Напечатать документ Послать нам письмо Сохранить документ Форумы сайта Вернуться к предыдущей
АКАДЕМИЯ ТРИНИТАРИЗМА На главную страницу
Дискуссии - Наука

В.А. Шашлов
Принципы построения ядерных конструкций. Часть 2

Oб авторе


Предложен новый механизм образования атомных ядер: нуклоны объединяются в ядра кварковыми узлами, в которые собираются валентные кварки контактирующих нуклонов.


Цель работы

Цель работы – описать основные положения конструктивной модели ядра, которая способна дать единое объяснение всех ядерных эффектов, а также вычислить механический, электрический и магнитный моменты всех ядер.


Содержание работы

В первой части изложена модель нуклона, которая используется при построении конструктивной модели атомных ядер.

Во второй части описан способ соединения нуклонов путем объединения кварков в кварковые узлы.

В третьей части описан алгоритм вычисления физических параметров ядер в рамках конструктивной модели.


I. Что первично: адроны или кварки?

Согласно Стандартной модели, адроны образованы из кварков, имеющих самостоятельное (независимое) существование. В данной работе предлагается прямо противоположный взгляд на взаимоотношение адронов и кварков: первичными являются адроны, а кварки образуются в процессе рождения адронов.

Такое соотношение вытекает из модели, в соответствие с которой адроны построены на основе поверхности Боя: каждый адрон имеет жесткий керн в форме поверхности Боя, а кварки – это лепестки поверхности Боя.


Примечание. Поверхность Боя представляет собой замкнутую одностороннюю поверхность, имеющую форму трилистника: каждый из 3-х лепестков трилистника топологически эквивалентен односторонней сфере.


Наряду с поверхностью Боя, в состав каждого адрона входит связка прямых.


Примечание. Связка является второй составной частью любой частицы материи: связка – это множество всех прямых, проходящих через одну точку пространства; в нашем случае – это «тройная точка» поверхности Боя, общая для всех 3-х лепестков.


Итак, каждый адрон устроен следующим образом: адрон – это связка аффинно-проективных прямых в центре которой расположена поверхность Боя.

При таком расположении керна и связки, все составляющие связку прямые пересекают керн, наделяя адроны массой, зарядом, спином: натяжение прямых связки порождает массу, вращение создает заряд, а кручение – спин.


Примечание 1. В данной модели масса, заряд и спин имеют единую природу: они обладают одним и тем же носителем – связкой прямых.

Примечание 2. Связка выглядит, как метафизическое понятие, однако множество всех связок можно рассматривать, как «обобщенное поле Хиггса», наделяющее частицы не только массой, но также зарядом и спином: для построения Единой теории физики, такое «поле Хиггса» предпочтительнее.


Наличие у прямых связки натяжения и кручения естественно, поскольку любую прямую можно представлять, как тонкую нить, однако, как прямая может вращаться?

Ответ состоит в том, что составляющие связку прямые являются не обычными (аффинными) прямыми, а аффинно-проективными RP1-прямыми.

RP1-прямые содержат бесконечно удаленную точку, которая объединяет обе бесконечные точки (+∞) и (-∞) обычной прямой, в результате чего прямая принимает форму окружности и, как всякая окружность, может находиться в состоянии вращения.

Вращение RP1-прямой означает наличие у нее ориентации: прямая ориентирована в направлении своего вращения. Аффинно-проективная прямая отличается от проективной прямой тем, что бесконечно удаленная точка является выделенной, и при пересечении бесконечно удаленной точки изменяется ориентация прямой.

Это означает, что изменяется направление вращения RP1-прямой: если прямая вращается в направлении бесконечно удаленной точки, то после пересечения прямая также будет вращаться в направлении этой точки, т.е. по отношению к исходному вращению – в противоположном направлении.

Справедливо и обратное утверждение: если прямая вращается от бесконечно удаленной точки, то перед пересечением данной точки прямая также вращалась от этой точки, т.е. по обе стороны от бесконечно удаленной точки прямая ориентирована в направлении от бесконечно удаленной точки.


Примечание. Дело выглядит так, словно на бесконечности находится «редуктор», который обращает направление вращения RP1-прямой. В действительности, инверсия является свойством аффинно-проективного пространства, которому принадлежат связки прямых: бесконечно удаленные элементы этого пространства образуют одностороннюю сферу, при пересечении которой прямые изменяют ориентацию.


