Дискуссии - Наука

В.А. Шашлов

Атомные ядра обладают структурой спинового льда: все имеющиеся в нуклонах кварковые заряды и спины располагаются в вершинах решетки, ячейки которой имеют тетраэдрическую форму.

Цель работы.

Одно из определений спинового льда: «спиновый лед – это решетка, состоящая из тетраэдров, в вершинах которых расположены спины». Цель данной заметки – показать, что атомные ядра имеют такую же структуру, как спиновый лед.

I. Конструктивная модель ядра – это модель спинового льда

В течение последних 10 лет на сайте «Академия Тринитаризма» автором были опубликованы работы [1], в которых предложена конструктивная модель атомных ядер: ядра представляют собой конструкции, построенные из нуклонов в форме прямоугольных тетраэдров путем объединения вершин оснований тетраэдров-нуклонов, в которых располагаются кварковые заряды и спины.

В действительности, форма нуклонов гораздо более сложная: согласно проективной модели строения материи, нуклоны образованы на основе поверхности Боя: односторонней поверхности, имеющей форму трилистника [2].

Как любой трилистник, поверхность Боя можно представить в виде сплюснутого тетраэдра: сплюснутая вершина соответствует центральной части трилистника, а остальные 3 вершины тетраэдра – это вершины 3-х лепестков трилистника. Простейший вид сплюснутого тетраэдра – прямоугольный тетраэдр, у которого сплюснутая вершина составлена из 3-х прямых углов. Итак, нуклоны имеют форму прямоугольного тетраэдра: основанием служит грань, вершинами которой являются вершины 3-х лепестков поверхности Боя, а прямоугольная вершина тетраэдра соответствует общей для всех лепестков «тройной точке» поверхности Боя.

Примечание. По сравнению с правильным тетраэдром, имеющим такое же основание, прямоугольный тетраэдр «приплюснут» к основанию на 1/2 высоты и имеет в 2 раза меньший объем.

В ядерных конструкциях прямоугольные тетраэдры-нуклоны встроены в ячейки ядерного каркаса, имеющие форму правильного тетраэдра, грани которого конгруэнтны основанию прямоугольного тетраэдра-нуклона. Ядерный каркас выполняет для нуклонных конструкций функцию «строительных лесов»: конструкция каждого ядра получается путем встраивания тетраэдров-нуклонов в ячейки ядерного каркаса.

Вместе с тем, ядерный каркас можно рассматривать, как решетку спинового льда, которая получается в результате всех возможных способов соединения тетраэдрических ячеек своими гранями, ребрами или вершинами.

В решетках, составленных из небольшого числа ячеек, соединение ячеек осуществляется, преимущественно, гранями и ребрами: в этом случае конструкции получаются более плотными. Однако, при увеличении числа ячеек, соединение гранями и ребрами становится невозможным (тетраэдры-ячейки начинают пересекать и «мешать» друг другу). В результате, ячейки начинают соединяться не только гранями и ребрами, но и вершинами: в результате образуется структура «чистого» спинового льда.

При указанном соотношении между размерами тетраэдров-нуклонов и тетраэдров-ячеек, встраивание нуклона в ячейку возможно только в том случае, если основание прямоугольного тетраэдра-нуклона будет совмещаться с одной из 4-х граней ячейки. Поскольку кварковые заряды и спины располагаются в вершинах оснований тетраэдров-нуклонов, то при указанном совмещении, все кварковые заряды и спины оказываются расположенными вокруг вершин ячеек ядерного каркаса: ядерные конструкции имеют структуру спинового льда.

Вершины тетраэдров, в которых сбираются кварковые заряды и спины, целесообразно именовать «кварковые узлы»: данные объекты формируются вокруг узлов ядерного каркаса, в которых сходятся вершины соседних тетраэдров-ячеек. Каждый кварковый узел располагается в вершинах соединенных друг с другом тетраэдров-ячеек, поэтому ядра действительно обладают структурой спинового льда.

По сравнению с «классическим» спиновым льдом, конструкции атомных ядер обладают следующими особенностями:

1) величина спина в кварковых узлах может иметь не одно значение s = 1/2, а три значения: 0, 1/2, 1,

2) величина заряда в каждом узле может иметь не одно значение q = 1, а несколько значений, кратных минимальному заряду кварков: 1/3, 2/3, 1, 4/3 ...

Кроме того, положительные заряды кварковых узлов не компенсируются зарядами противоположного знака: атомное ядро – это заряженный спиновый лед.

