Дискуссии - Наука

В.А. Шашлов

Изложена модель атомных ядер в виде конструкций, построенных из нуклонов в форме поверхности Боя путем объединения 3-х вершин лепестков поверхности Боя, в которых расположены 3 кварка. Объединение кварков нуклонов в «кварковые узлы» является причиной формирования нуклонных конструкций.

Цель работы

Цель работы – предложить модель ядра, способную объяснить все, без исключения, эффекты, обнаруженные в ядерной физике за 125 лет существования.

Содержание работы

В первой части описан способ образования ядер в виде нуклонных конструкций, в которых нуклоны скрепляются за счет объединения кварков в узлы.

Во второй части дано объяснение основных свойств атомных ядер в рамках тетраэдрической модели.

В третьей части изложены алгоритмы вычисления механического, электрического и магнитного моментов ядер.

Введение

1 марта 2021 года исполнится 125 лет, как был обнаружен первый ядерный эффект: А. Беккерель открыл радиоактивное излучение солей урана.

Текущий год является юбилейным еще для одного важнейшего открытия в ядерной физике: в 1911 году Э. Резерфорд обнаружил само атомное ядро.

В ознаменование этих 2-х юбилеев предлагается организовать Конференцию, на которой можно будет подвести итоги развитии ядерной физики за прошедшие 125 лет. Конференцию намечено провести 9-10 июля 2021 года в Нижнем Новгороде.

Главной темой Конференции станет исследование моделей ядра. Все модели были созданы еще в 30^х - 50^х годах ХХ века, а за последние 60 лет не разработано ни одной физически обоснованной модели. На Конференции предполагается получить ответ на вопрос: «Можно ли создать единую модель ядра, которая объяснит все ядерные эффекты и не будет содержать противоречий в своих исходных постулатах?».

I. Алгоритм построения нуклонных конструкций

Исходным пунктом тетраэдрной модели ядра является новая модель нуклона, в которой нуклон представляется в виде поверхности Боя: замкнутой односторонней поверхности, имеющей топологию односторонней сферы и содержащей 3 лепестка. Размер поверхности Боя определяется условием: радиус сферы, полученной деформацией лепестков с соответствующим распределением массы и заряда, имеет величину ~ 0,84 Фм: этим достигается согласие с экспериментами по измерению радиуса протона.

Примечание. В мюонном водороде и при «просвечивании» электронами, лепестки поверхности Боя деформируются различным образом: это объясняет, почему в разных типах экспериментов получаются неодинаковые значения радиуса протона.

Модель нуклонов (всех адронов) на основе поверхности Боя выявляет истинную природу кварков: кварки – это лепестки поверхности Боя. Данное понимание природы кварков объясняет причину конфайнмента. Кварки не могут покинуть адрон по той простой причине, что вообще не совершают индивидуальное движение внутри адрона: каждый лепесток составляет единое целое с двумя другими лепестками.

Не являясь самостоятельными объектами, кварки не обладают массой: масса – это характеристика нуклона, как целого, и сосредоточена в точке соединения лепестков.

Однако, заряды и спины являются принадлежностью именно лепестков поверхности Боя, располагаясь в вершинах лепестков (эти вершины, вместе находящимися в них кварковыми зарядами и спинами также будем именовать кварками).

Модель нуклона в виде поверхности Боя допускает более простое геометрическое представление в виде прямоугольного тетраэдра: прямоугольная вершина тетраэдра соответствует центральной части поверхности Боя, а три вершины основания тетраэдра – вершинам 3-х лепестков. Итак, каждый нуклон представляется в виде прямоугольного тетраэдра, в вершинах основания которого расположены кварки.

Лепестки поверхности Боя соединены друг с другом, поэтому приложенные к вершинам лепестков спиновые моменты количества движения кварков передаются всему нуклону: свободный нуклон вращается, как единое целое.

Положение результирующей оси и частота вращения нуклона находятся путем сложения вращений, придаваемых нуклону спиновыми моментами 3-х кварков [1].

Примечание. Вращение кварков, которое они совершают вместе с вращением нуклона, порождает аномальные магнитные моменты нуклонов [1].

