Раскрыта тайна строения нуклонов и атомных ядер

В.А. Шашлов
Раскрыта тайна строения нуклонов и атомных ядер
Исследуются новые модели нуклона и атомного ядра. На основе этих моделей
рассчитаны магнитные моменты нейтрона и протона (µn, µp) и разработан алгоритм
расчета внутреннего электрического квадрупольного момента (Q0) ядер.
Введение.
Данная работа является промежуточным итогом серии из 5 работ, посвященных
исследованию структуры нуклонов и атомных ядер [1-5].
Исходным пунктом является новая модель нуклона, отличающаяся положением
валентных кварков: кварки расположены в 3-х вершинах, выступающих над
сферически симметричной частью нуклона (где совершают колебания с энергией ~ 100
Мэв).
Непосредственным следствием данного строения нуклона является новая модель
атомного ядра. Ядра представляют собой конструкции, образованные из нуклонов
путем соединения их вершин. Соединение происходит за счет электростатического
притяжения находящихся в этих вершинах электрических зарядов кварков.
При соединении вершин образуются узлы, содержащие примерно одинаковые
количества u-кварков и d-кварков. Узлы, содержащие, n штук u-кварков и m штук dкварков обозначаются как (n,m)-узлы. Сумма (n,m)-узлов представляет собой
кварковую формулу ядра (NХ): NХ(n,m) = Σi (n,m)i, i – номер узла.
Кварковая формула показывает, каков набор (n,m)-узлов данного ядра: сколько и каких
(n,m)-узлов содержится в данном ядре. В свою очередь, количество и тип (n,m)-узлов
определяет пространственный вид конструкции ядра и распределение зарядов в объеме
ядра. Это позволяет вычислить внутренний квадрупольный момент ядер.
Все эти утверждения содержались в работах [1-5]. Принципиальная новизна данной
работы заключается в вычислении магнитных моментов нуклонов и ядер. Еще одним
новшеством является использование компьютерной геометрии.
Постановка проблемы.
Основным недостатком разработанных к настоящему времени моделей ядра является
их количество. Имеется несколько моделей, построенных на противоречащих друг
другу предпосылках: в одних моделях ядро представляется в виде газа, в других – в
виде жидкости, в третьих – твердого тела. Считается, что такое обилие моделей
отражает принципиально новое качество ядерной материи, свойства которой включают
в себя и свойства газа, и свойства жидкости, и свойства твердого тела [6, с. 337].
Однако этот вывод 3-х маститых профессоров МГУ (написавших самый лучший
университетский учебник по физике атомного ядра и элементарных частиц) можно
оспорить, и разработать модель, которая будет давать единое описание всего
многообразия свойств атомных ядер.
Решению этой задачи и посвящена данная работа.
Цель работы.
Целью работы является предложить модели нуклона и атомного ядра, которые в
большей степени соответствуют действительности, и на основе этих моделей
рассчитать дипольный магнитный и квадрупольный электрический моменты нуклонов
и ядер.
Содержание работы.
В соответствие с поставленной целью, работа содержит 3 основных раздела:
I. суть предлагаемой модели нуклона и вычисление µn и µp,
II. суть предлагаемой модели ядра и алгоритм расчета Q0,
III. вычисление Q0 и µ наиболее легких ядер.
I. Новая модель нуклона и вычисление µn и µp
1. В настоящее время нуклон рассматривается в виде сферы радиусом ~ 1 Фм. Внутри
сферы находятся 3 валентные кварка, морские кварки и глюоны. Масса нуклона
распределяется примерно поровну между кварками и глюонами.
Согласно предлагаемой модели, нуклоны имеют не сферическую форму, а форму
трилистника (символ Ирландии). Трилистник, с помощью которого моделируются
нуклоны, обладает следующими двумя особенностями:


все 3 лепестка перпендикулярны друг другу (а не лежат в одной плоскости),
поверхность трилистника является односторонней (не ориентируемой).
Вторая из указанных особенностей приводит к тому, что необходимо различать заряды
кварков во внешнем пространстве (хорошо известные значения qu = +2/3 и qd = -1/3) и
«внутренние» заряды тех же кварков, которые отличаются от указанных величин
знаком. Причина состоит в том, что при прохождении через неориентированную
поверхность, электрические силовые линии изменяют ориентацию. Это означает, что
внутри нуклона силовые линии u-кварка ориентированы в направлении от поверхности
нуклона к кварку, а силовые линии d-кварка наоборот: от кварка к поверхности.
