодействие: его функцию выполняет обычное кулоновское взаимодействие, усиленное за счет того, что кварковые заряды соседних нуклонов сближаются на расстояние в сотые доли Фм. Возможность столь тесного сближения обусловлена расположением кварковых зарядов в вершинах лепестков: для возникновения сильного взаимодействия достаточно, чтобы нуклоны оказались друг от друга на расстоянии, равном их радиусу, и повернулись друг к другу хотя бы одним из 3-х лепестков.
Несложные расчеты показывают, что требуемая для объединения нуклонов в ядра удельная энергия нуклонов, равная 8 Мэв, достигается, когда расстояние между кварковыми зарядами соседних нуклонов составляет всего 1/30 от радиуса нуклона, т.е. ~ 0,03 Фм (расчеты приведены в ранних работах на сайте «Академия Тринитаризма» [5]).
Приведенные соображения показывают, что атомные ядра действительно могут образовываться за счет кулоновского притяжения кварковых зарядов при сближении этих зарядов на достаточно малые расстояния. В следующем разделе показано, каким образом реализуется данная возможность: описан алгоритм образования атомных ядер в результате объединения кварковых зарядов соседних нуклонов.
Примечание 1. Для простоты, термин «кварковые заряды» будем заменять на термин «кварки», а области ядра (узлы квазикристаллической решетки), где собраны n штук u-кварков и m штук d-кварков, будем именовать (n,m)-узлами.
Примечание 2. Еще одно упрощение касается формы нуклонов. Сложную для восприятия поверхность Боя заменим на прямоугольный тетраэдр, у которого все 3 угла при одной вершине являются прямыми, а противоположная грань (основание тетраэдра) конгруэнтна треугольнику, вершины которого совпадают с вершинами лепестков поверхности Боя. Прямоугольный тетраэдр достаточно хорошо передает форму нуклона в обычном физическом пространстве.
II. Конструкция атомных ядер
Для наглядного представления структуры атомных ядер, введем еще одну вспомогательную конструкцию: ядерный каркас, образованный путем наложения граней правильных тетраэдров. Указанный размер правильных тетраэдров позволяет им служить ячейками, в которые могут быть вставлены прямоугольные тетраэдры-нуклоны. Тетраэдр-нуклон можно вставить в ячейку одним из 4-х способов, совместив основание тетраэдра-нуклона с одной из 4-х граней правильного тетраэдра.
Ядерный каркас строится следующим образом. Берется правильный тетраэдр (нулевая ячейка), и к каждой из 4-х граней нулевой ячейки прикладываются грани 4-х таких же тетраэдров. Эти 4 тетраэдра составляют первый слой ячеек ядерного каркаса.
Затем к 3*4 = 12 свободным граням ячеек первого слоя прикладываются 12 точно таких же правильных тетраэдров, которые составят второй слой ячеек.
При построении 3его слоя, в данном каркасе появляются пустоты: третий слой будет содержать не 3*12 = 36 тетраэдров, а всего 2*12 = 24 тетраэдров: к 12 граням тетраэдров второго слоя новые тетраэдры невозможно присоединить, поскольку этому будут мешать уже присоединенные тетраэдры.
Примечание. Это – опытный факт, установленный еще древними греками.
Однако наличие пустот не мешает продолжить описанный алгоритм для построения 4ого, 5ого и последующих слоев: свободные грани на внешней поверхности ядерного каркаса всегда будут иметься в наличии. Естественно, с каждым новым слоем объем пустот будет становиться все больше, а каркас – все более неустойчивым. Именно это является главной причиной нестабильности сверхтяжелых ядер.
Каждое ядро получается путем встраивания нуклонов в ячейки ядерного каркаса. Поскольку все 3 кварка расположены вблизи вершин основания тетраэдра-нуклона, то при таком встраивании, все кварки автоматически оказываются расположенными вблизи узлов ядерного каркаса. В результате, в каждом из узлов собирается n штук u-кварков и m штук d-кварков, здесь n, m = 1, 2, 3 …, и образуются «(n,m)-узлы».
При выполнении условия n ~ 2m, энергия притяжения разноименных зарядов будет превышать энергию отталкивания одноименных зарядов. Тем самым, результирующая энергия взаимодействия кварковых зарядов в (n,m)-узле будет отрицательной, и за счет этой энергии будет иметь место «стягивание» нуклонов, вносящих свои кварки в данный (n,m)-узел. Именно данный механизм обеспечивает стабильность ядерной конструкции.
Примечание. Устойчивость ядерной конструкции достигается также благодаря тому, что все 3 кварка каждого нуклона встроены в аналогичные узлы: это создает между (n,m)-узлами жесткую связь, имеющую не кулоновскую природу.
Благодаря наличию (n,m)-узлов, нуклоны оказываются жестко связанными друг с другом, образуя квазикристаллическую структуру, характеризуемую, пусть не регулярным, но фиксированным расположением в пространстве своих элементов: именно так расположены в ядерном каркасе нуклоны и (n,m)-узлы.
