|
|
В.А. Шашлов
Ядра атомов имеют вид конструкций, в которых каждый нуклон занимает фиксированное положение. Связующими элементами нуклонов в ядрах служат кварковые узлы, образующиеся при объединении кварков соседних нуклонов. Каждое ядро имеет собственный вид ядерной конструкции и свой набор кварковых узлов.
Цель работы
Цель работы – предложить разгадку тайны строения атомных ядер, исходя из нового понимания природы нуклонов и кварков.
Содержание работы
В первой части предложена модель нуклона, в соответствие с которой нуклоны в ядрах имеют форму прямоугольного тетраэдра.
Во второй части описана модель ядра в виде конструкций, построенных путем объединения вершин оснований тетраэдров-нуклонов.
В третьей части показано, как тетраэдрическая модель ядра объясняет основные свойства атомных ядер.
I. Строение нуклона
В Стандартной модели нуклон представляется в виде сферы радиусом ~ 0,84 Фм, в которой находятся 3 валентных кварка, которые удерживаются внутри сферы за счет обмена глюонами. Первичными (фундаментальными) частицами являются кварки, а нуклоны получаются как результат объединения 3-х кварков.
В данной работе предлагается противоположный взгляд на природу нуклонов и кварков: первичными частицами являются сами нуклоны, а кварки – это вторичные элементы, появляющиеся из-за того, что нуклоны образованы на основе замкнутой односторонней поверхности, которая носит название «поверхность Боя» [1].
Поверхность Боя содержит 3 неотделимых друг от друга лепестка, каждый из которых может стать кварком. Для этого необходимо, чтобы поверхность Боя соединилась со связкой проективных прямых. Центр связки совмещен с центром поверхности Боя, поэтому все составляющие связку прямые распределяются по трем лепесткам, в результате чего на каждый лепесток приходится доля связки, кратная 1/3. Полная связка прямых соответствует единичному заряду, поэтому кварки должны иметь заряд 1/3 или 2/3: данная модель объясняет дробную величину заряда кварков.
Другими словами, в новой модели нуклона (и всего класса адронов) исходным элементом служит поверхность Боя, выполняющая функцию жесткого керна адронов. Кварки появляются как следствие наличия у этого керна 3-х структурных единиц, на основе которых формируются кварки: данными структурными единицами являются 3 лепестка поверхности Боя.
В соответствие с предлагаемой моделью, существование кварков является прямым следствием модели адронов в виде поверхности Боя.
Поскольку лепестки являются неотъемлемыми частями поверхности Боя, кварки не могут быть выделены из адронов: отсутствие кварков в свободном состоянии обусловлено невозможностью отделения лепестков от поверхности Боя.
Конфайнмент – следствие неотделимости лепестков поверхности Боя.
Примечание. Для удержания кварков не требуется сильное взаимодействие: конфайнмент обусловлен самим фактом существования у адронов жесткого керна в форме поверхности Боя.
Составляющие связку прямые обладают натяжением, вращением и кручением. Эти 3 свойства наделяют адроны и кварки 1) массой, 2) зарядом, 3) спином:
1) натяжение прямых вызывает сопротивление изменению положения частицы в пространстве скоростей, а также создает внутреннюю энергию частиц,
2) вращение имеет своим следствием непрерывный обмен отрезками общих прямых, что порождает кулоновское взаимодействие частиц,
3) кручение всех прямых связки обуславливает наличие момента количества движения сразу во всех пространственных направлениях.
Центр масс располагается в центре поверхности Боя, а заряды и спины – в вершинах лепестков, вследствие чего зарядовый и магнитный радиусы обоих нуклонов имеют одинаковую величину. Эти радиусы определяются размером поверхности Боя: расстоянием от центра поверхности до вершин лепестков.
Описанная модель нуклона позволяет вычислить аномальные магнитные моменты нуклонов. Кварки жестко связаны с керном нуклона, поэтому спиновые моменты количества движения кварков приводят во вращение весь нуклон. В свою очередь, вращение нуклона, как целого, означает, что вращаются и кварковые заряды: это вращение порождает круговые токи, которые создают магнитные моменты нуклонов [2].
Вращение приводит к сильной деформации нуклона. Размер нуклона в плоскости вращения (в направлении, перпендикулярном спину нуклонов) увеличивается примерно в 2 раза, что может быть проверено в экспериментах с поляризованными нуклонами.
При образовании ядер, нуклоны также сильно деформируются. Лепестки поверхности Боя сдавливают друг друга и их округлые формы становятся более плоскими, вследствие чего внутри ядер нуклон можно представить в виде тетраэдра. Более точно, этот тетраэдр является прямоугольным: центру (тройной точке) поверхности Боя соответствует вершина тетраэдра, составленная из 3-х прямых углов, а трем вершинам лепестков поверхности Боя – 3 вершины основания тетраэдра.