Следовательно, внутри нуклона заряд u-кварка является отрицательным, а заряд dкварка – положительным. На поверхности количество силовых линий не меняется,
поэтому абсолютные величины зарядов сохраняют свои значения: qu(in) = -2/3, qd(in) =
+1/3 [1-5].
Этот вывод будет существенным образом использован при вычислении электрического
и магнитного моментов нуклонов и ядер: только с учетом внутренних зарядов можно
получить правильный знак и величину Q0 и µ атомных ядер.
Данная модель нуклонов обосновывается в проективной теории строения материи, в
которой все частицы материи построены из объектов проективного пространства [7].
Согласно проективной теории, нуклоны (вообще – все адроны) образованы на основе
поверхности Боя ([7] рис. 3), которая обладает всеми перечисленными свойствами:
имеет форму трилистника с взаимно перпендикулярными лепестками и является
односторонней.
Для моделирования атомных ядер будем использовать более простой, чем трилистник,
геометрический образ в виде правильной треугольной пирамиды, вершина которой
составлена из 3-х прямых углов (эта вершина соответствует центральной части
трилистника, а боковые ребра пирамиды – лепесткам трилистника).
Данная пирамида похожа на обычный (правильный) тетраэдр: отличие лишь в том, что
в одной из 4-х вершин ребра сходятся перпендикулярно друг другу, образуя 3 прямых
угла. По этой причине геометрический объект, с помощью которого будет
осуществляться моделирование нуклонов и ядер, будем именовать «прямоугольный
тетраэдр».
Валентные кварки располагаются в вершинах основания прямоугольного тетраэдра (в
вершинах лепестков поверхности Боя). Нейтрон отличается от протона лишь тем, что в
одной из вершин u-кварк заменен на d-кварк.
Длина основания (а) прямоугольного тетраэдра принимается равной удвоенному
радиусу (R) нуклона: а ~ 2R: в случае несферического расположения зарядов,
зарядовый радиус равен половине максимального расстояния между зарядами.
Современные экспериментальные методы (в зависимости от метода измерений [7])
дают в качестве радиуса нуклона величину, лежащую в интервале от 0,84 Фм до 0,88
Фм. Для упрощения расчетов принято значение R0 ~ 0,866 Фм. В формулу для
вычисления Q0 входит величина а2 = (2R0)2 и при указанном выборе, эта величина будет
в точности равна (1,732 Фм)2 ~ 3 Фм2. Систематическая погрешность, которую вносит
данный выбор, всегда может быть учтена соответствующей поправкой.
Предлагаемая модель позволяет объяснить, как формируется магнитный момент
нуклонов и вычислить его величину. Основное утверждение данного раздела:
магнитный момент нуклона создается вращением 2-х валентных кварков одного
аромата вокруг оси, проходящей через третий кварк.
Характер вращения нуклонов определяется принципом Паули: спины 2-х кварков
одного аромата компенсируют друг друга. Некомпенсированным оказывается спин
третьего кварка: именно спин этого кварка придает момент количества движения всему
нуклону, поэтому ось вращения проходит именно через этот кварк.
Данный вывод противоречит общепринятой модели нуклона, в которой спины
одинаковых кварков ориентированы в одном направлении [6, с. 189]. Это утверждение
получено, исходя из гипотезы, что кварки обладают цветовыми степенями свободы, и
принцип Паули реализуется с учетом этих степеней свободы. Однако в проективной
модели строения адронов эта гипотеза является излишней: функцию цветовых степеней
свободы выполняют 3 пространственно разделенных лепестка поверхности Боя. Три
одинаковых кварка, имеющие одинаковые спины, могут находиться в одном барионе
(без противоречия с принципом Паули), поскольку каждый кварк располагается в
«своем» лепестке поверхности Боя (фактически, лепесток и есть сам кварк) [1-5].
Согласно проективной теории материи, в нуклонах принцип Паули реализуется в своем
классическом виде – для спиновых степеней свободы: ориентация спинов одинаковых
кварков в противоположных направлениях энергетически более выгодна.
Итак, спины 2-х d-кварков в нейтронах и спины 2-х u-кварков в протонах направлены
навстречу друг другу. Поэтому в нейтроне некомпенсированным является спин uкварка, а в протоне – спин d-кварка: именно спины этих кварков придают моменты
количества движения (вращение) нейтрону и протону.
Поскольку нейтрон вращается благодаря спиновому моменту количества движения uкварка, а протон – благодаря спиновому моменту количества d-кварка, то в нейтроне во
вращательном движении участвуют только d-кварки, а в протоне – только u-кварки.
Именно орбитальное вращение этих кварков (происходящее вместе с вращением
самого нуклона) порождает магнитные моменты нейтрона и протона.