Данные особенности делают атомные ядра еще более сложными структурами, чем спиновый лед, однако в этих структурах также применимы теоретические модели, которые разработаны для спинового льда. В частности, в атомных ядрах могут существовать квазичастицы в виде магнитных монополей. Наличие в ядрах магнитных монополей и других эффектов, которые характерны для спинового льда, способно объяснить все эффекты, которые обнаружены в ядрах в последние десятилетия.

Что касается «старых» ядерных эффектов, для объяснения которых разработаны капельная и оболочечная модели, то они находят объяснение в конструктивной модели.

Например, периодическая зависимость физических свойств ядер от атомного номера и значения магических чисел являются следствиями сферически-слоистого строения ядерных конструкций. Для доказательства этого утверждения, рассмотрим алгоритм построения ядерных каркасов для ядер с массовыми числами от А = 2 до А = 40.

Построение конструкций реальных ядер начинается с нулевой ячейки ядерного каркаса, которая в большинстве ядер остается свободной. Вокруг нулевой ячейки строится первый слой ячеек ядерного каркаса: данные ячейки совмещаются своими гранями с каждой из 4^х граней нулевой ячейки, поэтому количество ячеек в первом слое N₁ = 4. При заполнении первого слоя двумя протонами и двумя нейтронами получается ядро ⁴Не.

Второй слой ядерного каркаса получается пристраиванием ячеек к боковым граням ячеек первого слоя. Количество таких граней у 4-х тетраэдров равно 3*4 = 12, поэтому второй слой содержит N₂ = 12 ячеек. Соответственно, при полном и симметричном заполнении первого и второго слоев равными количествами протонов и нейтронов получается дважды магическое ядро ¹⁶О.

Третий слой образуется пристраиванием 2-х ячеек к двум (из 3-х) боковым граням каждой из 12 ячеек второго слоя (третья ячейка просто не может поместиться в данном слое). Соответственно, количество ячеек в третьем слое N₃ = 2*12 = 24, и при полном и симметричном заполнении первого, второго и третьего слоев получается ядро ⁴⁰Са.

Ядерные конструкции, полученные путем полного и симметричного (чтобы набор кварковых узлов также был симметричным) заполнения слоев ядерного каркаса, являются более устойчивыми, чем конструкции, в которых недостает или, наоборот, имеется избыток одного нуклона. Количества протонов и нейтронов, при которых осуществляется указанное заполнение ядерного каркаса, представляют собой первые 3 магических числа: M₁ = N₁/2 = 2, M₂ = (N₁ + N₂)/2 = 8, M₃ = (N₁ + N₂ + N₃)/2 = 20.

При заполнении 4^ого и последующих слоев данная тетраэдрическая структура все более разупорядочивается и становится похожей на «настоящий» спиновый лед. Однако, эта разупорядоченная структура также может заполняться регулярным образом, при котором распределение нуклонов по ячейкам ядерного каркаса и распределение кварков по кварковым узлам будут более симметричными, чем в структурах, в которых количество нуклонов на 1 единицу меньше или на 1 единицу больше. Эти конструкции также обладают большей устойчивостью, чем конструкции, у которых количество нуклонов отличается на 1: данные конструкции соответствуют квазимагическим ядрам.

Существование изомерных ядер конструктивная («спин-ледяная») модель атомных ядер объясняет следующим образом: изомеры образуются, когда то же самое количество протонов и нейтронов встраиваются в другие ячейки ядерного каркаса или даже в те же самые ячейки, но поворачиваются в этих ячейках таким образом, что набор кварковых узлов оказывается менее симметричным.

II. Флуктоны – это кварковые узлы

Модель ядра «спиновый лед» позволяет выявить физический смысл «флуктонов».

Флуктоны – это много-кварковые объекты, обнаруженные в ядрах еще в конце 50-х годов прошлого столетия в экспериментах по кумулятивному рассеянию электронов. До открытия кварков оставалось еще 5-6 лет, поэтому данным объектам была дана ошибочная интерпретация, как объектов, получающихся в результате слияния 2-х или более нуклонов, вследствие их теплового движения.

Модель «спинового льда» предлагает совершенно иную интерпретацию: много-кварковые объекты в ядрах состоят из кварков, принадлежащих разным нуклонам.

Данные объекты образуются в узлах ядерного каркаса, в которых сходятся вершины лепестков нуклонов: сколько вершин сходится – столько кварков собирается в данном узле. Данные объекты естественно именовать «кварковые узлы»: они образуются вокруг узлов ядерного каркаса, в которых сходятся вершины тетраэдрических ячеек.

Каждый кварковый узел скрепляет нуклоны, которые вносят свои кварки в данный узел. Каждый нуклон вносит свои 3 кварка в 3 разных кварковых узла, и посредством этих узлов все нуклоны соединяются друг с другом, образуя атомные ядра.