Аналогичным образом изменяется направление вращения прямых при пересечении лепестка поверхности Боя: с обоих сторон от лепестка прямая может вращаться (т.е. быть ориентированной) либо от лепестка, либо на лепесток.

Комбинируя указанные 4 варианта пересечения прямыми бесконечно удаленной плоскости и центрального керна частицы, получаем, что RP1-прямая может вращаться одним из 2-х способов:

1) обе половинки прямой движутся от керна к бесконечности,

2) обе половинки прямой движутся от бесконечности к керну.

В первом случае на всем своем протяжении RP1-прямая ориентирована от керна к бесконечности, а во втором случае – в противоположном направлении. Именно такую ориентацию имеют силовые линии (+) и (-) зарядов, на основании чего можно сделать вывод: связки аффинно-проективных прямых, в центре которых находятся односторонние сферы, служат носителями электрических зарядов.

Выяснение истинной природы электрических зарядов выявляет механизм кулоновского взаимодействия. Вращение RP1-прямых означает, что каждая пара заряженных частиц непрерывно обменивается отрезками этих прямых: в течение одинаковых интервалов времени отрезки одинаковой длины «входят» и «выходят» из керна каждой заряженной частиц, что обуславливает кулоновское взаимодействие данной частицы со всеми остальными заряженными частицами.


Примечание. В квантовой электродинамике этот процесс описывается, как поглощение и испускание виртуальных фотонов. В отличие от модели виртуальных фотонов, модель вращающихся RP1-прямых объясняет не только существование кулоновского взаимодействия, но и наличие у него 2 знаков: в зависимости от того, являются заряды разноименными или одноименными, отрезки прямых, которые соединяют эти заряды, вращаются в разных направлениях.


При соединении с односторонним трилистником, связка распределяется по лепесткам трилистника так, что с каждым лепестком связывается либо 1/3, либо 2/3 доля связки. В результате, на каждом лепестке образуется заряд величиной (1/3)е или (2/3)е: каждый лепесток становится либо d-кварком, либо u-кварком.

Кварки – это лепестки поверхности Боя, соединенные с долей связки величиной 1/3 или 2/3.

Данная модель объясняет дробную величину заряда кварков. Более того, в рамках данной модели получает объяснение самое таинственное свойство кварков – конфайнмент: кварки невозможно выделить из адронов, поскольку лепестки невозможно отделить от поверхности Боя.


Примечание. Отделение лепестка превращает его в одностороннюю сферу, которая служит жестким керном для заряженных лептонов, поэтому в большинстве реакций с участием адронов происходит рождение электронов или позитронов.


Кварковые заряды формируются в результате фокусирования долей связки лепестками поверхности Боя. Лепестки имеют форму сильно выпуклых «линз», поэтому кварковые заряды расположены вблизи вершин лепестков.

Изложенная модель адронов непосредственно переносится на нуклоны, а вывод о расположении кварков вблизи поверхности нуклонов имеет определяющее значение для конструктивной модели атомных ядер: такое расположение кварков позволяет кваркам соседних нуклонов сближаться и образовывать кварковые узлы, которые служат креплениями нуклонов в ядерных конструкциях.

В конструктивной модели атомных ядер не требуется сильное взаимодействие, обусловленное обменом виртуальными мезонами различных сортов (одни мезоны – для притяжения, другие – для отталкивания). Взаимодействие, приводящее к объединению нуклонов в ядра, является следствием геометрической структуры центрального керна нуклонов: наличия у керна 3-х заряженных «выступов» и благодаря кулоновскому взаимодействию таких «3-х полюсных» кернов.


Примечание. Аналогичным образом взаимодействуют 3-х зарядные ионы.


Наличие у нуклонов жестких кернов не позволяет им проникать друг в друга, что обуславливает наличие «уходящего в бесконечность» отталкивающего потенциала на расстояниях r1 ≤ 0,5 Фм: такое отталкивание – это следствие жесткости керна нуклонов.

Вместе с тем, 3-полюсное кулоновское взаимодействие обуславливает наличие сильного притяжения между нуклонами на расстояниях 0,5 Фм ≤ r2 ≤ 5 Фм, интенсивность которого очень сильно убывает с расстоянием.


Примечание. Расстояние r1 – это удвоенная средняя толщина лепестков поверхности Боя, а на расстояниях r2 нуклоны взаимодействуют как заряженные диполи (поскольку у нуклонов 3 заряженных полюса, их точнее именовать «триполи»).


