Дискуссии - Наука

В.А. Шашлов

Атомные ядра представляют собой конструкции, составленные из вложенных друг в друга сферических слоев нуклонов. Крепление нуклонов в ядерных конструкциях осуществляется с помощью кварковых узлов, образуемых в результате объединения кварков соседних нуклонов.

Цель работы

Цель работы – описать структуру атомных ядер и, исходя из этой структуры, объяснить основные ядерные свойства.

Содержание работы

В первой части описано строение ядерных конструкций, полученных в результате объединения кварков соседних нуклонов в кварковые узлы.

Во второй части показано, что все основные свойства атомных ядер вытекают из структуры ядерных конструкций.

В третьей части рассмотрены простейшие ядерные конструкции дейтрона и гелия.

I. Атомные ядра, как нуклонные конструкции

Существующие модели ядра не объясняют все ядерные свойства. Например, ни капельная, ни оболочечная модели не способны вычислить квадрупольные электрические моменты ядер. Более того, даже физические принципы, на которых основаны ядерные модели, не согласуются друг с другом. Это позволяет заключить, что существующие модели не в полной мере отражают реальную структуру атомных ядер.

В работе [1] описана модель, в которой ядра представляют собой нуклонные конструкции, образованные путем объединения нуклонов своими кварками.

Такое объединение происходит благодаря тому, что кварки располагаются в небольших выступах поверхности нуклона. Когда нуклоны сближаются вершинами этих выступов (каковыми являются лепестки поверхности Боя), кварки контактирующих нуклонов сближаются на расстояние, много меньшее размеров самих нуклонов, т.е. порядка сотых долей Фм: (0,1 – 0,01 Фм). На таком расстоянии кулоновская энергия взаимодействия кварков достигает величины несколько Мэв, что достаточно для удержания нуклонов в составе ядерных конструкций [1].

Примечание. Нуклоны, как все адроны, обладают жестким керном, имеющим форму поверхности Боя, три лепестка которой выполняют функцию кварков.

Вершины лепестков поверхности Боя образуют правильный треугольник, который можно рассматривать, как основание прямоугольного тетраэдра, вершина которого соответствует центральной части поверхности Боя (где соединяются 3 лепестка): данный прямоугольный тетраэдр достаточно хорошо моделирует форму поверхности Боя.

Прямоугольный тетраэдр обладает высокой симметрией, поэтому конструкции, которые получаются путем соединения вершин оснований прямоугольных тетраэдров, также будут иметь достаточно высокую степень симметрии. Эта симметрия не является столь высокой, как у кристаллических решеток, однако возникающие при таком соединении конструкции обладают симметрией квазикристаллов, элементарные ячейки которых имеют форму тетраэдров.

Примечание. В тетраэдрических квазикристаллах ячейки расположены упорядоченно, хотя и не через одинаковые пространственные промежутки.

При объединении вершин оснований прямоугольных тетраэдров (вершин лепестков поверхностей Боя) расположенные в этих вершинах кварковые заряды образуют небольшие по размеру объекты (на 1-2 порядка меньше размера нуклона), содержащие n штук u-кварков и m штук d-кварков: кварковые (n,m)-узлы.

Формирование нуклонных конструкций происходит благодаря собиранию кварков соседних нуклонов в (n,m)-узлы. Образование (n,m)-узлов происходит благодаря тому, что (n + m) нуклонов состыкуются в данном объеме пространства участками своих поверхностей (вершинами своих лепестков), в которых расположены кварки.

Примечание. Каждый нуклон вносит свои 3 кварка в три разные (n,m)-узла.

В (n,m)-узлах кварки сближаются на расстояние в сотые доли Фм, благодаря чему кулоновская энергия взаимодействия кварков в расчете на один кварк достигает величины ~ 3 Мэв, а в расчете на один нуклон ~ 3*3 ~ 9 Мэв, что совпадает с экспериментальным значением: именно кварковые узлы скрепляют нуклоны в ядерные конструкции.

Причина, по которой кварки объединяются в (n,m)-узлы обусловлена тем, что нуклоны имеют форму поверхности Боя, а кварки располагаются в вершинах лепестков поверхности Боя. При образовании ядер, нуклоны сближаются вершинами своих лепестков, благодаря чему происходит образование (n,m)-узлов.

Задача исследования структуры ядра сводится к нахождению его конструкции: после того, как будет определена конструкция ядра и, тем самым, положение всех нуклонов и (n,m)-узлов, можно вычислить все физические свойства данного ядра.

Для нахождения конструкции атомных ядер, введем вспомогательную конструкцию, выполняющую функцию «строительных лесов»: ядерный каркас.

Ячейками ядерного каркаса служат правильные тетраэдры, размер которых лишь незначительно превышает размер нуклона: грань ячейки имеет тот же размер, как размер треугольника, образованного вершинами лепестков поверхности Боя. т.е. совпадает с основанием моделирующего нуклон прямоугольного тетраэдра.