Ось вращения нуклона располагается вне керна, поэтому свободный нуклон имеет торообразную форму. Поскольку вращение совершается с очень большой частотой, сечение тора имеет форму сильно вытянутого треугольника.

Установив статическую и динамическую форму нуклона, приступим к построению нуклонных конструкций. Начнем с простейших ядер дейтрона, тритона и гелия.

Ядро ²Н

Конструкция дейтрона получается, когда вращающиеся протон и нейрон пристраиваются друг к другу так, что противоположно заряженные кварки располагаются напротив друг друга, образуя три пары кварков (u-d). Расстояние между u-кварком и d-кварком в этих парах в 2 раза меньше радиуса нуклона, т.е. имеет величину ~ 0,42 Фм. На таком расстоянии, энергия кулоновского взаимодействия кварков в (u-d)-паре составляет ~ 0,73 Мэв, а во всех 3-х (u-d)-парах ~ 2,2 Мэв, что совпадает с энергией связи дейтрона. Это позволяет сделать вывод, что дейтрон образуется, когда протон и нейтрон притягиваются друг к другу тремя парами своих кварков.

Примечание 1. Столь слабая связь не препятствует протону и нейтрону совершать практически независимое вращение, что объясняет величину магнитного момента дейтрона, как разности магнитных моментов протона и нейтрона.

Примечание 2. Три пары (u-d), которые скрепляют протон и нейтрон в ядре ²Н, являются прообразами (n,m)-узлов, которые образуются в ядрах, содержащих большее число нуклонов: в (n,m)-узлах лепестки поверхностей Боя осуществляют контакт своими вершинами, поэтому расстояние между кварками на порядок меньше.

Данная конструкция дейтрона объясняет не только величины энергии связи и магнитного момента, но и его спин. Конструкция, в которой u-кварки и d-кварки находятся друг против друга, образуется только в том случае, если протон и нейтрон вращаются в одном направлении. Это означает, что спины протона и нейтрона также ориентированы в одном направлении, и спин дейтрона равен S(²Н) = 1/2 + 1/2 = 1.

Примечание. Динейтрон и дипротон не образуются, потому что при наложении одинаковых нуклонов, входящие в их состав кварки не могут образовать три (u-d)-пары.

Ядра ³Н и ³Не

Третий нуклон не может пристроиться к конструкции ²Н параллельно нуклонам: эта конструкция будет заведомо неустойчивой. Конструкции ядер ³Н и ³Не образуются, когда третий нуклон (n или р) своим вращением «взрезает» слабую связь между протоном и нейтроном в дейтроне, и вставляется в зазор между ними. В результате, все 3 нуклона приостанавливают свое вращение и нуклоны принимают форму тетраэдров.

Устойчивая конструкция из 3-х тетраэдров-нуклонов возникает, когда основания этих 3-х тетраэдров соединяются так, что составляют 3-гранную поверхность в виде боковой поверхности правильного тетраэдра.

В вершине данной поверхности, где сходятся основания 3-х тетраэдров-нуклонов, собираются 3 кварка: два одинаковых кварка, принадлежащие одноименным нуклонам, и третий кварк, принадлежащий непарному нуклону. Некомпенсированный спин непарного кварка вновь раскручивает непарный нуклон: это вращение придает стабильность конструкциям ядер ³Н и ³Не и порождает их магнитные моменты.

Ядро ⁴Не

Конструкция ядра ⁴Не получается, когда 4^ый тетраэдр-нуклон присоединяется к конструкции ядра ³Н или ³Не. Единственное место, куда может присоединиться основание тетраэдра-нуклона – это основание 3-гранной поверхности. В итоге, получается конструкция, в которой 4 тетраэдра-нуклона образуют своими основаниями правильный тетраэдр, а своими вершинами «смотрят наружу»: это и есть конструкция ядра ⁴Не.