В атомных ядрах нуклон имеет форму прямоугольного тетраэдра, в 3-х вершинах основания которого находятся 3 кварка, – именно эта модель нуклона будет использоваться для построения ядерных конструкций.
II. Строение ядерных конструкций
Суть новой модели ядра: ядра представляют собой конструкции, построенные путем объединения тетраэдров-нуклонов вершинами своих оснований.
Поскольку в вершинах оснований находятся кварки, объединение вершин приводит к образованию объектов, содержащих n штук u-кварков и m штук d-кварков: эти объекты будем именовать «(n,m)-узлы».
(n,m)-узлы выполняют функцию креплений, удерживающих нуклоны в фиксированных положениях внутри ядерных конструкций.
Конструкции из прямоугольных тетраэдров будут устойчивыми, если будут иметь вид, подобный молекулам фуллерена. Для наглядного представления ядерных конструкций, введем вспомогательную (воображаемую) конструкцию, которую будем именовать «ядерный каркас».
Ядерный каркас строится из правильных тетраэдров, грани которых конгруэнтны основаниям тетраэдров-нуклонов. Сначала берется один (нулевой) правильный тетраэдр и к четырем граням этого тетраэдра пристраиваются 4 новых тетраэдра. Эти 4 тетраэдра составляют первый слой ячеек ядерного каркаса. Затем к 3*4 = 12 свободным граням этих 4-х ячеек пристраиваются 12 новых тетраэдров, которые составляют второй слой каркаса, и данная процедура продолжается. Все полученные таким образом конструкции будут являться разновидностью ядерного каркаса.
Атомные ядра получаются в результате последовательного заполнения нуклонами слоев ядерного каркаса путем встраивания прямоугольных тетраэдров-нуклонов в ячейки ядерного каркаса. При таком встраивании, вершины оснований тетраэдров-нуклонов будут совмещаться с вершинами граней ячеек каркаса, вследствие чего все кварки будут расположены вокруг узлов ядерного каркаса: именно таким образом образуются (n,m)-узлы. Количество d-кварков и u-кварков в (n,m)-узлах примерно одинаково, поэтому заряд большинства узлов имеет небольшие положительные значения, например, q(1,1) = 1/3, q(1,2) = 0, q(2,1) = 1, q(2,2) = 2/3, q(2,3) = 1/3, q(3,3) = 1 и т.д.
В каждом (n,m)-узле, (+) и (-) заряженные кварки располагаются таким образом, чтобы суммарная энергия притяжения противоположно заряженных кварков превышала энергию отталкивания одноименно заряженных кварков. В этом случае, кулоновская энергия (n,m)-узла будет иметь отрицательную величину, и за счет этой энергии будет происходить «стягивание» нуклонов, которые вносят свои кварки в данный узел.
Однако, на нуклоны действуют не только силы кулоновского притяжения со стороны (n,m)-узлов. При контакте лепестков поверхности Боя возникают силы отталкивания, имеющие неэлектромагнитную природу: это «силы упругости» кернов нуклонов. Данные силы уравновешивают силы кулоновского притяжения в (n,m)-узлах, вследствие чего рассматриваемая система нуклонов может находиться в устойчивом состоянии: устойчивые ядерные конструкции представляют собой основные состояния стабильных ядер.
Примечание. Для формирования ядер не требуется сильное взаимодействие: нуклоны удерживаются в составе ядерных конструкций благодаря кулоновскому взаимодействию кварков в (n,m)-узлах и силам упругости кернов нуклонов.
При образовании ядерных конструкций определяющую роль играют (n,m)-узлы, поэтому для подтверждения данной модели ядра, необходимо обнаружить в ядрах многокварковые объекты, и такие объекты давно обнаружены: это «флуктоны».
Считается, что флуктоны образуются в результате флуктуаций, приводящих к слиянию 2-х, 3-х или даже 4-х нуклонов. В действительности, многокварковые объекты в составе ядер – это (n,m)-узлы. В отличие от флуктонов, (n,m)-узлы являются не случайными, а главными структурными элементами ядер: именно благодаря (n,m)-узлам существуют атомные ядра.
III. Природа ядерных эффектов
Основные вопросы, на которые должна дать ответы любая модель атомных ядер:
1. почему удельная энергия связи ядер имеет величину ~ 8 Мэв?
2. почему существуют магические и полумагические ядра?
3. каким образом формируются спины основных и возбужденных уровней?
4. каково происхождение многокварковых объектов внутри ядер?