Данный механизм объясняет не только наличие у сильного взаимодействия 2-х знаков и чрезвычайно сильную зависимость от расстояния, но и все остальные свойства: нецентральный характер, а также зависимость от ориентации и спина.


II. Строение ядерных конструкций

В первом приближении, пространственная форма поверхности Боя может быть представлена в виде сплюснутого тетраэдра, 3 вершины основания которого соответствуют вершинам 3-х лепестков. Основания тетраэдров-нуклонов имеют форму правильных треугольников с длиной стороны ~ 3 Фм.

Модель нуклона в виде сплюснутого тетраэдра, в 3-х вершинах основания которого располагаются кварки, позволяет построить модель атомных ядер, в которой ядра представляют собой конструкции, построенные из тетраэдров-нуклонов путем соединения вершин оснований.

При соединении данных вершин, находящиеся в них кварки сближаются на расстояние в сотые доли Фм, в результате чего эти кварки объединяются в группы, содержащие n штук u-кварков и m штук d-кварков: данные группы кварки представляют собой кварковые узлы, обозначаемые «(n,m)-узлы».

Энергия кулоновского взаимодействия в (n,m)-узлах в расчете на один кварк имеет величину порядка 3 Мэв/кварк, что в расчете на один нуклон составляет ~ 9 Мэв/нуклон: энергия связи нуклонов в ядрах – это кулоновская энергия кварков в (n,m)-узлах.

Для описания ядерных конструкций целесообразно ввести вспомогательную (воображаемую) конструкцию: «ядерный каркас», который построен путем наложения друг на друга правильных тетраэдров, ребра которых имеют длину ~ 3 Фм. Это позволяет данным тетраэдрам выполнять функцию ячеек, для встраивания тетраэдров-нуклонов.

Встраивание возможно, если основание тетраэдра-нуклона будет совмещено с одной из 4-х граней тетраэдра-ячейки. Это означает, что положение каждого нуклона внутри ядерной конструкции определяется практически однозначно. При выполнении дополнительных условий на количество и вид (n,m)-узлов, каждый нуклон занимает в ядерной конструкции строго фиксированное положение.

Ядерный каркас устроен следующим образом: в центре располагается нулевая ячейка, к 4м граням этой ячейки пристраиваются 4 ячейки первого слоя, затем к свободным граням ячеек первого слоя пристраиваются ячейки второго слоя и данный алгоритм продолжается. Результатом реализации данного алгоритма будет являться каркас с максимально плотной упаковкой тетраэдрических ячеек.

Все ядерные каркасы имеют сферически-слоистую форму: в центре расположен нулевой тетраэдр, его окружают 4 тетраэдра первого слоя, пристроенные к четырем граням нулевого тетраэдра, второй слой содержит 12 тетраэдров, наложенные на 4*3 = 12 свободных граней тетраэдров первого слоя, и т.д.

Способы построения третьего и последующего слоев ядерного каркаса не столь однозначны. Дело в том, что все 3*12 = 36 свободных граней тетраэдров второго слоя не могут быть «заставлены» тетраэдрами: эти тетраэдры будут накладываться друг на друга. Однако, если тетраэдры-ячейки будут присоединяться к 2м из 3-х свободных граней каждого тетраэдра второго слоя, то тетраэдры не будут пересекаться, и общее количество тетраэдров-ячеек в третьем слое будет равно 2*12 = 24.

Ядерные конструкции строятся путем заполнения нуклонами тетраэдров-ячеек ядерного каркаса. Первый слой содержит 4 ячейки, первые 2 слоя – (4 + 12) = 16 ячеек, первые 3 слоя – (4 + 12 + 24) = 40 ячеек, поэтому при заполнении слоев равными количествами протонов и нейтронов первого слоя каркаса, получается ядро 4Не, при заполнении 2-х слоев – ядро 16О, а при заполнении 3-х слов – ядро 40Са.

Конструкции с полностью заполненными слоями являются более устойчивыми, чем конструкции, у которых слои заполнены не полностью, – именно по этой причине ядра с указанным количеством протонов и нейтронов являются «магическими».


Примечание. Существование магических ядер объясняется геометрическим строением ядерного каркаса, а не особенностями решений уравнения Шредингера, как это делает оболочечная модель.


Поскольку кварковые заряды расположены вблизи вершин оснований тетраэдров-нуклонов, то при совмещении данных оснований с гранями тетраэдров-ячеек, кварковые заряды располагаются вокруг вершин ячеек, что приводит к образованию (n,m)-узлов.