Спиновые моменты количества движения кварков не вносят вклад в магнитный момент
нуклона, поскольку магнитные моменты, создаваемые спинами одинаковых кварков,
компенсируют друг друга (эти спины направлены навстречу друг другу), а спин
третьего кварка преобразуется в момент количества движения нейтрона, как целого
(полностью «расходуется» на создание этого момента).
Приведем количественные оценки для каждого типа нуклонов.
1) Нейтрон.
Поскольку вращение нейтрона определяется спином u-кварка, ось вращения проходит
через u-кварк. Положение оси вращения в пространстве определяется исходя из
условия, что момент инерции будет иметь максимальную величину (это соответствует
минимальной энергии вращения). Данное условие будет выполнено, если ось вращения
(ось z0) будет перпендикулярна плоскости основания прямоугольного тетраэдра (рис.
1).
Рис. 1
При указанном расположении оси вращения, вклад u-кварка в магнитный момент
нейтрона равен нулю: магнитный момент нейтрона определяется орбитальным
вращением 2-х d-кварков и морских кварков. Поскольку положительно и отрицательно
заряженные морские кварки распределены по объему нуклона практически однородно,
в первом приближении вкладом морских кварков можно пренебречь.
Оценим магнитный момент, создаваемый двумя d-кварками нейтрона.
Абсолютная величина магнитного момента (М) кругового тока величиной j,
охватывающего площадь S, равна М = (1/с)*j*S, с – скорость света. Для одного кварка j
= q*ν, здесь q = (1/3)е – заряд d-кварка (е – элементарный заряд), ν – частота вращения
кварка, S = πr2, r – расстояние от оси вращения до каждого из 2-х d-кварков. При
указанном расположении оси вращения, r = а ~ 1,732 Фм.
Поверхность нейтрона представляет собой замкнутую одностороннюю поверхность,
поэтому нейтрон возвращается в исходное положение, совершив половину оборота в
обычном пространстве (после поворота на угол, равный π радиан). Это означает, что
частота вращения кварка связана с угловой частотой соотношением ν = ω/π.
В свою очередь, угловая частота выражается через момент количества движения
нейтрона (L), и момент инерции нейтрона (I) известным соотношением ω = L/I.
Момент количества движения нейтрона равен спиновому моменту количества
движения u-кварка: L = ħ*[s*(s +1)]1/2, здесь s = 1/2 – спин кварка. Итак, L =
ħ*(3)1/2*(1/2).
Момент инерции нейтрона складывается из 3-х частей:
а) момент инерции 2-х d-кварков (I2d)
б) момент инерции глюонов и морских кварков относительно главной оси инерции,
проходящей через прямоугольную вершину и центр инерции: это момент инерции
прямоугольного тетраэдра (Iтетр) относительно оси z,
в) момент инерции этого же тетраэдра относительно реальной оси вращения z0,
проходящей параллельно оси z через вершину основания тетраэдра, где расположен uкварк: данная составляющая момента инерции (I0) есть следствие теоремы Штейнера.
Согласно теореме Штейнера, I0 ~ mтетр*r02, где r0 – расстояние между осями, mтетр –
масса тетраэдра, равная суммарной массе глюонов и морских кварков. Величина r0
равна радиусу описанной вокруг основания окружности: r0 ~ (1/3)1/2*а. Поскольку масса
нейтрона (mn) распределена между тремя валентными кварками и остальными
составными частями (глюонами и морскими кварками) примерно поровну, то mтетр ~
(1/2)mn. В итоге получаем I0 ~ (1/2)mn*(1/3)а2 ~ (1/6)mp*а2, здесь mp – масса протона.
Поскольку а ~ 1,732 Фм, mp ~ 1,673*10-24 г, то I0 ~ 5,02*10-24 г*Фм2.
Величина Iтетр вычисляется с помощью программы «Геос»: Iтетр ~ 4,477*10-24 г*Фм2. Из
физических соображений ясно, что Iтетр и I0 должны иметь примерно одинаковую
величину, и действительно: Iтетр ~ 0,892*I0.
Момент инерции каждого из 2-х d-кварков в нейтроне имеет величину Id ~ md*а2.
Поскольку массы d-кварков и u-кварков примерно одинаковы, то md ~ (1/3)*mтетр ~
(1/6)mp и Id ~ md*а2 ~ (1/6)mp*а2. Соответственно, Id ~ I0 и I2d = 2*I0.
В итоге, получаем момент инерции нейтрона: I ~ 2*I0 + 0,892*I0 + I0 ~ 3,892*I0.