Вид квазикристаллической структуры полностью определяется тем, в какие ячейки каркаса встроены нуклоны, и какие (n,m)-узлы сформированы в узлах ядерного каркаса.
Все ячейки и все узлы ядерного каркаса можно пронумеровать, что позволяет составить структурную и кварковую формулы ядра.
Структурная формула показывает, в ячейки с какими номерами встроены протоны, а в какие ячейки – нейтроны.
Кварковая формула показывает, сколько кварков каждого из 2-х сортов располагается в каждом из узлов ядерного каркаса.
Структурная и кварковая формулы однозначно определяют структуру ядра, показывая, какие ячейки ядерного каркаса заняты нуклонами, а также – как распределены кварки по узлам ядерного каркаса.
Зная распределение зарядов кварков по узлам ядерного каркаса, можно вычислить электрический квадрупольный момент ядра (Q0). Ни оболочечная, ни обобщенная модели ядра не справляются с вычислением Q0: пишется общая формула, но как дело доходит до вычислений, ничего не получается даже для ядра 6Li, не говоря уж о более тяжелых ядрах. Между тем, тетраэдрная модель предлагает однозначный алгоритм вычисления Q0 для всех ядер, и проведенные автором вычисления с помощью этого алгоритма для легких ядер показали хорошее согласие с экспериментальными величинами [5].
В тетраэдрной модели совершенно иначе решается проблема определения спина ядра. В оболочечной модели спин ядра складывается из спинов нуклонов, тогда как в тетраэдрной модели результирующий спин получается в результате сложения сначала спинов кварков в составе каждого (n,m)-узла, а затем – сложения спинов всех (n,m)-узлов. Когда будут построены ядерные конструкции и определен набор (n,m)-узлов (кварковая формула) для всех ядер, данный метод позволит вычислить значения спина ядер без дополнительных гипотез (как это имеет место в оболочечной модели).
Аналогичная ситуация сложилась с вычислением магнитного дипольного момента ядра (µ). Точность вычисления µ в оболочечной модели далека от точности, которая достигнута в эксперименте. Зная величину спина каждого (n,m)-узла, можно определить положение оси вращения ядра, а также расстояние от этой оси до каждого (n,m)-узла. Этих величин достаточно для вычисления µ в соответствие с классической формулой: произведение токов, создаваемых вращающимися зарядами, на заметаемые площади.
В рамках тетраэдрной модели находят объяснение все остальные физические свойства ядер, в частности, наличие магических чисел. Эти числа получаются как деленное на 2 суммарное количество ячеек в слоях ядерного каркаса (коэффициент 1/2 возникает потому, что слои заполняются равными количествами протонов и нейтронов).
Для первых 3-х магических чисел получаются следующие величины: М1 = 4/2 = 2, М2 = (4 + 12)/2 = 8, М3 = (4 + 12 + 24)/2 = 20, что полностью согласуется с экспериментом.
Получают объяснение все остальные «квазимагические» числа, при которых атомные ядра являются значительно более устойчивыми, чем свои «соседи».
Примечание 1. Большая устойчивость квазимагических ядер объясняется тем, что в этих ядрах нуклоны и (n,m)-узлы расположены в ядерном каркасе симметрично, хотя внешний слой заполнен не полностью.
Примечание 2. Более подробно, строение атомных ядер, как ядерного каркаса, ячейки которого заполнены определенным числом протонов и нейтронов, расположенных в этих ячейках строго определенным образом, рассмотрено в работах [5].
III. Экспериментальная проверка и практические применения
Прямая проверка наличия у атомных ядер квазикристаллической структуры может быть проведена методом дифракции нейтронов. Энергию нейтронов следует выбрать равной ~ 5 Мэв. При такой величине энергии облучаемые ядра еще не будут разрушаться и, вместе с тем длина волны де Бройля таких нейтронов ~ 2 Фм, что вполне достаточно для изучения квазикристаллической структуры атомных ядер.
Примечание. Не исключено, что никаких дополнительных экспериментов проводить не потребуется: нужно лишь внимательно проанализировать уже имеющиеся картины дифракционного рассеяния нейтронов атомными ядрами.
Не менее убедительным будет и косвенный метод, который заключается в систематическом вычислении электрического и магнитных моментов всех стабильных и квазистабильных ядер, для которых возможно измерение данных величин. Если для всех ядер вычисленные в рамках тетраэдрной модели величины Q0 и µ совпадут с экспериментальными, это явится веским аргументом в пользу данной модели.
Примечание. В настоящее время электрический и магнитный моменты измерены не для всех квазистабильных ядер, поэтому теоретические расчеты могут опередить измерения: если измерения подтвердят заранее предсказанные результаты, это явится несомненным доказательством справедливости тетраэдрной модели.
