|
|
В.А. Шашлов
Изложены физические принципы, на которых построены атомные ядра. Описаны алгоритмы вычисления спинового, магнитного и электрического моментов. Рассмотрено применение этих алгоритмов для ядер 6Li, 7Li, 9Ве.
Цель работы
Цель работы – описать дополнительные аспекты конструктивной модели атомного ядра, в соответствие с которой ядра представляют собой конструкции, образованные регулярным расположением нуклонов.
Данная работа является прямым продолжением работ [1,2].
Содержание работы
В первой части описан способ сборки нуклонов в нуклонные конструкции.
Во второй части описаны алгоритмы вычисления механического, магнитного и электрического моментов ядер, как нуклонных конструкций.
В третьей части описаны конструкции ядер 6Li, 7Li, 9Ве.
I. Принципы построения ядерных конструкций
Основное утверждение конструктивной модели ядра: нуклоны объединяются в ядра благодаря объединению кварков в кварковые узлы.
Кварковые узлы формируются, поскольку нуклоны поворачиваются друг к другу участками поверхности, в которых расположены кварки: в результате, кварки соседних нуклонов оказываются в непосредственной близости друг от друга и собираются в небольших областях пространства, – эти области являются кварковыми узлами.
Кварковый узел содержит N кварков: это количество нуклонов, которые окружают данный узел и вносят в него по одному кварку. В число этих N кварков входят «n» u-кварков и «m» d-кварков, потому узлы обозначается (nu,md) или просто (n,m).
В кварковых узлах кварки располагаются друг от друга на расстоянии порядка 0.01 Фм, благодаря чему кулоновская энергия этих узлов, расчете на один кварк, составляет несколько Мэв. Соответственно, в расчете на один нуклон, эта энергия в 3 раза больше и достигает ~ 8 Мэв: эта энергия связывает нуклоны, являясь энергией связи ядер.
Итак, при формировании ядер, нуклоны разворачиваются друг к другу участками, в которых расположены кварки, и образуют (n,m)-узлы.
Примечание 1. Кварки располагаются вблизи поверхности нуклона, т.к. нуклоны образованы на основе 3-лепестковой поверхности Боя, и кварковые заряды расположены в вершинах лепестков: нуклоны объединяются в ядра вершинами своих лепестков.
Примечание 2. Объединение кварков соседних нуклонов в кварковые узлы может осуществляться и в стандартной модели нуклона, в которой кварки совершают движение в объеме нуклона: одна пара кварков может оказаться вблизи области столкновения нуклонов и эти кварки могут положить начало кварковому узлу.
Каждый нуклон вносит свои 3 кварка в 3 разные кварковые узла. В результате, образуется 3-мерная сеть, ячейками которой служат отдельные нуклоны, а узлами этой сети являются кварковые узлы.
Данная 3-мерная сеть имеет структуру квазикристалла: атомные ядра можно рассматривать, как крошечные кусочки квазикристаллов.
В (n,m)-узлах, u-кварки и d-кварки располагаются таким образом, что суммарное расстояние между одноименными кварками больше расстояния между разноименными кварками. В этом случае, кулоновская энергия притяжения разноименных кварков больше кулоновской энергии отталкивания одноименных кварков, вследствие чего кварковые узлы стягивают нуклоны, вносящие в них свои кварки, в результате чего происходит собирание нуклонов в ядра.
Процесс собирания нуклонов в ядра аналогичен процессу слипания диполей, поднесенных на близкое расстояние. Отличие в том, что «слипание» нуклонов происходит на масштабе единиц Фм, и каждый нуклон имеет не 2, а 3 заряженных полюса: атомное ядро – это клубок слипшихся 3-полей.
Примечание. Представление нуклонов в виде 3-полей возможно, т.к. кварки располагаются в 3-х отделенных друг от друга лепестках поверхности Боя.
Итак, атомные ядра можно рассматривать в виде следующих 3-х близких по структуре объектов:
1. клубок 3-полей,
2. 3-мерная сеть,
3. кусочек квазикристалла.
Четвертое представление: ядра можно рассматривать, как конструкции, построенные из нуклонов путем соединения их тремя точками, в которых расположены кварки. В нуклонных конструкциях, каждый нуклон занимает фиксированное положение, и каждое ядро имеет свой особый вид ядерной конструкции.