Подставляя указанные величины, находим магнитный момент, создаваемый двумя dкварками в нейтроне: µ2d = 2М = -2*(1/с)*(1/3)е*(ω/π)*(πr2) = -(2/3)*(1/с)*е*r2 * L/I ~ (2/3)*(1/с)*е*r2 * [ħ*(3)1/2*(1/2)] / [3,892*(1/6)mp*r2] ~ - 0,89*еħ/mpс ~ - 1,78*µя, где µя =
еħ/2mpс – ядерный магнетон (знак «-» обусловлен отрицательным зарядом d-кварков).
Итак, магнитный момент нейтрона µn ~ µ2d ~ -1,78*µя. Экспериментальное значение µn
~ -1,91µя: ошибка составляет менее 7%. Учитывая чрезвычайную простоту данной
модели, достигнутое согласие с экспериментом вполне удовлетворительно.
2) Протон.
В протоне компенсируются спины u-кварков, вследствие чего момент количества
движения создается спином d-кварка. Ось вращения проходит через d-кварк, а
магнитный момент создается вращением 2-х u-кварков. Геометрические размеры и
форма протона такие же, как у нейтрона, а заряд u-кварка в 2 раза больше заряда dкварка, поэтому абсолютная величина магнитного момента, создаваемого двумя uкварками в протоне, в 2 раза больше и имеет противоположный знак: µ2u = -2*µ2d ~ 2*(-1,78µя) ~ +3,56µя.
В случае протона, необходимо учесть дираковский магнитный момент (µ дир),
абсолютная величина которого |µя|. Считается, что этот момент ориентирован
параллельно спину, т.е. равен +µя. Однако дираковский магнитный момент создается
внутренним зарядом протона, который является отрицательным, поэтому дираковский
момент протона ориентирован антипараллельно спину и имеет отрицательный знак:
µдир = -µя.
В итоге находим магнитный момент протона: µр ~ µ2u + µдир ~ -2*µ2d - µя ~ +3,56µя - µя ~
+2,56µя. Экспериментальное значение µр равно +2,79µя.
Еще большее согласие с опытом получается, если вместо µ2d подставить
экспериментальное значение µn = -1,91µя. В этом случае µр ~ -2*µn - µя ~ +2,82µя, что
отличается от экспериментального значения µр всего лишь на 0,03µя (чуть более 1%).
На основании вышеизложенного, можно сделать вывод, что формула
µр ~ -2*µn - 1*µя
правильно отражает физическую сущность формирования магнитных моментов
нуклонов: магнитные моменты нуклонов создаются орбитальным вращением 2-х
кварков одного аромата, обусловленным вращением нуклона, как целого, а само
вращение нуклона обусловлено спиновым моментом количества движения третьего
кварка.
Отличие вычисленных значений магнитных моментов протона и нейтрона от
экспериментальных значений объясняется несколькими неучтенными факторами:
а) нуклон имеет более сложную форму, чем прямоугольный тетраэдр,
б) размеры тетраэдров-нейтронов и тетраэдров-протонов несколько различны,
в) размер (n,m)-узлов не равен нулю,
г) массы u-кварка и d-кварка не являются одинаковыми,
д) масса нуклона распределена между кварками и глюонами не точно пополам,
е) вклад морских кварков вследствие их поляризации зарядами валентных кварков.
По мере введения поправок, учитывающих данные факторы, а также поляризацию
вакуума (как при вычислении аномального магнитного момента электрона в квантовой
электродинамике), согласие вычисленных значений µn и µр с экспериментальными
величинами будет становиться все более полным.
Основное утверждение раздела можно сформулировать следующим образом:
магнитный момент нуклона образуется орбитальным вращением 2-х одинаковых
кварков, который создается спиновым моментом третьего кварка.
Изложенный способ расчета магнитных моментов нуклонов переносится на атомные
ядра. Алгоритм вычисления магнитного момента ядра заключается в следующем:
1. определяются (n,m)-узлы, которые придают вращение ядру (имеют не нулевые
значения спина и не компенсируют друг друга),
2. производится сложение спиновых моментов количества движения данных (n,m)узлов и определяется положение оси вращения ядра,
3. вычисляются и суммируются магнитные моменты, создаваемые вращением зарядов
всех (n,m)-узлов, которые не лежат на оси вращения.
Сложение спинов осуществляется в соответствие с правилом сложения моментов, а ось
вращения находится из условия, что момент инерции будет иметь либо минимальную,
либо максимальную величину: только в этих двух положениях вращение ядра будет
устойчивым. Вторая из указанных возможностей реализуется гораздо чаще, поскольку
соответствует принципу наименьшего действия: при максимальном моменте инерции,
энергия вращения ядра будет иметь минимальную величину.
