Дискуссии - Наука

В.А. Шашлов

Нуклоны имеют форму сплюснутого тетраэдра. Кварки располагаются в вершинах основания тетраэдра-нуклона. Атомные ядра образуются в результате соединения вершин оснований тетраэдров-нуклонов и объединения находящихся в них кварков в кварковые узлы, скрепляющие нуклоны в ядерные конструкции.

Цель и содержание работы

Цель данной работы – возможно более просто описать модели нуклона и атомных ядер, изложенные в работе [1].

В первом разделе описана геометрическая форма нуклонов и ядер.

Во втором разделе указан способ описания ядерных конструкций с помощью нуклонной и кварковой формул.

В третьем разделе приведены примеры простейших ядерных конструкций.

I. Форма нуклонов и ядер

1. Нуклоны

В настоящее время нуклон представляется в виде шарика радиусом r ~ 0,84 Фм и объемом V ~ (4/3)πr³ ~ 2,5 Фм³. В данной работе предлагается модель, согласно которой нуклон имеет тот же самый объем, однако форма отличается от сферической: выдвигается гипотеза, что нуклон имеет форму тетраэдра.

Примечание. Данная модель не противоречит существующим экспериментам по измерению радиуса протона, если при интерпретации экспериментальных данных использовать не сферический, а тетраэдрический формфактор.

Из условия равенства объемов сферы и правильного тетраэдра, находим длину ребра моделирующего нуклон тетраэдра: а₀ ~ 2,75 Фм. Данное значение характерно для свободного нуклона, а также для нуклонов в составе самых легких ядер от ²Н до ⁴Не.

В более тяжелых ядрах основание данного тетраэдра «растягивается», и тетраэдр приобретает сплюснутую форму: стороны основания тетраэдра удлиняются на 10% и становится равными а ~ 1,1*а₀ ~ 3 Фм.

Нуклоны в ядрах имеют форму сплюснутого тетраэдра объемом V ~ 2,5 Фм³ и длиной сторон основания а ~ 3 Фм.

Еще одна принципиальная новизна предлагаемой модели нуклона заключается в том, что кварки занимают фиксированные положения в вершинах основания моделирующего нуклон тетраэдра.

Данный вывод следует из модели нуклона в виде поверхности Боя (одностороннего трилистника): нуклоны обладают керном, имеющим форму одностороннего трилистника, лепестки которого отождествляются с кварками [1].

Примечание. Лепестки поверхности Боя подобны линзам, в фокусах которых образуются кварковые заряды и спины. Данные «линзы» являются сильно выпуклыми, поэтому фокусы расположены вблизи вершин лепестков, которые сопоставляются с вершинами основания моделирующего трилистник (поверхность Боя) тетраэдра.

2. Ядра

Изложенная модель нуклона приводит к новой модели атомного ядра, в которой нуклоны объединяются в ядра вершинами своих оснований. При объединении данных вершин, находящиеся в них кварки (точнее, кварковые заряды и спины) собираются в группы, содержащие 2, 3, 4 … кварков, – эти группы носят название «кварковые узлы».

Кварковые узлы выполняют функцию креплений, которые фиксируют положение нуклонов друг относительно друга, что приводит к образованию конструкций, в которых каждый нуклон занимает определенное положение.

Нуклонные конструкции образуются следующим образом. При сближении нуклонов на расстояние, сравнимое с их собственными размерами, они разворачиваются друг к другу заряженными вершинами оснований (подобно диполям), в результате чего эти вершины объединяются в кварковые узлы, скрепляющие нуклоны в ядра.

Размер кварковых узлов на (1,5-2) порядка меньше размера нуклона, т.е. имеет величину (1-3)*10^-2 Фм. На столь малых расстояниях, в расчете на один кварк энергия кулоновского взаимодействия достигает 3 Мэв, что в расчете на один нуклон составляет 3*3 = 9 Мэв: энергия связи нуклонов в ядрах формируется за счет кулоновской энергии кварков в кварковых узлах.

Это означает, что нуклоны объединяются в ядра благодаря кулоновскому взаимодействию кварковых зарядов, собранных в кварковые узлы.

Наличие жесткой связи между нуклонами означает, что нуклоны каждого ядра образуют конструкцию, в которой каждый нуклон занимает фиксированное положение. По этой причине, новая модель ядра получила наименование «конструктивная».