Именно (n,m)-узлы служат креплениями, которые скрепляют нуклоны в ядра.

Каждый нуклон вносит свои 3 кварка в 3 (n,m)-узла, в которых кварки данного нуклона взаимодействуют с кварками, которые вносят в эти узлы другие нуклоны: именно благодаря этому взаимодействию происходит объединение нуклонов в ядра.

В результате, возникает 3-мерная нуклонная сеть, главными элементами которой являются не сами нуклоны, а (n,m)-узлы: нуклоны выполняют функцию связей, которые удерживают эти узлы на фиксированных расстояниях друг от друга.

При встраивании тетраэдров-нуклонов в ячейки данной сети, формируются ядерные конструкции: каждое ядро облает своим видом ядерной конструкции.

Итак, каждое ядро характеризуется не только определенным количеством входящих в него протонов и нейтронов, но также определенным распределением протонов и нейтронов по ячейкам ядерного каркаса: данное распределение описывается «нуклонной формулой», показывающей, какие ячейки каркаса заполнены нуклонами.

Наряду с нуклонной формулой, важное значение имеет «кварковая формула», показывающая, в каких узлах ядерного каркаса сформировались кварковые узлы и каков вид этих (n,m)-узлов.

Нуклонная и кварковая формулы определяют распределение масс, зарядов и спинов по объему ядра. Найдя данные 2 формулы, можно вычислить все физические величины, характеризующие данное ядро.

В свою очередь, нуклонная и кварковая формулы определяются после того, как будет построен макет ядерной конструкции данного ядра: непосредственное рассмотрение макета покажет распределение нуклонов и кварков по ячейкам и узлам ядерного каркаса.

Макет целесообразно строить из прямоугольных тетраэдров с длиной стороны основания ~ 3 Фм: в этом случае макет будет выполнен в масштабе (1013 : 1), – это позволит определять расстояния между любыми двумя точками ядерной конструкции измерением расстояний между точками макета, учитывая, что 1 см = 1 Фм.

Исходя из вида ядерной конструкции, можно вычислить все ядерные моменты.


III. Вычисление ядерных моментов

Каждое ядро характеризуется тремя моментами: спиновым (S), электрическим (Q), магнитным (µ). Для абсолютного большинства ядер эти 3 момента известны с большой точностью, поэтому любая модель ядра может быть проверена сравнением с экспериментальными значениями данных 3-х величин.

Существующие модели ядра не позволяют провести этих 3-х моментов, тогда как в конструктивной модели имеется единый алгоритм для вычисления всех 3-х моментов [1].

1. Спин любого ядра находится путем суммирования спинов (n,m)-узлов, которые имеются в составе ядерной конструкции. Данное суммирование производится предельно просто, поскольку все (n,m)-узлы делятся на 3 класса:

а) четно-четные: спин равен 0,

б) нечетные: спин равен 1/2,

в) нечетно-нечетные: спин равен 1.

Абсолютное большинство (n,m)-узлов относятся к первому и второму классам, причем преобладают четно-четные узлы. Именно по этой причине даже самые тяжелые ядра имеют относительно небольшую величину спина: спины абсолютного большинства кварков компенсируются в (n,m)-узлах.


Примечание. В существующих моделях ядра малая величина спина объясняется введением «сил спаривания», – в действительности, компенсация спинов происходит благодаря тому, что в (n,m)-узлах реализуется принцип Паули.


2. Электрический квадрупольный момент характеризует степень сферической не симметрии в распределения зарядов по объему ядра. Поскольку все заряды сосредоточены в кварковых узлах, то вычисление квадрупольного момента сводится к вычислению сферической не симметрии в расположении кварковых узлов.

Сначала находится электрический центр («барицентр электрических зарядов») кварковых узлов. Затем относительно этого центра составляется тензор квадрупольного момента и находятся главные оси этого тензора. Ось, которая соответствует наибольшему по абсолютной величине собственному значению, принимается за ось z.

Далее находятся zi-координаты всех (n,m)-узлов и расстояния (Ri) от этих узлов до оси z, после чего, все полученные величины, включая заряды qi узлов, подставляются в классическую формулу Q0 ~ (1/е)*Σqi*[2(zi)2 - (Ri)2].

Для атомных ядер в данную формулу необходимо ввести нормировочный множитель 1/N = -1/(1/3), который учитывает, что минимальный кварковый заряд в 3 раза меньше элементарного заряда, и знак кварковых зарядов под поверхностью Боя противоположен знаку зарядов этих же кварков в физическом пространстве.