II. Новая модель атомного ядра и алгоритм расчета Q0
Атомные ядра образуются за счет электростатического взаимодействия кварковых
зарядов, расположенных в вершинах лепестков поверхности Боя (в вершинах
оснований прямоугольных тетраэдров). Когда нуклоны сближаются, противоположно
заряженные лепестки ориентируются навстречу друг другу и приходят в
соприкосновение, в результате чего образуются конструкции, в которых
прямоугольные тетраэдры соединены вершинами своих оснований. Данные
конструкции и представляют собой атомные ядра.
При соединении заряженных вершин нуклонов образуются (n,m)-узлы. Именно эти
узлы выполняют функцию креплений, которые соединяют нуклоны в атомные ядра.
Кварковая формула NХ(n,m) = Σi (n,m)i показывает, как распределены валентные
кварки, входящие в состав нуклонов ядра, по (n,m)-узлам и определяет конструкцию
ядра. Располагая конструкцией ядра, можно подсчитать количество (n,m)-узлов
каждого типа (с фиксированными значениями n и m) и составить кварковую формулу, а
зная кварковую формулу ядра, можно «восстановить» пространственный вид
конструкции данного ядра.
Основное положение предлагаемой модели атомных ядер:
каждое ядро обладает своим собственным набором (n,m)-узлов и характеризуется
своей кварковой формулой.
Ядра имеют вид конструкций, собранных из прямоугольных тетраэдров (напомню,
реальная форма нуклонов гораздо сложнее), соединенных вершинами своих оснований.
Ребра составляющих конструкцию тетраэдров можно рассматривать как жесткие
стержни, а (n,m)-узлы выполняют функцию «болтов», скрепляющих эти стержни.
Атомные ядра представляют собой конструкции, составленные из данных стержней,
точнее – из жестко связанных троек стержней (боковых ребер прямоугольных
тетраэдров-нуклонов).
Валентные кварки, входящие в состав нуклонов, из которых состоят атомные ядра,
располагаются в строго определенных областях внутри ядра, а именно – в (n,m)-узлах.
Поскольку положение и заряды (n,m)-узлов фиксированы, то распределение
электрических зарядов по объему ядра также вполне определено. Тем самым, данная
модель предоставляет все необходимое для вычисления квадрупольного момента ядер:
модель однозначно определяет Q0 любого ядра.
Опишем алгоритм вычисления Q0 с использованием программы «Геос».
В первую очередь, необходимо изготовить макет предполагаемой конструкции данного
ядра. Далее следует представить этот макет в графической 3-мерной форме. Программа
вычисляет положение центра инерции (r0) данной конструкции без учета масс (n,m)узлов, поэтому необходимо провести коррекцию. Для этого точка r0 выбирается за
начало новой системы координат (r0 = 0), и положение центра инерции конструкции с
учетом масс (n,m)-узлов определяется в соответствие с формулой rц.и. = Σα (mα*rα) / Σα
mα, здесь rα – расстояния от r0 до каждого (n,m)-узла.
При условии, что суммарная масса 3-х валентных кварков равна массе тетраэдра, а
массы u-кварка и d-кварка равны, получаем, что масса (n,m)-узла имеет величину mα ~
(1/6)*(n + m)*mp, а Σα mα ~ (1/2)*N*mp, здесь N – число нуклонов в ядре. Поэтому
положение центра инерции всей конструкции rц.и. = (1/3)*(1/N)*Σα (n + m)α*rα.
В принципе, следовало бы сделать коррекцию на положение зарядового центра ядра,
относительно которого дипольный момент равен нулю: rq = Σβ (qβ*rβ) / Σβ qβ, здесь qβ, –
заряды (n,m)-узлов, rβ – расстояние от центра инерции до каждого (n,m)-узла. Однако
морские кварки (как в отдельных нуклонах, так и в ядрах), вероятно, распределяются
таким образом, чтобы зарядовый центр и центр инерции совпадали (в противном
случае нуклоны и ядра обладали бы ненулевым дипольным моментом).
Введем декартову систему координат, поместив начало координат в центр инерции и
направив ось z вдоль главной центральной оси инерции, относительно которой момент
инерции имеет либо максимальную, либо минимальную величину. Первый случай
соответствует сплюснутым конструкциям, а второй – вытянутым конструкциям.
В данной системе координат внутренний квадрупольный момент ядра находится путем
подстановки найденных величин в формулу:
Q0 ~ (-3)*(1/e)*∑ qβ*[3(zβ)2 - (rβ)2]
Данная формула представляет собой общеизвестную формулу для внутреннего
квадрупольного момента Q0 ~ (1/е)*∑ qβ*[3(zβ)2 - (rβ)2] с включением коэффициента (-3).