В соответствие с конструктивной моделью, каждое ядро имеет свой, особый вид нуклонной конструкции: каждое ядро обладает своим собственным видом нуклонной конструкции, и основная проблема ядерной физики заключается в том, чтобы определить нуклонную конструкцию каждого ядра.

Данная проблема решается «методом индукции»: сначала строятся простейшие конструкции из 2-х, 3-х, 4-х тетраэдров-нуклонов, после чего, добавляя по (1-2) тетраэдра-нуклона, можно построить конструкции любых, сколь угодно тяжелых ядер.

Примечание. Конструкции из 3-х и 4-х тетраэдров-нуклонов выполняют функцию субъединиц более массивных ядерных конструкций.

Для каждой конструкции можно вычислить электрический и магнитный моменты: совпадение вычисленных и экспериментальных величин станет явным указанием в пользу конструктивной модели.

II. Нуклонная и кварковая формулы

Конструкции атомных ядер описываются нуклонной и кварковой формулами.

Для составления нуклонной и кварковой формул используется вспомогательная конструкция: «ядерный каркас», построенный из правильных тетраэдров с длиной ребра ~ 3 Фм. Благодаря такому размеру, тетраэдры ядерного каркаса выполняют функцию ячеек, в которые встраиваются тетраэдры-нуклоны: каждое ядро получается путем заполнения нуклонами ячеек ядерного каркаса.

Ядерный каркас строится путем наложения граней тетраэдров-ячеек. Наиболее плотная упаковка ячеек достигается, когда они располагаются в виде сферических слоев.

Слои ядерного каркаса формируются следующим образом. В центре располагается ячейка, которой приписывается нулевой номер. Первый слой ячеек ядерного каркаса состоит из 4-х тетраэдров, пристроенных к 4^м граням нулевой ячейки. Затем к 3*4 = 12 свободным граням этих 4-х ячеек пристраиваются 12 тетраэдров, составляющих второй слой ячеек ядерного каркаса. Аналогичным образом строится третий и последующие слои ядерного каркаса, который может содержать любое количество ячеек.

Встраивание тетраэдров-нуклонов в ячейки ядерного каркаса возможно только в том случае, если основание тетраэдра-нуклона будет совмещено с одной из 4-х граней ячейки. Поскольку кварки располагаются в вершинах данных оснований, то все кварки собираются вокруг узлов ядерного каркаса, в которых сходятся вершины соседних ячеек. В результате, в этих узлах формируются объекты, содержащие определенное количество (n) u-кварков и (m) d-кварков: эти объекты представляют собой кварковые (n,m)-узлы.

Вследствие малого размера (n,m)-узлов, энергия кулоновского взаимодействия кварков в узлах достигает величины, достаточной для удержания нуклонов в нуклонных конструкциях: именно за счет этой энергии образуются атомные ядра.

Все ячейки и узлы ядерного каркаса можно пронумеровать, после чего каждому нуклону и каждому (n,m)-узлу можно приписать определенный номер. Это позволяет записать нуклонную и кварковую формулы: нуклонная формула показывает, в ячейки с какими номерами встроены нуклоны, а кварковая формула показывает, в каких узлах ядерного каркаса сформированы кварковые узлы, а также вид каждого (n,m)-узла: сколько в данном узле собрано u-кварков и d-кварков.

Нуклонная и кварковая формулы показывают распределение нуклонов и кварков по ячейкам и узлам ядерного каркаса.

Нуклонная формула определяет распределение масс нуклонов, а кварковая формула – распределение зарядов и спинов кварков по объему ядерной конструкции. Найдя эти распределения, можно вычислить все физические параметры данного ядра, в частности, его электрический и магнитный моменты. Совпадение с экспериментальными величинами покажет, что конструктивная модель соответствует действительности.

Таким образом, главная задача при исследовании любого ядра – это нахождение его нуклонной и кварковой формул.

III. Примеры нуклонных конструкций

Рассматриваемые в данном разделе конструкции уже обсуждались в серии работ «Конструкции ядер от ⁶Li до ¹⁷О». Фотографии конструкций представлены в [2].

1. Конструкция ²Н.

Конструкция ядра ²Н образуется, когда моделирующие протон и нейтрон тетраэдры накладываются своими основаниями, причем разноименные кварки оказываются расположенными напротив друг друга. Результатом такого наложения является образование 3-х (1,1)-узлов: именно кулоновская энергия притяжения 3-х пар (u-d) кварков, составляющих 3 (1,1)-узла, стягивает протон и нейтрон в ядро ²Н.