5. как рассчитать электрический (Q0) и магнитный моменты (µ) ядер.
Ни одна из существующих моделей ядра не отвечает на весь комплекс данных вопросов, что говорит о явном несовершенстве этих моделей.
Тетраэдрная модель дает, по крайней мере, качественное решение первых 4-х проблем, а для решения 5ой проблемы предлагает количественные алгоритмы вычисления Q0 и µ каждого ядра. Реализация данных алгоритмов и сравнение полученных результатов с экспериментальными значениями для всех, без исключения, ядер явится надежным подтверждением тетраэдрной модели.
Рассмотрим, кратко, ответы, предлагаемые тетраэдрной моделью.
1. Чтобы вычислить удельную энергию связи, необходимо определить расстояние между каждой парой кварков во всех (n,m)-узлах. Ни теоретически, ни экспериментально сделать это невозможно. Однако, порядок величины удельной энергии связи ~ 8 Мэв получается вполне однозначно.
Среднее расстояние между кварками в (n,m)-узлах в (20-30) раз меньше радиуса нуклона, т.е. имеет величину (0,03-0,04) Фм. На таком расстоянии кулоновская энергия составляющих (n,m)-узел кварков, в расчете на один кварк, имеет величину (2,5-3) Мэв. Каждый нуклон встроен в ядерные конструкции всеми тремя кварками (в противном случае нуклон не сможет удержаться в составе конструкции), поэтому в расчете на один нуклон энергия связи составляет 3*(2,5-3) ~ (7,5-9) Мэв.
2. Магические и полумагические ядра характеризуются тем, что их удельная энергии связи больше, чем у соседних ядер. Различие между этими двумя типами ядер чисто формальное: магические числа «объясняются» оболочечной моделью, а полумагические – нет.
Примечание. Это явный недостаток оболочечной модели: оболочечная модель не выявляет полумагические ядра в силу своей физической несостоятельности.
В тетраэдрной модели магические и полумагические ядра имеют единое происхождение: они образуются, когда происходит максимально плотное и симметричное заполнение нуклонами ядерного каркаса.
Первые 3 магических числа получаются элементарно: максимально плотное и симметричное заполнение первых 3-х сферических слоев ядерного каркаса достигается, когда этих слои заполняются равными количествами протонов и нейтронов: (Nn + Np)1 = 4, (Nn + Np)2 = 12, (Nn + Np)3 = 24. Отсюда находим первые 3 магические числа: М1 = (1/2)*4 = 2, М2 = (1/2)*(4 + 12) = 8, М3 = (1/2)*(4 + 12 + 24) = 20.
Все остальные магические и полумагические числа будут определены в процессе построения моделей ядерных конструкций: симметричный вид распределения (n,m)-узлов укажет на наличие у данной ядерной конструкции магических свойств.
3. В оболочечной модели спины ядер получаются суммированием спиновых и орбитальных моментов нуклонов. В тетраэдрной модели нуклоны не совершают орбитальное движение и, соответственно, не обладают орбитальными моментами, поэтому весь спин определяется исключительно спинами кварков в (n,m)-узлах.
Сначала происходит сложение спинов внутри каждого (n,m)-узла. Поскольку (n,m)-узлы могут быть только четно-четными, нечетными и нечетно-нечетными, то спин каждого (n,m)-узла может принимать только 3 значения: 0, 1/2, 1. В большинстве случаев реализуются первые 2 значения, – именно по этой причине спины ядер много меньше количества имеющихся в ядре нуклонов.
Примечание. А вовсе не потому, что между нуклонами действуют «мифические» силы спаривания: достаточно того, что в (n,m)-узлах действует принцип Паули.
Простейшее изменение ядерной конструкции происходит, когда один из нуклонов изменяет положение в своей ячейке ядерного каркаса (всего возможно 3*4 = 12 таких положений), например, поворачивается в плоскости грани, в которой расположены его кварки. Изменение положения нуклона приводит к изменению набора кварков в (n,m)-узлах, в которые встроен данный нуклон, результатом чего является значительное изменение результирующего спина ядра, что наблюдается экспериментально.
4. В настоящее время многокварковые объекты в ядрах считаются случайными образованиями (флуктуациями), не играющими существенной роли в строении ядер. На самом деле, данные объекты выполняют определяющую функцию в формировании ядерной структуры: именно многокварковые объекты в виде (n,m)-узлов выполняют функцию «скреп», которые удерживают нуклоны в составе ядерных конструкций.
5. Алгоритмы вычисления электрического и магнитного моментов изложены в [1].