При встраивании 4^ого тетраэдра-нуклона в конструкции ядер ³Н и ³Не, во всех 4-х вершинах правильного тетраэдра, представляющего собой каркас конструкции ⁴Не, оказывается по 3 кварка: в 2-х вершинах два u-кварка и один d-кварк, а в 2-х других вершинах – один u-кварк и два d-кварка, Соответственно, кварковая формула ядра ⁴Не принимает вид {⁴Не} = {(2,1), (2,1), (1,2), (1,2)}.

Общий вид нуклонных конструкций

Правильный тетраэдр, который служит каркасом для образования конструкции ядра ⁴Не, будем именовать «нулевая ячейка». Пристроим к каждой из 4-х граней нулевой ячейки такую же ячейку: эти 4 ячейки составят первый слой ячеек каркаса. Второй слой формируется точно так же: к трем боковым граням каждой из 4-х ячеек первого слоя пристраиваются 3 новые ячейки, поэтому количество ячеек второго слоя равно 4*3 = 12.

Описанную процедуру можно продолжать неограниченно: к граням ячеек второго слоя пристраивать третий слой и т.д. Конструкции, получающиеся путем совмещения (всеми возможными способами) граней правильных тетраэдров, будем именовать «ядерный каркас»: каждое ядро образуется в результате встраивания определенного количества протонов и нейтронов в строго определенные ячейки ядерного каркаса.

Первые 2 магических ядра ⁴Не и ¹⁶О получаются при заполнении протонами и нейтронами первого и первых двух слоев ядерного каркаса. В третьем слое может уместиться только 24 ячеек, поэтому массовое число третьего магического ядра имеет величину 4 + 12 + 24 = 40: это ядро ⁴⁰Са. На основании вышеизложенного, можно утверждать, что все магические и полумагические ядра получаются в результате симметричного заполнения нуклонами ячеек ядерного каркаса.

Примечание. На Юбилейной Ядерной Конференции автор продемонстрирует реальные модели конструкций значительного числа магических и полумагических ядер.

Важнейшее значение имеет также способ встраивания нуклонов в ячейки ядерного каркаса: от этого зависит, как будут распределены кварки по узлам каркаса. Поскольку кварки располагаются в вершинах оснований тетраэдров-нуклонов, то при встраивании тетраэдров-нуклонов в ячейки ядерного каркаса, кварки автоматически оказываются вблизи узлов каркаса, вследствие чего вокруг каждого узла собирается n штук u-кварков и m штук d-кварков, т.е. получается «(n,m)-узел».

Размер (n,m)-узлов, по крайней мере, на порядок меньше размера нуклона, причем с увеличением количества кварков, за счет большей энергии взаимодействия кварков, узлы становятся все более мелкими. При расстоянии между u-кварком и d-кварком (0,05-0,06) Фм, энергия кулоновского взаимодействия в расчете на один кварк (2,5-3) Мэв.

В многокварковых (n,m)-узлах, содержащих 3 и более кварков, эта величина, благодаря уменьшению расстояния между кварками, остается примерно такой же. Соответственно, в расчете на один нуклон средняя величина энергии связи имеет величину (7,5-9) Мэв, из чего следует, что энергия связи ядер полностью формируется за счет кулоновской энергии кварков в (n,m)-узлах.

Многокварковые объекты, каковыми являются (n,m)-узлы, давно обнаружены экспериментально и носят наименование «флуктоны». Название объясняется тем, что данные объекты считаются следствием тепловых флуктуаций, приводящих к слиянию 2^х, 3^х или 4^х нуклонов. Однако, в действительности, многокварковыми объектами в ядрах являются (n,m)-узлы, имеющие совершенно иную природу и роль в строении ядер: (n,m)-узлы выполняют структурообразующую функцию, скрепляя нуклоны в ядра.

II. Ядерные эффекты

В предыдущем разделе показано, что тетраэдрная модель объясняет 3 важнейших свойства атомных ядер:

1. величину удельной энергии связи порядка 8 Мэв,

2. существование магических и полумагических ядер,

3. наличие в ядрах много-кварковых образований.

Тетраэдрная модель способна объяснить все остальные свойства атомных ядер.