Абсолютная величина данного коэффициента учитывает тот факт, что в атомных ядрах
квадрупольный момент создается кварковыми зарядами, минимальная величина
которых в 3 раза меньше единичного заряда [5]. Знак коэффициента объясняется тем,
что квадрупольный момент создается внутренними зарядами кварков (qin), которые
имеют противоположные знаки: qin = -q (раздел I).
Данная формула показывает, что для сплюснутых ядер, которые характеризуются
превышением (xβ)2 + (yβ)2 над 2(zβ)2, Q0 имеет положительный знак, а для вытянутых
ядер, которые характеризуются превышением 2(zβ)2 над (xβ)2 + (yβ)2, Q0 отрицателен.
Этот вывод находится в противоречии с общепринятыми моделями, согласно которым
Q0 ≥ 0 для вытянутых ядер и Q0 ≤ 0 для сплюснутых ядер [6, с. 292]. Это утверждение
не верно, поскольку не учитывает, что квадрупольный момент создается внутренними
зарядами кварков, которые имеют противоположные знаки.
Подтверждение предлагаемой модели атомного ядра будет получено, когда будут
рассчитаны дипольные магнитные и квадрупольные электрические моменты всех ядер,
и эти величины совпадут с экспериментальными значениями.
Дальнейшее развитие данной работы будет заключаться в систематическом
вычислении Q0 и µ атомных ядер. В следующем разделе такие вычисления проводятся
для ядер первых 2-х элементов таблицы Менделеева.
III. Расчет электрического и магнитного моментов ядер водорода, дейтерия,
трития, гелия
1) Z = 1. Водород.
1.1. Ядро водорода 1Н (протон).
На этом простейшем примере будет подробно описана реализация алгоритма
вычисления Q0 с помощью программы «Геос».
Программа указывает положение центра инерции прямоугольного тетраэдра (r0). Эту
точку принимаем за начало отсчета и ось z направляем перпендикулярно плоскости
основания. Измеряем расстояние от центра инерции до плоскости основания: D0 ~ 0,177
Фм и все 3 расстояния от этого центра до (1,1)-узлов: r1α = r2α = r3α ~ 1,105 Фм. Далее по
формуле вычисления центра инерции проводим коррекцию начала отсчета. В данном
случае положение центра инерции (rц.и.) всей конструкции (с учетом масс (1,1)-узлов)
определяется из элементарных геометрических соображений: этот центр лежит на
середине указанного отрезка: Dц.и. ~ D0/2 ~ 0,089 Фм.
Измеряем расстояние от центра инерции протона до всех 3-х (1,1)-узлов: r1β = r2β = r3β ~
1,004 Фм. Подставляя эти величины в основную формулу, и учитывая, что две
вершины имеют заряды +2/3, а заряд одной вершины равен -1/3, находим: Q0(1Н) ~ 3*2*(2/3)*[3*(0,089)2 - (1,004)2] - 3*1*(-1/3)*[3*(0,089)2 - (1,004)2] ~ +2,929 Фм2.
Спин протона равен 1/2, поэтому внешний квадрупольный момент Q(1Н) = 0 и
экспериментальное измерение Q0(1Н) станет возможным только в том случае, если
удастся исследовать вращательный спектр протона (Приложение №1).
Вместе с тем, вычисленное значение Q0(1Н) имеет важное значение для интерпретации
экспериментов по измерению радиуса протона в мюонном водороде (атоме водорода, в
котором электрон заменен на мюон). Наличие у протона внутреннего квадрупольного
момента приводит к изменению энергии взаимодействия протона и мюона (мюон
«чувствует» не сферичность поля протона). Добавочная энергия имеет отрицательный
знак, поэтому учет квадрупольного момента приводит к уменьшению энергии
взаимодействия. Именно это уменьшение интерпретируется как уменьшение радиуса
протона.
Обнаружение разницы между радиусом протона в мюонном водороде, и радиусом
протона в экспериментах по рассеянию электронов (в которых получается
«моментальная фотография» протона) можно рассматривать в качестве косвенного
подтверждения наличия у протона внутреннего квадрупольного момента.
Отмечу, что описанный эффект должен иметь место и в обычном атоме водорода.
Несмотря на то, что в водороде этот эффект значительно слабее, благодаря
стабильности водорода, наблюдение эффекта может оказаться легче, чем в мюонном
водороде.