Указанное наложение достигается единственным способом: это объясняет отсутствие у ядра ²Н хотя бы одного возбужденного состояния.

2. Конструкции ³Н и ³Не.

Конструкции ³Н и ³Не составлены из 3-х не одинаковых тетраэдров-нуклонов, наложенных своими основаниями на 3 боковые грани нулевой ячейки. При этом, все 9 кварков, входящие в состав 3-х нуклонов, собираются в вершинах нулевой ячейки: вокруг этих вершин образуются кварковые узлы, которые скрепляют 3 нуклона в ядра ³Н и ³Не.

В конструкциях ³Н и ³Не непарный нуклон совершает индивидуальное вращение вокруг оси, проходящей через вершину нулевой ячейки и середину основания грани, к которой он пристроен. При вращении вокруг данной оси, одноименные кварки непарного нуклона совершают круговое движение с очень большой угловой скоростью: благодаря этому вращению, создаются магнитные моменты, абсолютные величины которых превышают магнитные моменты свободных протона и нейтрона.

Конструкции ядер ³Н и ³Не очень часто выполняют функцию субъединиц, из которых построены более тяжелые ядра.

3. Конструкция ⁴Не.

Конструкция ядра ⁴Не получается, когда два тетраэдра-протона и два тетраэдра-нейтрона накладываются своими основаниями на 4 грани нулевой ячейки. Незаряженные вершины 3-х нуклонов обращены наружу от нулевой ячейки, а 4^ый нуклон встроен в нулевую ячейку. В каждой их 4-х вершин нулевой ячейки собирается по 3 неодинаковых кварка, и кварковая формула имеет вид {⁴Не} = {(2,1), (1,2), (1,2), (2,1)}.

Конструкция ядра ⁴Не имеет возбужденное состояние ⁴Не^*, которое получается, когда нуклон, расположенный в нулевой ячейке, поворачивается так, что его основание пристраивается изнутри к боковой грани нулевой ячейки. В результате, один из кварков данного нуклона переходит из вершины основания в вершину самой нулевой ячейки, и кварковая формула приобретает вид {⁴Не^*} = {(2,2), (1,1), (1,2), (2,1)}.

Конструкции ядер ⁴Не и ⁴Не^* также часто выступают в качестве субъединиц при построении конструкций тяжелых ядер.

4. Конструкции ⁶Li и ⁷Li.

Конструкция ⁶Li составлена из 2-х субъединиц ³Н и ³Не, которые наложены своими основаниями: одна субъединица «смотрит» вершиной вверх, а другая – вниз.

В конструкции ⁷Li дополнительный нейтрон встраивается во внутреннюю полость ядра ⁶Li, поэтому внешняя форма остается неизменной.

5. Конструкция ¹²С.

Структурная формула конструкции ¹²С имеет вид [¹²С] = ⁴Не^* + ⁴Не^* + ⁴Не^*.

Три субъединицы ⁴Не^* располагаются своими основаниями на боковых гранях нулевой ячейки. Каждая субъединица разворачивается таким образом, чтобы во всех 4-х вершинах нулевой ячейки нечетно-нечетные и нечетные узлы 3-х субъединиц ⁴Не^* складывались в четно-четные узлы. Именно по этой причине (а не вследствие действия мифических «сил спаривания») суммарный спин ¹²С равен нулю.

6. Конструкция ¹⁶О.

Конструкция ядра ¹⁶О получается, когда 4 субъединицы ⁴Не^* располагаются своими основаниями на всех 4-х гранях нулевой ячейки, т.е. структурная формула ¹⁶О имеет вид [¹⁶О] = ⁴Не^* + ⁴Не^* + ⁴Не^* + ⁴Не^*.

В каждой из 4-х вершин нулевой ячейки собирается по 3 кварковых узла, которые принадлежат основаниям 3-х субъединиц ⁴Не^*. Все 4 субъединицы ⁴Не^* поворачиваются так, чтобы в каждой вершине нулевой ячейки складывались 3 разных кварковых узла: (1,1) + (1,2) + (2,1), в результате чего во всех 4-х вершинах образуются (4,4)-узлы.

С учетом 4-х (2,2)-узлов, которые принадлежат 4^м субъединицам ⁴Не^*, и остаются неизменными при построении конструкции ¹⁶О, получаем кварковую формулу ядра ¹⁶О: {¹⁶О} = {(4,4), (4,4), (4,4), (4,4), (2,2), (2,2), (2,2), (2,2)}.

Высокая симметрия данной формулы обуславливает высокую стабильность ¹⁶О.