Таким образом, много-кварковые объекты в ядрах – это не случайные образования, возникающие в результате теплового движения нуклонов, а необходимые элементы ядерной конструкции. Кварковые узлы выполняют важнейшую функцию: именно они скрепляют нуклоны в ядерные конструкции.

Экспериментально отличить кварковые узлы от флуктонов достаточно просто: нужно проверить, что заряд данных объектов может быть не только целочисленным, но и дробным. Обнаружение в ядрах много-кварковых образований с зарядом, кратным 1/3, явится надежным подтверждением модели ядра, как спинового льда.

III. Электрический и магнитный моменты ядер

Важнейшим достоинством модели ядра «спиновый лед», является возможность вычисления электрического (Q₀) и магнитного (µ) моментов любого ядра.

Примечание. Имеющиеся работы по вычислению Q₀ и µ вызывают чувство глубокого неудовлетворения: для электрического квадрупольного момента вообще нет ни одной работы, в которой значение Q₀ для ядер, начиная с ⁶Li, было бы получено со сколько-нибудь приемлемой точностью, что касается дипольного магнитного момента, то оболочечная модель «укладывает» значения µ всех ядер на «линии Шмита», однако, эти линии также отличаются от экспериментальных величин «как небо от земли».

Построение конструкции данного нуклида, содержащего (Z + N) нуклонов, полностью определяет пространственное расположение Z протонов и N нейтронов: тем самым, определяется распределение масс нуклонов по объему ядра.

Кроме того, из вида построенной конструкции определяется положение и состав каждого кваркового узла: сколько в нем u-кварков и d-кварков. Это позволяет определить заряд и спин каждого узла, а также распределение зарядов и спинов по объему ядра.

В свою очередь, зная распределения масс, зарядов и спинов по объему ядра, можно вычислить все моменты данного ядра. Произведя соответствующие вычисления для всех ядер (включая ядра, для которых Q₀ и µ пока не измерены), и сравнив полученные величины с экспериментальными значениями, получим самое надежное подтверждение моделей ядра в виде нуклонных конструкций и спинового льда.

Примечание. Для всех стабильных ядер до ¹⁷О включительно такие вычисления уже проведены и показали хорошее согласие с экспериментом [1].

Заключение.

В данной работе показано, что модели ядер в виде нуклонных конструкций и в виде спинового льда, фактически, являются одной и той же моделью.

С одной стороны, конструкция ядра – это частный случай спинового льда (тетраэдры-ячейки соединяются не только вершинами, но также ребрами и гранями), а с другой стороны, ядерные конструкции являются более общими структурами (спины и заряды в вершинах ячеек могут принимать не одно, а несколько значений).

Примечание. Структура атомных ядер является частным случаем структуры спинового льда, у которого тетраэдрные ячейки имеют не только общие вершины, но также общие грани и ребра, однако заряды и спины в вершинах ячеек могут принимать более широкий спектр значений.

Еще одно определение спинового льда: «спиновый лед – это сеть тетраэдров с общими вершинами». В реальных ядрах данная структура обобщается:

1. в самом простом ядре (дейтроне) 2 тетраэдра-нуклона имеют общую грань,

2. в ядрах, полученных заполнением первых 3-х сферических слоев ядерного каркаса (до ⁴⁰Са) все тетраэдры-нуклоны имеют общие ребра,

3. в более тяжелых ядрах возникают участки ядерной конструкции, в которых часть тетраэдров-нуклонов во внешних слоях конструкции соединены вершинами.

Примечание. Из результатов данной работы следует, что в образцах спинового льда должны существовать небольшие участки, в которых 40-50 тетраэдрических ячеек соединяются не только вершинами, но также ребрами и гранями. Эти участки имеют такую же структуру, как легкие ядра до (⁴⁰Са – ⁴⁸Са). Наличие таких участков («ядерных зернышек») следует учитывать при исследованиях спинового льда.

Выводы.

1. Нуклоны соединяются в ядра посредством кварковых узлов, в которые собираются кварки контактирующих нуклонов.

2. Модели ядра в виде нуклонных конструкций и в виде заряженного спинового льда эквивалентны.

3. Конструктивная модель и модель спинового льда объясняют все результаты, полученные в капельной и оболочечной моделях.

4. Экспериментальная проверка конструктивной модели и модели спинового льда может быть осуществлена двумя способами:

1) обнаружение в ядрах много-кварковых объектов с дробным зарядом,

2) вычисление электрических и магнитных моментов всех ядер.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Шашлов, Личная страница // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567,

http://www.trinitas.ru/rus/doc/avtr/01/1506-00.htm

2. В.А. Шашлов, Строение атома // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 28231, 21.12.2022

[Обсуждение на форуме «Публицистика»]