В приведенном расчете не учитывалось отклонение реальной формы протона от
прямоугольного тетраэдра: данное отличие вносит в квадрупольный момент поправку
порядка 10-4 Фм2. Однако в случае нейтрона эта поправка является единственным
вкладом в квадрупольный момент: данная модель предсказывает существование у
нейтрона внутреннего квадрупольного момента величиной ~ 10-30 см2.
1.2. Ядро дейтерия 2Н (дейтрон) (рис. 2) (см. [1] рис. 4, [5] рис. 4).
Рис.2
Вычисление квадрупольного момента дейтрона явилось «пробным камнем» всего
цикла работ [1-5]. Причина в том, что конструкция ядра 2Н определяется однозначно:
тетраэдр-протон и тетраэдр-нейтрон могут соединяться только так, как на рисунке, и
никак иначе. Очевидно, что эта конструкция является сплюснутой, а эксперимент
говорит, что Q0(2Н) является положительным. Это означает, что положительное
значение квадрупольного момента должно соответствовать сплюснутой форме ядра.
Вычисление Q0(2Н) проводилось в работах [1-5]. В соответствие с изложенным
алгоритмом, получаем: Q0(2Н) ~ -3*3*(1/3)*[3*(0)2 - (1)2] ~ +3 Фм2.
Одной из причин отличия вычисленного и экспериментального значения Q0(2Н) ~ +2,86
Фм2 является различие геометрических размеров оснований тетраэдров-протонов и
тетраэдров-нейтронов. Два u-кварка в протоне отталкиваются в 4 раза сильнее, чем два
d-кварка в нейтроне, поэтому «раздвигают» лепестки поверхности Боя чуть дальше,
чем в нейтроне. По этой причине длина ребра u-u, связывающего u-кварки в протоне,
несколько превышает длину ребра d-d, связывающего d-кварки в нейтроне. Это
различие, вероятно, составляет (0,1-0,2) Фм и уменьшает Q0(2Н) до экспериментальной
величины.
Эта же причина, вероятно, объясняет малую величину удельной энергии связи 2Н (1,1
Мэв) по сравнению со средней удельной энергии связи в остальных ядрах (~ 8 Мэв).
Из-за отсутствия конгруэнтности оснований тетраэдра-нейтрона и тетраэдра-протона,
все 3 заряженные вершины невозможно «подогнать» друг к другу на предельно малое
расстояние, равное удвоенной толщине поверхности нуклона (как в более тяжелых
ядрах).
Указанная причина объясняет отсутствие стабильного состояния гипердейтрона
(нейтрон заменен на Λ-гиперон). Λ-гиперон отличается от нейтрона тем, что один из dкварков заменен на более тяжелый s-кварк. По этой причине ребра, примыкающие к
вершине, в которой расположен s-кварк, короче остальных ребер: Λ-гиперон имеет
форму «перекошенного» тетраэдра. Такой тетраэдр не может присоединиться к
основанию тетраэдра-протона и образовать с ним симметричную конструкцию (как в
дейтроне).
Рассчитаем магнитный момент дейтрона.
Дейтрон содержит три (1,1)-узла, имеющие спин S = 1. Однако спины 2-х (1,1)-узлов
ориентированы навстречу друг другу, поэтому вращение дейтрона создается третьим
(1,1)-узлом. Ось вращения проходит через этот узел перпендикулярно плоскости
основания: при таком расположении оси момент инерции является максимальным. В
данном случае расположение создающих магнитный момент зарядов точно такое же,
как в нейтроне: отличаются лишь знаки зарядов: заряд (1,1)-узла равен +1/3.
Момент количества движения дейтрона равен спиновому моменту количества
движения (1,1)-узла: L = ħ*[s*(s +1)]1/2 = ħ*(3)1/2, здесь s = 1 – спин (1,1)-узла. Эта
величина в 2 раза превышает момент количества движения нейтрона. Однако момент
инерции нейтрона также в 2 раза больше (2 тетраэдра вращаются вокруг той же самой
оси). Соответственно, частота вращения 2-х зарядов величиной +1/3 точно такая же,
как частота вращения 2-х зарядов d-кварков в нейтроне. Из этого следует, что
создаваемый этими зарядами магнитный момент имеет точно такую же абсолютную
величину и отличается только знаком: µ2(1,1) ~ +1,91 µя.
В данном случае необходимо также учесть дираковский магнитный момент протона
(как это показано выше). В итоге получаем магнитный момент дейтрона: µ( 2Н) ~ µ2(1,1) µя ~ +1,91 µя - µя ~ +0,91 µя. Данная величина хорошо согласуется с экспериментальным
значением µ(2Н) ~ +0,857 µя.