Наиболее существенное новшество, которое вносит тетраэдрная модель в понимание структуры атомных ядер, состоит в отказе от сильного взаимодействия: как фундаментальное взаимодействие, сильное взаимодействие не существует.

На уровне адронов этот вывод следует из целостности поверхности Боя. Для удерживания кварков в адронах вообще нет необходимости в каком-либо взаимодействии: невозможность отделения лепестков является геометрическим свойством поверхности Боя. Конфайнмент – прямое следствие неотделимости лепестков: будучи оторванным от поверхности Боя лепесток изменяет свое геометрическое строение, и на его основе рождаются лептоны.

Для образования ядер сильное взаимодействие также не является необходимым: объединение нуклонов в ядра осуществляется за счет кулоновского притяжения кварков в (n,m)-узлах. Поскольку расстояние между кварками в (n,m)-узлах составляет сотые доли Фм, энергия кулоновского притяжения кварков возрастает до величины нескольких Мэв, что достаточно для образования ядер.

Примечание. Пора осознать, что сильное взаимодействие – это физический артефакт, подобный теплороду и флогистону.

Несмотря на исключение сильного взаимодействия из физической картины мира, все свойства сильного взаимодействия находят объяснение в тетраэдрной модели.

1. Величина «сильного» взаимодействия (~ 8 Мэв/нуклон) получена выше.

2. Зависимость от расстояния и изменение знака на расстоянии ~ 0,4 Фм.

«Сильное» взаимодействие начинает проявляться на расстояниях, сравнимых с размером нуклонов, поскольку на этом расстоянии начинает проявляться взаимодействие электрических диполей, каковыми являются нуклоны.

Сначала взаимодействие имеет характер притяжения, поскольку сближающиеся диполи стремятся развернуться друг к другу противоположными зарядами. Однако, когда нуклоны приходят в непосредственный контакт вершинами своих лепестков, дальнейшее взаимопроникновение становится невозможным, что проявляется, как появление бесконечной отталкивающей «стены» в ядерном потенциале.

3. Наличие «сил спаривания».

Чтобы одноименные нуклоны устанавливали свои спины антипараллельно, не требуется никаких физических сил. Внутри атомных ядер понятие «спин нуклона» теряет физический смысл: в ядрах спин является характеристикой (n,m)-узлов.

В (n,m)-узлах компенсация спинов одноименных кварков происходит согласно принципу Паули, и спин каждого (n,m)-узла может принимать только 3 значения:

0 – если количество u-кварков и d-кварков является четным,

1/2 – если нечетным является количество кварков одного типа,

1 – если нечетным является количество обоих типов кварков.

Результирующий спин равен сумме спинов (n,m)-узлов. Большинство (n,m)-узлов четно-четные, а нечетные (n,m)-узлы одного вида, расположенные в соседних узлах каркаса, компенсируют друг друга, поэтому спин ядер имеет небольшую величину.

4. Чрезвычайно сильная зависимость «сильного» взаимодействия от спина.

Спин нуклона ориентирован перпендикулярно плоскости, в которой расположены 3 кварка. Поскольку межнуклонное взаимодействие – это кулоновское взаимодействие троек кварковых зарядов нуклона, то результат взаимодействия сильно зависит от угла между указанными плоскостями, что проявляется как зависимость от спина.

В рамках тетраэдрной модели находят объяснение все остальные ядерные эффекты, обнаруженные в течение ХХ века и первых 20 лет ХХI века. Например, получает объяснение различие структурных функций нуклонов, находящихся в свободном состоянии, и нуклонов в составе атомных ядер (ЕМС-эффект).

На Юбилейной Ядерной Конференции предполагается обсудить природу всех ядерных эффектов.

III. Ядерные моменты

Наряду с зарядом, массой и спином, электрический (Q₀) и магнитный (µ) моменты являются наиболее важными характеристиками ядра. Искомую единую модель ядра можно будет признать адекватной физической реальности, если она позволит вычислить Q₀ и µ всех, без исключения, ядер, и эти значения совпадут с экспериментом.

Тетраэдрная модель предлагает следующее решение проблемы вычисления Q₀ и µ.