В такие ячейки прямоугольные тетраэдры-нуклоны могут встраиваться только если вершины их оснований будут совмещаться с вершинами ячеек. Поскольку кварки располагаются в вершинах оснований, то при таком совмещении, все кварки автоматически оказываются расположены вблизи вершин ячеек ядерного каркаса, результатом чего является образование вокруг этих вершин (n,m)-узлов.

Примечание. (n,m)-узлы образуются вокруг узлов ядерного каркаса, в которых сходятся вершины прилегающих друг к другу ячеек каркаса.

Пронумеровав все ячейки и все узлы ядерного каркаса, можно записать нуклонную и кварковую формулы:

1. нуклонная формула показывает, в ячейки с какими номерами встраиваются нуклоны, а также является этот нуклон протоном или нейтроном,

2. кварковая формула показывает, вокруг узлов с какими номерами сформировались (n,m)-узлы, а также сколько в этом узле u-кварков и d-кварков.

Нуклонная и кварковая формулы каждого ядра находятся путем построения модели ядерной конструкции данного ядра. Конструкции строятся из прямоугольных тетраэдров, достаточно хорошо передающих форму поверхности Боя. Эти тетраэдры укладываются в ячейки ядерного каркаса: как и сам каркас, ядерные конструкции имеют сферическую форму и состоят из отдельных сферических слоев.

Каждый слой содержит определенное количество ячеек: в первом слое 4 ячейки, во втором – 12, в третьем – 24 и т.д. Эти количества определяют магические числа: магические ядра возникают, когда происходит полное заполнение очередного сферического слоя ядерного каркаса.

При встраивании в ячейки ядерного каркаса Z тетраэдров-протонов и N тетраэдров-нейтронов получается модель конструкции ядра ^Z+N_ZХ. Вид данной конструкции непосредственно показывает, как расположены нуклоны и (n,m)-узлы в данном ядре, что позволяет вычислить все физические свойства данного ядра.

II. Свойства ядер, как нуклонных конструкций

Покажем, что построение ядерной конструкции и нахождение нуклонной и кварковой формул действительно определяет основные свойства ядра.

1. Определяется механический вращательный момент (спин) ядра.

Спин ядра формируется путем суммирования спинов всех (n,m)-узлов: результирующее значение спина получается как максимальное значение при сложении спинов (n,m)-узлов. В данной модели не требуется предполагать, что нуклоны в ядрах совершают орбитальное движение: орбитального движения не существует, поскольку нуклоны жестко закреплены в ячейках ядерного каркаса.

Примечание. Нуклоны в ядрах не совершают орбитальные движения и не обладают орбитальным моментом: лишь отдельные нуклоны могут совершать индивидуальное вращение, оставаясь внутри своих ячеек.

Данная модель устраняет одну из главных непоследовательностей оболочечной модели, в которой величина спина не всегда равна максимальному значению складываемых моментов (приходится учитывать деформацию ядер, причем для одних ядер деформация корректирует значение спина, а для других – нет).

Примечание. В данной модели «железное» правило квантовой механики, что результирующий спин равен максимальному значению квантового вектора, получаемого сложением отдельных спинов, выполняется во всех случаях.

2. Вычисляются электрические и магнитные моменты всех ядер.

Нуклонная формула определяет распределение массы нуклонов по объему ядра, а кварковая формула определяет распределение зарядов и спинов. Найдя нуклонную и кварковую формулы и, тем самым, определив распределения масс, зарядов и спинов, можно вычислить как электрический, так и магнитный моменты [1].

3. Моменты инерции ядер примерно в 2 раза меньше момента инерции твердотельного ротатора такой же массы и размеров.

Причина заключается в том, что внутренние, заполненные слои нуклонных конструкций не принимают участие во вращении. Вместе с тем, когда момент количества движения ядра достигает значительных величин, внутренние слои также приводятся во вращение и дают вклад в момент инерции, что объясняет эффект бэкбендинга.

Примечание. В настоящее время данные эффекты объясняются сверхтекучей моделью, которая для столь малых систем является физически не состоятельной.

4. Объясняется природа сил спаривания.

Силы спаривания между одноименными нуклонами вводятся для объяснения 2-х фактов: 1) удельная энергия связи четно-четных ядер превышает удельную энергию связи соседних нечетных ядер, 2) спин четно-четных ядер равен нулю.

В предлагаемой модели оба эти факта объясняются тем, что в четно-четных ядрах (n,m)-узлы также являются четно-четными, а все нечетные (n,m)-узлы располагаются одинаковыми парами, расположенными в пределах одной ячейки ядерного каркаса. В обоих случаях реализуется принцип Паули, в соответствие с которым спины кварков в (n,m)-узлах и спины соседних (n,m)-узлов располагаются противоположно друг другу.