3. Магнитный дипольный момент рассчитывается по классической формуле: µ = (круговой ток)*(заметаемая площадь).

Сначала находится барицентр, после чего составляется и приводится к главным осям тензор инерции. Ядерная конструкция, как любое твердое тела может совершать устойчивое вращение только относительно оси с наибольшим или наименьшим значением момента инерции. Осуществив этот выбор, можно вычислить круговую скорость, которую придает ядерной конструкции спиновый момент количества движения каждого (n,m)-узла. Сложив эти круговые скорости, получаем результирующую круговую скорость вращения ядерной конструкции, как целого.

Умножив значение этой круговой частоты на коэффициент (1/2π) и заряды qi (n,m)-узлов, получаем круговые токи, создаваемые вращением данных узлов (вместе с вращением ядра). Дополнительное умножение на «заметаемые» площади позволяет найти магнитные моменты, порождаемые вращением каждого узла. Суммирование этих моментов дает магнитный момент, создаваемый вращением ядерной конструкции.

В значительном числе ядер один или два нуклона, расположенные на поверхности ядерной конструкции, имеют свободное пространство для индивидуального вращения, и действительно совершают такое вращение. Данные вращения также создают магнитные моменты, которые необходимо суммировать с магнитным моментом, создаваемым вращением ядра, как целого.

4. Описанный алгоритм реализован для всех стабильных ядер вплоть до 17О [1].

Дальнейшая реализация алгоритма позволит вычислить теоретические значения ядерных моментов всех остальных ядер. Сравнение столь большого массива теоретических данных с экспериментальными величинами станет надежным подтверждением конструктивной модели.


Заключение

В данной работе предлагается новый подход к исследованию атомного ядра.

Суть данного подхода заключается в представлении нуклонов в виде 3-х зарядных ионов, имеющих форму сплюснутых тетраэдров, в которых заряженные центры создаются тремя валентными кварками, расположенными в вершинах основания.

При сближении тетраэдров-нуклонов вершинами своих оснований, образуются кварковые узлы, в которых энергия притяжения противоположно заряженных кварков превышает энергию отталкивания одноименных кварков, благодаря чему данные узлы стягивают нуклоны, что приводит к образованию ядерных конструкций: каждая такая конструкция представляет собой конкретное ядро.

Свойства атомных ядер являются проявлением свойств ядерных конструкций, полученных путем объединения нуклонов валентными кварками.

Конструктивная модель способна не только вычислить S, Q, µ всех ядер, но с единых позиций объяснить все эффекты, которые обнаружены в атомных ядрах.


Выводы

1. Нуклоны в ядрах обладают формой сплюснутого тетраэдра, а кварки располагаются в 3-х вершинах оснований тетраэдров-нуклонов.

2. Атомные ядра образуются в результате объединения вершин оснований тетраэдров-нуклонов.

3. Соединение вершин оснований тетраэдров-нуклонов приводит к собиранию кварков в кварковые узлы.

4. Кварковые узлы выполняют функцию крепления нуклонов: энергия связи ядер – это кулоновская энергия кварков в кварковых узлах.

5. Каждое ядро представляет собой ядерную конструкцию, образованную соединением нуклонов кварковыми узлами.

6. Каждое ядро обладает своим видом ядерной конструкции и своим собственным набором кварковых узлов.

7. Ядерные конструкции строятся встраиванием нуклонов в ячейки ядерного каркаса, имеющих форму правильных тетраэдров с длиной ребра ~ 3 Фм.

8. Ядерный каркас образуется наложением граней тетраэдрических ячеек и имеет вид вложенных друг в друга сферических слоев.

9. Количество ячеек в сферических слоях ядерного каркаса определяет магические числа ядер.

10. Положение каждого нуклона и каждого кваркового узла внутри ядерной конструкции фиксировано и определяется нуклонной и кварковой формулами.

11. Нуклонная и кварковая формулы определяются, исходя из вида построенной модели ядерной конструкции.

12. Нахождение нуклонной и кварковой формул позволяет вычислить спиновый, электрический и магнитный моменты любого ядра.


ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Шашлов, Конструкции ядер 17О, 17F // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 27683, 06.03.2022



В.А. Шашлов, Принципы построения ядерных конструкций. Часть 2 // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.27726, 22.03.2022

[Обсуждение на форуме «Публицистика»]

В начало документа

© Академия Тринитаризма
info@trinitas.ru