Практическое применение тетраэдрной модели будет состоять в создании нового класса источников ядерной энергии, в которых реакции синтеза будут протекать при нормальной температуре. Такая возможность проистекает из того, в конструкциях некоторых ядер, например 7Li, имеется отверстие, связывающее внутреннюю полость (нулевую и соседние ячейки) с внешним пространством. Через это отверстие электроны могут проникнуть в данную полость, в результате чего произойдет уменьшение заряда ядра и, соответственно, уменьшение потенциального барьера ядерных реакций.
Более подробно, механизм холодного ядерного синтеза в рамках тетраэдрной модели ядра, рассмотрен в [5].
Заключение
В работе приводятся аргументы, что нуклоны имеют форму одностороннего трилистника, и кварки располагаются в вершинах этого трилистника. Данная модель сложнее общепринятой модели нуклона в виде сферы, однако, если данная модель соответствует действительности, это значительно упрощает модель атомного ядра.
Использование модели нуклона в виде поверхности Боя позволяет исключить гипотезу, что между нуклонами действует «сильное взаимодействие», – его функцию выполняет хорошо известное кулоновское взаимодействие. При тесном контакте нуклонов (что является необходимым условием сильного взаимодействия), их кварковые заряды способны сближаться на расстояние в сотые доли Фм. На таких расстояниях энергия кулоновского взаимодействия пары кварков достигает величины нескольких Мэв: этой энергии вполне достаточно для объединения нуклонов в атомные ядра.
Примечание. Результат взаимодействия двух троек кварков сильно зависит от расположения этих троек друг относительно друга. Это объясняет все известные свойства сильного взаимодействия, в частности зависимость от спина. Эта зависимость отражает взаимное расположение 2-х плоскостей, проходящих через указанные тройки кварков: спины нуклонов перпендикулярны этим плоскостям, а энергия взаимодействия троек кварков существенно зависит от угла между плоскостями.
Исходя из данной модели нуклона, строится модель атомного ядра, в которой нуклоны заполняют ячейки квазикристаллической структуры, образованной наложением граней правильных тетраэдров. Ядра образуются путем объединения вершин лепестков поверхности Боя, в которых расположены кварки. Объединение происходит вокруг узлов ядерного каркаса, в результате чего формируются (n,m)-узлы, вид которых и их распределение по объему ядра определяют все физические свойства атомных ядер.
В следующих работах данной тематики автор надеется представить наглядные изображения конструкций всех ядер (по крайней мере, до 40Са) в виде ядерного каркаса, заполненного соответствующим количеством нейтронов и протонов, а также вычислить электрические и магнитные моменты этих ядер.
Выводы
1. Нуклоны образованы на основе поверхности Боя.
2. Три лепестка поверхности Боя служат основой для формирования кварков.
3. Кварковые заряды располагаются в вершинах лепестков поверхности Боя.
4. Магнитные моменты нуклонов создаются благодаря вращению одноименных кварков вокруг непарного кварка, спин которого задает вращение нуклона, как целого.
5. Атомные ядра образуются в результате «слипания» нуклонов вершинами своих лепестков за счет кулоновского взаимодействия расположенных в этих вершинах кварковых зарядов.
6. Квазикристаллическая структура атомных ядер формируется на основе каркаса, образованного путем наложения граней правильных тетраэдров, выступающих в качестве ячеек ядерного каркаса.
7. Каждое ядро получается в результате встраивания определенного количества протонов и нейтронов в соответствующие ячейки ядерного каркаса.
8. Кварки всех входящих в ядро нуклонов собираются вокруг узлов ядерного каркаса, образуя (n,m)-узлы, вид и распределение которых по объему ядра определяют все физические свойства ядер.
9. Физические свойства ядер вычисляются исходя из структурной и кварковой формул, показывающих заполнение нуклонами ячеек ядерного каркаса и распределение всех имеющихся в нуклонах кварков по узлам ядерного каркаса.
10. Прямой способ проверки тетраэдрной модели ядра заключается в исследовании дифракционных картин при рассеянии нейтронов с энергией ~ 5 Мэв.
11. Косвенный, но не менее надежный способ состоит в построении конструкций всех ядер и вычислении их электрических и магнитных моментов.
12. Тетраэдрная модель атомных ядер показывает, какие эксперименты следует осуществить, чтобы овладеть холодным ядерным синтезом.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.А. Шашлов, Что такое пространство и время? // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26603, 13.08.2020
2. В.А. Шашлов, Что такое материя? // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26552, 16.07.2020
3. В.А. Шашлов, Что такое взаимодействия? // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26580, 31.07.2020
4. В.А. Шашлов, Магнитные моменты и массы нуклонов // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 25855, 06.11.2019
5. В.А. Шашлов, «Академия Тринитаризма», Личная страница
В.А. Шашлов, Что такое атомное ядро? // «Академия Тринитаризма», М.,
 |