Ядерный каркас представляет жесткую, квазикристалличекую структуру. Размер нулевой ячейки каркаса определяет положение всех узлов каркаса, поэтому положение (n,m)-узлов в нуклонной конструкции каждого ядра вполне определено. Тем самым, определенным является пространственное распределение зарядов и спинов.

Что касается массы, то она характеризует весь нуклон, и центр инерции нуклона совпадает с положением тройной точки поверхности Боя.

Зная распределение масс, зарядов и спинов по объему ядра, можно вычислить его электрический и магнитный моменты. Опишем алгоритмы таких вычислений.

1. Электрический момент.

Для вычисления электрического момента, необходимо сначала определить положение электрического центра ядра: точки, относительно которой суммарный дипольный момент зарядов всех (n,m)-узлов равен нулю.

Данная точка является электрическим аналогом барицентра и вычисляется по той же формуле, только вместо масс следует подставить заряды.

Примечание. Также, как собственные моменты инерции вычисляются относительно осей, проходящих через барицентр, внутренний квадрупольный момент следует вычислять относительно «электрического барицентра»: только в этом случае дипольный момент ни одного (n,m)-узлов не будет искажать значение Q₀.

Далее следует записать тензор квадрупольного момента и привести этот тензор к главным осям. Собственное значение, которое имеет максимальную абсолютную величину, будет представлять собой искомую величину Q₀.

При вычислении Q₀ следует учесть 2 обстоятельства:

1. квадрупольный момент создается кварковыми зарядами, минимальная величина которых составляет (1/3) единичного заряда (е),

2. внутренний квадрупольный момент создается зарядами, расположенными «внутри» лепестков поверхности Боя, знак которых противоположен зарядам тех же самых кварков, измеряемых в обычном (физическом) пространстве.

Первое обстоятельство приводит к тому, что нормировочный множитель должен иметь величину (1/3)е. Множитель стоит в знаменателе, что приводит к увеличению квадрупольного момента, по сравнению с классической формулой, в 3 раза.

Второе обстоятельство изменяет соотношение между формой ядра и знаком квадрупольного момента. Согласно классической формуле, (+) знак Q₀ соответствует вытянутой форме ядра, а (-) знак – сплюснутой форме. Эксперимент показывает, что ядер с положительным знаком Q₀ больше, чем отрицательным, однако многие ядра находятся в состоянии вращения, что должно приводить к сплюснутой форме ядер, т.е. к (-) знаку Q₀.

Изменение знака Q₀ устраняет данное противоречие: сплюснутой формой обладают ядра с положительным знаком Q₀, и таких ядер действительно должно быть больше, чем ядер с отрицательным знаком Q₀.

2. Магнитный момент.

Для вычисления магнитного момента, прежде всего, необходимо определить положение оси вращения ядра. Для этого следует найти центр инерции и главные оси инерции. Ось, относительно которой момент инерции имеет максимальную или минимальную величину, будет определять направление оси вращения ядра.

Примечание. Спины всех (n,m)-узлов выстраиваются вдоль этого направления, т.к. в противном случае, вращение ядра было бы неустойчивым.

Далее определяется положение реальной оси вращения ядра. Зная величину спинового момента каждого (n,m)-узла, а также момент инерции ядра относительно оси, проходящей через данный узел, находятся угловые скорости (ω_i), которые придают ядру спиновые моменты (n,m)-узлов. Используя правило сложения параллельных вращений, находим положение оси, относительно которой будет вращаться ядро.

Одновременно, получается величина результирующей угловой скорости (ω), с которой будет совершаться вращение.

Определив частоту вращения ядра, в соответствие с классической формулой «ток на площадь» определяется магнитный момент, создаваемый всеми (n,m)-узлами: сумма этих моментов составит результирующий магнитный момент ядра.

Вычисление электрического и магнитного моментов всех ядер позволит сделать однозначный вывод о справедливости тетраэдрной модели. Результаты данных вычислений для первых 5-10 стабильных ядер будут представлены на Конференции.

Заключение

В данной работе предпринята попытка изложить суть тетраэдрной модели ядра.