Конструкцию любого ядра построить достаточно просто. Для этого следует изготовить модель нуклона в виде прямоугольного тетраэдра, в 3-х вершинах основания которого имеются пластилиновые шарики 2-х цветов, обозначающих u-кварки и d-кварки.
Взяв Z тетраэдров-протонов, N тетраэдров-нейтронов и соединив определенным образом вершины их оснований, получим модель конструкции ядра (Z+N)Z.
Вид данной конструкции покажет распределение масс, зарядов и спинов по объему ядра. В свою очередь, зная эти распределения, можно вычислить все физические характеристики данного ядра, в частности, электрический и магнитный моменты.
II. Механический и электромагнитные моменты ядер
1. Для вычисления механического момента (спина) атомных ядер не требуется учитывать ни спиновый, ни орбитальный моменты нуклонов: механический момент ядер создается только спиновыми моментами кварков.
Примечание. В ядрах у нуклонов вообще нет орбитальных моментов: каждый нуклон жестко закреплен в своем месте ядерной конструкции.
Поскольку все кварки собраны в кварковые узлы, то для нахождения спина ядра, сначала нужно сложить спины кварков в каждом из кварковых узлов, а затем сложить спины самих узлов.
Кварковые узлы делятся на 3 класса: четно-четные, нечетные, нечетно-нечетные.
В узлах, принадлежащих 1ому классу, четными являются и количество u-кварков, и количество d-кварков. В соответствие с принципом Паули, в этих узлах спины кварков компенсируют друг друга и результирующий спин равен нулю: s = 0.
В узлах 2ого класса спин одного нечетного кварка остается некомпенсированным, вследствие чего спин данных узлов равен s = 1/2.
Узлы 3ого класса встречаются значительно реже узлов первых 2-х классов; спин данных узлов равен сумме спинов нечетных u-кварка и d-кварка: s = 1/2 + 1/2 = 1.
Указанное распределение кварков по кварковым узлам 3-х видов объясняет, почему величина спина атомных ядер значительно меньше числа содержащихся в них нуклонов: большая часть спинов кварков компенсируется в кварковых узлах.
Примечание. Вывод о небольшой величине спина ядер содержащих десятки и сотни нуклонов, получается исключительно из надежно проверенного принципа Паули: не требуется вводить фиктивные силы «спаривания», которые никто никогда не измерял.
Поскольку кварковые узлы жестко встроены в ядерную конструкцию, то спиновые моменты узлов передаются всей конструкции и придают вращение ядру, как целому: данное вращение измеряется в виде спинового момента ядра.
Однако, для некоторых ядер этот вывод нуждается в уточнении. Если непарный кварк принадлежит нуклону, который способен совершать индивидуальное вращение (такое вращение возможно, если соседняя ячейка ядерного каркаса не занята нуклоном), то спин данного кварка раскручивает только данный нуклон. В этом случае, спин ядра складывается из спина ядерной конструкции и спина данного нуклона.
2. Магнитные моменты атомных ядер получаются путем суммирования магнитного момента (µ1), создаваемого вращением ядра, как целого, и магнитного момента (µ2), создаваемого индивидуальным вращением нуклонов.
Чтобы определить величину µ1, требуется сложить угловые скорости, которые придают спиновые моменты отдельных узлов и найти угловую скорость и положение оси вращения ядра. Найдя расстояния от оси вращения до каждого (n,m)-узла и заметаемые этими узлами площади, можно будет воспользоваться классической формулой для магнитного момента, создаваемого круговым вращением зарядов.
Величина µ2 зависит от того, является вращающийся нуклон протоном или нейтроном. В первом случае магнитный момент совпадает с магнитным моментом ядра 3Н, а во втором – с магнитным моментом ядра 3Не. Причина заключается в том, что непарные протон и нейтрон вращаются примерно в тех же самых условиях, в которых протон и нейтрон находятся в ядрах 3Н и 3Не, где вращение данных нуклонов является единственным источником магнитного момента.
Итоговый магнитный момент получается в виде векторной суммы µ ~ µ1 + µ2.
3. Электрический квадрупольный момент (Q) характеризует степень отклонения распределения совокупности электрических зарядов от сферически симметричного. Построив модель ядерной конструкции и найдя распределение кварковых зарядов по ее узлам, можно вычислить квадрупольный момент.