Именно в этом пункте тетраэдрная модель может быстрее всего получить экспериментальное подтверждение. Величины Q0 и µ измерены примерно у 1000 стабильных и квазистабильных ядер, и еще примерно у такого же количества ядер эти величины могут быть измерены. Если все 2*2*1000 ~ 4000 значения Q0 и µ, которые будут вычислены для этих ядер, совпадут с экспериментальными величинами, – это явится надежным подтверждением тетраэдрной модели ядра.
Дальнейшее развитие тетраэдрной модели будет состоять в построении ядерной конструкции каждого ядра, определении набора кварковых узлов этой конструкции и вычислении электрического и магнитного моментов всех ядер.
Примечание. Тетраэдрная модель способна также объяснить и более частные ядерные эффекты, включая наиболее тонкие эффекты, обнаруженные в последние годы, например, закономерности, которые обнаружены при выбивании нуклонов электронами.
Заключение
В работе предлагается новая модель атомного ядра, суть которой в том, что ядра представляют собой построенные из нуклонов конструкции, в которых нуклоны занимают строго определенные положения.
При образовании ядер, нуклоны сближаются участками поверхности, в которых расположены кварки, вследствие чего происходит объединение этих кварков в (n,m)-узлы, которые выполняют важнейшую функцию, скрепляя нуклоны в ядерные конструкции.
Ядерные конструкции образуются за счет объединения кварков соседних нуклонов с образованием кварковых узлов, выполняющих функцию креплений, которые удерживают нуклоны в ядерных конструкциях.
Нуклоны в ядрах не совершают хаотических перемещений, как предполагает капельная модель. Отсутствуют и орбитальные движения нуклонов, как утверждает оболочечная модель. Обе эти противоречащие друг другу модели весьма далеки от действительности: тетраэдрная модель позволяет отказаться от капельной и оболочечной моделей, как не соответствующих физической реальности.
В каждом ядре нуклоны занимают фиксированные положение, определяемые ячейками ядерного каркаса, и совершают только колебательное движение вблизи точек равновесия. Это равновесие определяется равенством сил притяжения со стороны 3-х (n,m)-узлов, в которые встроен каждый нуклон, и сил отталкивания, создаваемых кернами нуклонов, с которыми данный нуклон находится в непосредственном контакте.
Главными элементами ядра являются (n,m)-узлы: вид этих узлов, в которых сконцентрированы все имеющиеся в ядре заряды и спины, позволяет вычислить спиновый, электрический и магнитный моменты любого ядра. Сравнение вычисленных моментов с экспериментальными значениями позволит дать однозначный ответ: «Действительно ли тетраэдрная модель правильно описывает структуру атомного ядра?».
Выводы
1. Атомные ядра образуются в результате объединения кварков соседних нуклонов в (n,m)-узлы, выполняющие функцию крепления нуклонов.
2. Каждый нуклон вносит 3 кварка в три (n,m)-узла, благодаря чему данный нуклон притягивается к нуклонам, которые также вносят свои кварки в эти узлы.
3. (n,m)-узлы соединяют нуклоны в упорядоченные конструкции: каждое ядро имеет особый вид ядерной конструкции и свой собственный набор (n,m)-узлов.
4. Энергия связи нуклонов в ядрах представляет собой кулоновскую энергию кварков в (n,m)-узлах.
5. Спин ядра получается путем сложения исключительно спинов (n,m)-узлов, т.к. у нуклонов отсутствуют орбитальные моменты.
6. Возбужденные состояния ядер создаются вследствие поворотов нуклонов в ячейках ядерного каркаса и переворотов спинов кварков в (n,m)-узлах.
7. Магические и полумагические ядра образуются, когда ячейки ядерного каркаса заполняются тетраэдрами-нуклонами максимально плотно, и распределение (n,m)-узлов в ядерной конструкции является максимально симметричным.
8. Магнитный момент ядер создается вращением зарядов (n,m)-узлов вокруг оси вращения ядра, определяемой сложением вращений, которые придают ядру спиновые моменты количества движения (n,m)-узлов.
9. Электрический квадрупольный момент ядер рассчитывается относительно электрического центра ядра, который находится из условия равенства нулю суммарного дипольного момента всех (n,m)-узлов.
10. Сильное взаимодействие не является физической реальностью: внутри адронов функцию сильного взаимодействия выполняет 3-х лепестковое строение поверхности Боя, а в ядрах – кулоновское взаимодействие кварков в (n,m)-узлах.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.А. Шашлов, Ядра атомов, как нуклонные конструкции // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26991, 24.02.2021
2. В.А. Шашлов, Вычисление аномальных магнитных моментов нуклонов «из первых принципов» // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26719, 06.10.2020
В.А. Шашлов, Тайна Атомного Ядра // «Академия Тринитаризма», М.,
 |