Ключевое утверждение модели: «Ядра атомов имеют вид тетраэдрических конструкций, полученных путем встраивания нуклонов в ядерный каркас, ячейки которого имеют форму правильных тетраэдров, наложенных своими гранями».

Каждое ядро представляет собой конструкцию, составленную из тетраэдров-нуклонов, соединенных вершинами оснований, в которых расположены кварки.

Соединение вершин оснований происходит в узлах ядерного каркаса при встраивании нуклонов в ячейки каркаса. Результатом соединения вершин оснований соседних (n + m) нуклонов является образование (n,m)-узлов, выполняющих функцию креплений, удерживающих нуклоны в ядрах, и создающих энергию связи ядер.

В «вольном пересказе» предлагаемая модель ядра звучит следующим образом.

В атомных ядрах протоны и нейтроны не только «растворяются» друг в друге, становясь неразличимыми нуклонами, но также «диссоциируют» на кварки. Однако, как и в составе нуклонов, эти кварки не становятся самостоятельными частицами, а объединяются в новые структурные единицы: (n,m)-узлы. В ядрах (n,m)-узлы «старше» нуклонов: именно (n,m)-узлы определяют все свойства ядер. Можно сказать, что ядра состоят из (n,m)-узлов, соединенных жесткими связями: эти массивные связи – все, что остается от нуклонов в ядре.

Расположение (n,m)-узлов определяется ядерным каркасом и способом встраивания тетраэдров-нуклонов в ячейки каркаса. Ядерные конструкции имеют форму вставленных друг в друга сферических слоев, состоящих из определенного числа нуклонов.

Количество ячеек в каждом слое определяет магические числа, при которых происходит полное заполнение нуклонами данных слоев, а все остальные способы симметричного заполнения ячеек каркаса приводят к образованию полумагических ядер.

Тетраэдрная модель позволяет вычислить электрический и магнитный моменты любого ядра. Сравнение вычисленных моментов с экспериментальными величинами позволит сделать однозначный вывод о справедливости данной модели.

Постановку всех перечисленных проблем предполагается уточнить на Юбилейной ядерной Конференции. В случае успешного проведения Конференции, будет создана Академия Атомного Ядра, главной целью которой станет вычисления Q₀ и µ всех ядер.

Выводы

1. Нуклоны имеют форму прямоугольных тетраэдров, в 3-х вершинах основания которых расположены кварковые заряды и спины.

2. Конструкция дейтрона получается путем совмещения осей вращения протона и нейтрона, совершающих вращение в одном направлении.

3. Конструкции ядер ³Н, ³Не, ⁴Не образуются в результате наложения оснований тетраэдров-нуклонов на 3 или 4 грани нулевой ячейки ядерного каркаса.

4. Нуклонные конструкции создаются встраиванием тетраэдров-нуклонов в ячейки каркаса, полученного наложением граней правильных тетраэдров.

5. Атомные ядра представляют собой конструкции, построенные из нуклонов в форме прямоугольных тетраэдров путем соединения вершин оснований.

6. При соединении вершин оснований тетраэдров-нуклонов, все кварки собираются вокруг узлов ядерного каркаса, образуя (n,m)-узлы.

7. (n,m)-узлы выполняют функцию креплений, которые удерживают нуклоны в ядрах и формируют энергию связи.

8. (n,m)-узлы экспериментально обнаружены, однако ошибочно интерпретируются как «флуктоны».

9. Магические и полумагические ядра получаются, когда в узлах ядерного каркаса образуется симметричный набор (n,m)-узлов.

10. Тетраэдрная модель ядра объясняет все ядерные эффекты и позволяет вычислить спиновый, электрический и магнитный моменты любого ядра.

11. Правильность построения модели конструкции каждого ядра проверяется прямым вычислением всех 3-х моментов данного ядра.

12. Сильное взаимодействие формируется за счет геометрических свойств поверхности Боя и кулоновского взаимодействия кварков на малых расстояниях.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Шашлов, Вычисление аномальных магнитных моментов нуклонов «из первых принципов» // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26719, 06.10.2020

[Обсуждение на форуме «Публицистика»]