При вычислении квадрупольного момента следует учитывать 2 обстоятельства:
1) величина заряда кварковых узлов может иметь дробную величину,
2) знак создающих квадрупольный момент кварковых зарядов противоположен знаку заряда этих же кварков в обычном, физическом пространстве [3].
Первая из этих особенностей требует изменить в формуле для Q величину нормировочного множителя: для дробных зарядов этот множитель должен иметь величину 1/(1/3) или 1/(2/3).
Вторая особенность позволяет объяснить экспериментальный факт, что ядер, у которых знак квадрупольного момента положителен, значительно больше, чем ядер с отрицательным знаком Q.
Согласно классической формуле, положительный знак Q соответствует вытянутым ядрам, а отрицательный знак Q – сплюснутым ядрам. Однако значительная часть ядер вращается, что приводит к сплющиванию ядер, поэтому больше должно быть ядер с отрицательным Q, что находится в вопиющем противоречии с экспериментом.
Включение в классическую формулу знака «-» устраняет это противоречие.
III. Конструкции ядер 6Li, 7Li, 9Ве
Все ядерные конструкции строятся по единому алгоритму.
Сначала строится ядерный каркас, выполняющий функцию «строительных лесов». Каркас строится путем наложения граней правильных тетраэдров, ребра которых имеют длину а ~ 2,75 Фм. Затем в отдельные ячейки этого каркаса вставляются тетраэдры-нуклоны, имеющие такие же размеры [1,2].
Встраивание происходит таким образом, что вершины оснований тетраэдров-нуклонов, в которых находятся кварковые заряды (и спины) совмещаются с вершинами ячеек каркаса. Вследствие этого, вокруг вершин ядерного каркаса образуются кварковые узлы, удерживающие нуклоны в составе ядерных конструкций.
Конструкции ядер 6Li, 7Li, 9Ве были рассмотрены в работах [4,5,6]. Уточним отдельные аспекты данных конструкций.
1) В ядре 6Li все 18 кварков, входящих в состав этого ядра, собираются вокруг вершин всего 2-х ячеек ядерного каркаса, которые состыкованы своими основаниями. Одна из этих ячеек – это нулевая ячейка, вершинам которой присвоены номера №1, №2, №3, №4, а вторая ячейка имеет то же основание (2,3,4), а четвертой вершиной является вершина №5, зеркально симметричная вершине №1 относительно этого основания.
Все 3 тетраэдра-протона и 3 тетраэдра-нейтрона, которые составляют ядро 6Li, располагаются своими основаниями на 6ти боковых гранях этих 2-х ячеек. Поворачивая все эти 6 оснований вокруг своих осей симметрии (совершая повороты на 1200 и 2400), нетрудно найти единственное положение всех 6ти тетраэдров-нуклонов, при котором распределение кварков по всем 5 вершинам будет иметь наиболее симметричный вид:
{6Li} = {(2u,1d), (2u,2d), (2u,2d), (2u,2d), (1u,2d)}.
В данном распределении сразу 3 узла являются четно-четными, вследствие чего спин всего ядра принимает минимальное значение, равное сумме спинов 2-х нечетных узлов: S(6Li) = 1/2 + 1/2 = 1. Тем самым, находит решение первая из 2-х загадок ядра 6Li, которые остались нерешенными в существующих теоретических моделях ядра: согласно этим моделям, спин ядра 6Li должен быть равен 3.
Вторая загадка касается чрезвычайно малого значения квадрупольного момента ядра 6Li, хотя один непарный протон, расположенный от центра ядра на расстоянии равном радиусу ядра 6Li (r ~ 2,52 Фм), должен создавать внутренний квадрупольный момент Q0 ~ 2r2 ~ 12,7 Фм2, что в 15 раз превышает экспериментальное значение.
Данная загадка разрешается тем, что заряженными являются только 4 из 5 узлов конструкции ядра 6Li, и эти 4 узла располагаются вокруг 4-х вершин нулевой ячейки каркаса, причем заряды 3-х узлов одинаковые, а заряд 4ой вершины лишь немного отличается от них. Это означает, что в ядре 6Li заряженные узлы располагаются с высокой степенью сферической симметрии, из чего следует, что квадрупольный момент ядра 6Li должен быть весьма небольшим.