Заключение.

Суть предлагаемой модели нуклона состоит в том, что нуклон обладает жестким керном, содержащим 3 выступа, в вершинах которых располагаются 3 кварка.

Из данной модели непосредственно следует новая модель ядра, в которой ядра имеют форму конструкций, образованных в результате соединения нуклонов вершинами своих выступов и собирания кварков соседних нуклонов в узлы: именно кварковые узлы скрепляют нуклоны в ядерные конструкции.

Ядерная конструкция любого ядра строится следующим образом. Сначала находится возможно более симметричный вид ядерного каркаса из (Z + N + 1) ячеек (нулевая ячейка, обычно, остается не занятой нуклоном). После этого в ячейки данного каркаса вставляются Z протонов и N нейтронов, чтобы распределение кварков по узлам ядерного каркаса (кварковая формула) также было возможно более симметричным.

Построенная конструкция будет являться конструкцией основного состояния ядра ^(Z+N)Z. Все остальные конструкции, получаемые путем перестановок и поворотов тетраэдров-нуклонов в ячейках ядерного каркаса, соответствуют возбужденным состояниям данного нуклида.

Каждое ядро обладает своим собственным видом ядерной конструкции, описываемой нуклонной и кварковой формулами. Ядерные конструкции имеют «блочную» структуру: они построены из блоков, содержащих 3 или 4 нуклона. Данные блоки соединяются либо непосредственно, либо с помощью отдельных нуклонов.

Ядерные конструкции можно рассматривать, как нуклонные аналоги ионных квазикристаллов, элементарными ячейками которых служат 3-х зарядные ионы, имеющие форму сплюснутых тетраэдров.

Положение каждой ячейки ядерного каркаса и каждого кваркового узла фиксировано относительно нулевой ячейки. Выбрав декартову систему отсчета с началом в центре нулевой ячейки, можно найти координаты центров всех ячеек и всех кварковых узлов. Соответственно, будут определены координаты центров масс всех нуклонов, а также координаты всех кварковых зарядов и спинов. В свою очередь, зная распределение масс, зарядов и спинов по объему ядерной конструкции, можно вычислить механический, электрический и магнитный моменты ядра: конструктивная модель позволяет вычислить все ядерные моменты.

В соответствие с конструктивной моделью, главными структурными элементами атомных ядер являются не протоны и нейтроны, а кварковые узлы. Именно в кварковых узлах собираются все принадлежащие нуклонам кварки: в атомных ядрах, кварки становятся принадлежностью не столько нуклонов, сколько кварковых узлов.

Сами нуклоны (точнее, их керны) выполняют функцию связей, удерживающих кварковые узлы на расстоянии ~ 3 Фм. Кварковые узлы и керны нуклонов образуют 3-мерную сеть с ячейками в форме правильных тетраэдров с длиной ребра 3 Фм: каждое ядро – это фрагмент такой сети.

Нуклонная и кварковая формулы находятся во взаимно однозначном соответствии с видом ядерной конструкции данного ядра. В свою очередь, вид ядерной конструкции полностью определяет все физические свойства ядра: построение конструкций всех ядер и нахождение их нуклонных и кварковых формул позволит в значительной степени решить задачу исследования атомных ядер.

Выводы

1. Нуклоны в ядрах имеют форму сплюснутых тетраэдров, основанием которых служит правильный треугольник с длиной сторон ~ 3 Фм.

2. Кварковые заряды и спины располагаются в вершинах оснований моделирующих нуклоны тетраэдров.

3. Атомные ядра представляют собой конструкции, полученные путем соединения вершин оснований тетраэдров-нуклонов.

4. Крепление нуклонов в ядерных конструкциях осуществляется кварковыми узлами, в которые собираются кварки соседних нуклонов.

5. Ядерные конструкции имеют вид вложенных друг в друга сферических слоев, содержащих определенные количества тетраэдров-нуклонов.

6. Количество нуклонов в сферических слоях ядерных конструкций определяет магические числа ядер.

7. Распределение нуклонов и кварков по ячейкам и узлам ядерной конструкции описывается нуклонной и кварковой формулами.

8. Нуклонная и кварковая формулы позволяют определить конструкцию данного ядра и вычислить все его физические свойства.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Шашлов, Нуклоны и ядра // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 27770, 10.04.2022

2. В.А. Шашлов, О структуре легких ядер // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 17935, 07.03.2013

[Обсуждение на форуме «Публицистика»]