Примечание. Свойства четно-четных ядер – это проявление принципа Паули на кварковом уровне: принцип Паули работает внутри (n,m)-узлов.

5. Насыщение ядерных сил.

Данное свойство объясняется тем, что нуклоны в ядрах взаимодействуют только с теми нуклонами, с которыми находятся в непосредственном контакте: каждый нуклон взаимодействует только с теми нуклонами, которые вносят свои кварки в те самые три (n,m)-узла, в которые встроен данный нуклон.

6. Нецентральный характер межнуклонных взаимодействий.

В центральной части нуклонов нет никаких зарядов: все заряды расположены в вершинах лепестков поверхности Боя, поэтому взаимодействие между нуклонами непременно является нецентральным.

III. Конструкции простейших ядер

Простейшими ядерными конструкциями являются конструкции ядер дейтрона ²Н, тритона ³Н и ядер гелия ³Не, ⁴Не.

1. Конструкция дейтрона получается, когда тетраэдр-протон и тетраэдр-нейтрон накладываются так, что все 3 кварка, входящие в состав протона и нейтрона, располагаются напротив друг друга, образуя три (1,1)-узла. При таком расположении, расстояние между вершинами лепестков протона и нейтрона всего лишь в 2 раза меньше размера самих нуклонов (более тесному сближению мешают сами лепестки), т.е. расстояние между u-кварком и d-кварком в (1,1)-узлах дейтрона составляет ~ 0,4 Фм. Вследствие «рыхлости» (1,1)-узлов, удельная энергия связи дейтрона (~ 1,1 Мэв) почти на порядок меньше средней величины, характерной для остальных ядер (~ 8 Мэв).

2. Конструкции ³Н и ³Не получаются, когда 3 тетраэдра-нуклона накладываются своими основаниями на 3 боковые грани нулевой ячейки. В результате, получается конструкция, имеющая форму, похожую на форму треугольной пирамиды (у которой отсутствует основание).

Непарный нуклон в конструкциях ядер ³Н и ³Не испытывает индивидуальное вращение вокруг оси с меньшим значением момента инерции, чем у свободного нуклона, – именно по этой причине магнитные моменты ядер ³Н и ³Не по абсолютной величине превышают магнитные моменты свободного протона и свободного нейтрона.

3. Конструкция ⁴Не получается, когда четвертый тетраэдр-нуклон пристраивается своим основанием к основанию конструкции ядер ³Н или ³Не. Тем самым, происходит полное заполнение первого слоя ядерного каркаса и ядро ⁴Не оказывается магическим.

Более подробно конструкции всех этих ядер и вычисление их физических величин рассмотрены в работах автора на сайте «Академия Тринитаризма».

Заключение

В работе предлагается принципиально новая модель ядра, в которой объединение нуклонов в ядра осуществляется за счет объединения кварков контактирующих нуклонов. В результате такого объединения получаются ядерные конструкции, в которых нуклоны укладываются сферическими слоями, содержащими определенное количество нуклонов.

Для лучшего понимания предлагаемой модели атомных ядер, приведем основные положения данной модели еще раз.

1. Нуклоны образованы на основе односторонней поверхности Боя, содержащей 3 лепестка, в вершинах которых расположены кварковые заряды.

2. При образовании ядер, нуклоны сближаются вершинами своих лепестков, что приводит к объединению кварков в кварковые узлы.

3. Энергия кулоновского взаимодействия кварков в кварковых узлах составляет энергию связи нуклонов в атомных ядрах.

4. Форма ядер определяется формой ядерного каркаса, составленного путем наложения граней правильных тетраэдров.

5. Все составляющие ядро нуклоны встраиваются в определенные ячейки каркаса и занимают в них строго определенное положение.

6. Построив модель ядерной конструкции и определив распределение нуклонов и кварковых узлов по объему ядра, можно вычислить все физические параметры ядра.

Выводы

1. Ядра представляют собой нуклонные конструкции, построенные путем объединения кварков соседних нуклонов.

2. Объединение кварков соседних нуклонов приводит к образованию кварковых узлов, выполняющих функцию крепления нуклонов в ядрах.

3. Форма ядерных конструкций определяется формой ядерного каркаса, образованного наложением граней правильных тетраэдров.

4. Строение ядерных конструкций определяется способом заполнения нуклонами ячеек ядерного каркаса.

5. Способ заполнения ядерного каркаса определяет распределение масс, зарядов и спинов по объему ядерной конструкции.

6. Найдя распределение масс, зарядов и спинов, можно вычислить спиновый, электрический и магнитный моменты любого ядра.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Шашлов, Физика атомного ядра // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 27316, 04.09.2021

[Обсуждение на форуме «Публицистика»]