2) Ядро 7Li отличается от ядра 6Li добавлением одного нейтрона. Этот нейтрон вставляется в ячейку с вершинами (2,3,4,5), прикрепляясь своими кварками к основанию этой ячейки, т.е. к вершинам №2, №3, №4.
При этом происходят перестановки кварков между данными вершинами и вершиной №5, в результате чего в вершине №5 (как в вершине №1) образуется (2,1)-узел, а в каждой из вершин №2, №3, №4 появляются (2,3)-узлы.
В итоге, кварковая формула ядра 7Li приобретает вид:
{7Li} = {(2u,1d), (2u,3d), (2u,3d), (2u,3d), (2u,1d)}.
Данная формула имеет высокую степень симметрии, что говорит в пользу ее истинности: соответствующая данной формуле ядерная конструкция правильно описывает структуру ядра 7Li.
Данная конструкция ядра 7Li позволяет решить еще одну загадку, касающуюся ядер 6Li и 7Li. Отличаясь всего одним нейтроном, который «по идее» не должен вносить существенный вклад в квадрупольный момент, эти ядра имеют совершенно различные величины Q: отличаются не только абсолютные величины (в 25 раз!), но даже знаки Q.
Причина большой величины Q(7Li) заключается в том, что в конструкции 7Li две наиболее удаленные друг от друга вершины, в которых сформированы (2,1)-узлы, имеют заряды q = 1. Соединяющий эти вершины отрезок задает выделенное направление: ось z. Эти 2 заряда вносят основной вклад в квадрупольный момент, равный 2*2h2, здесь h – высота ячейки ядерного каркаса [5].
Отрицательный знак Q(7Li) обусловлен той же самой причиной: конструкция ядра 7Li в электрическом смысле (и в геометрическом тоже) является вытянутой вдоль оси z, из чего следует, что Q должен иметь (-) знак.
3) Конструкция 9Ве получается путем соединения 2-х конструкций ядра 4Не, построенных на основе 2-х ячеек ядерного каркаса с вершинами (1,2,4,7) и (1,3,4,6) [6].
Эти ячейки имеют общее ребро (1,4), однако этого недостаточно для образования устойчивой конструкции. Устойчивость достигается благодаря тому, что в вершины №1, №2, №3 вставляется основание тетраэдра-нейтрона. Наличие этого жесткого элемента придает жесткость всей конструкции, и ядро 9Ве оказывается стабильным.
Загадка, связанная с ядром 9Ве, заключается в том, что его квадрупольный момент имеет столь же большую величину, как ядро 7Li, но противоположный, (+) знак.
Причина в том, что большая часть заряженных узлов в конструкции ядра 9Ве также располагаются на максимальном удалении друг от друга, однако эта конструкция является сплюснутой и, следовательно, квадрупольный момент должен иметь (+) знак.
Заключение
Основным принципом формирования атомных ядер является объединение кварков соседних нуклонов в кварковые узлы, которые служат креплениями, стягивающими нуклоны в ядерные конструкции.
В атомных ядрах кварки являются принадлежностью не только нуклонов, но образуют также самостоятельные объекты – кварковые узлы, которые выполняют функцию крепления нуклонов.
Все физические величины атомных ядер полностью определяются видом ядерной конструкции и набором кварковых узлов.
Выводы
1. В атомных ядрах кварки соседних нуклонов собираются в кварковые узлы.
2. Кварковые узлы скрепляют нуклоны в ядерные конструкции.
3. Каждое ядро обладает своим видом ядерной конструкции и своим набором кварковых узлов.
4. Вид ядерной конструкции и набор кварковых узлов полностью определяют физические свойства данного ядра.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.А. Шашлов, Конструктивная ядерная модель // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 27395, 02.11.2021
2. В.А. Шашлов, Конструктивная модель ядра (II) // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 25609, 26.07.2019
3. В.А. Шашлов, Атомные ядра от нуклона до оганесона (I) // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 27443, 29.11.2021
4. В.А. Шашлов, Конструкция ядра 6Li // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 27443, 29.11.2021
5. В.А. Шашлов, Конструкция ядра 7Li // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 27463, 08.12.2021
6. В.А. Шашлов, Конструкция ядра 9Ве // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 27474, 15.12.2021
В.А. Шашлов, Конструктивная модель ядра (III) // «Академия Тринитаризма», М.,
 |