1.3. Ядро трития 3Н (тритон) (рис. 3) (см. [1] рис. 6а).
Рис.3
В соответствие с вышеизложенным, спин ядра 3Н создается спином d-кварка протона.
Особенностью ядра 3Н является то, что момент количества движения, порождаемый
спином d-кварка, не передается всему ядру. Весь момент остается у протона, а два
нейтрона, между которыми он расположен, остаются неподвижными: в (1,1)-узлах
кварки связаны относительно слабо, и протон (поскольку «не закрыт» другим
нуклоном) имеет возможность «прокручиваться» в зазоре между двумя нейтронами.
При данном расположении оси вращения, расстояние между осью и центром инерции
меньше, чем для свободного протона. Это означает, что вклад в момент инерции члена,
обусловленного теоремой Штейнера, меньше. Следовательно, полный момент инерции
протона, вращающегося в ядре 3Н, также меньше, вследствие чего магнитный момент,
создаваемый вращающимся в ядре 3Н протоном, должен превышать магнитный момент
свободного протона, что и наблюдается на опыте.
Детальные вычисления µ(3Н) и Q0(3Н) будут произведены в следующей работе.
2) Z = 2. Гелий.
2.1. Ядро гелия 3Не (см. [1] рис. 6б).
Данное ядро имеет точно такую же конструкцию, как и ядро 3Н: отличие лишь в том,
что тетраэдры-протоны и тетраэдры-нейтроны меняются местами. Неподвижными
являются 2 протона, а вращается «зажатый» между ними нейтрон. Соответственно, все
приведенные выше соображения остаются справедливыми и при вычислении
магнитного момента ядра 3Н. Из этого сразу следует, что µ(3Н) должен быть
отрицательным и иметь абсолютную величину, слегка превышающую магнитный
момент нейтрона.
2.2. Ядро гелия 4Не.
Конструкция ядра 4Не имеет вид куба и получается из конструкции ядер 3Н или 3Не
путем присоединения на единственное свободное место (имеющее вид правильного
треугольника) основания соответствующего нуклона.
Из вида конструкции 4Не следует отсутствие стабильных ядер с числом нуклонов А = 5
(5Не, 5Li). Конструкции данных ядер не возможно получить путем присоединения
одного тетраэдра-нуклона: на поверхности куба нет 3-х узлов, которые образовывали
бы правильный треугольник со стороной а = 1,732 Фм (к вершинам которого могли бы
присоединиться 3 вершины основания прямоугольного тетраэдра).
Вместе с тем, внутри куба, составленного из 4-х прямоугольных тетраэдров, имеется
свободный объем в виде правильного тетраэдра со стороной а = 1,732 Фм.
Прямоугольный тетраэдр-нуклон мог бы поместиться в этот объем, однако реальная
форма нуклона – это трилистник, объем которого превышает не только объем
прямоугольного тетраэдра, но и объем правильного тетраэдра. Поэтому, будучи
помещенным в центральную часть ядра 4Не, пятый нуклон «распирает» конструкцию,
вследствие чего ядро, состоящее из 5-ти нуклонов, оказывается нестабильным.
В то же время, Λ-гиперон способен «вписаться» в объем правильного тетраэдра в
центре ядра 4Не, в результате чего образуется стабильное гиперядро Λ5Не.
Таким образом, данная модель объясняет, почему гиперядро Λ2Н, являющееся аналогом
дейтерия, нестабильно (хотя сам дейтерий стабилен), а гиперядро Λ5Не, являющееся
аналогом 5Не, является стабильным (хотя само ядро 5Не нестабильно), причем в обоих
случаях нейтрон заменяется на одну и ту же частицу (Λ-гиперон).
Распределение кварковых зарядов в конструкции 4Не не полностью симметрично,
поэтому Q0(4Н) слегка отличен от нуля, тогда как µ(4Н) = 0.
Заключение
Основные свойства ядер включают в себя:
1. размер,
2. энергия связи,
3. периодичность изменения свойств ядер и существование магических чисел,
4. спин и четность,
5. вид спектра возбужденных состояний,
6. значения магнитных дипольных и электрических квадрупольных моментов.
Модель ядра, которая претендует описать реальную структуру атомных ядер, должна
объяснить полный набор этих свойств. Ни одна из существующих моделей не
справляется с этой задачей: каждая модель объясняет лишь 2-3 свойства, а
электрические и магнитные моменты с достаточной точностью не вычисляются ни в
одной из моделей.
Как показано выше, предлагаемая модель ядра способна объяснить наиболее сложный
п.6. Проверим, что п.п. 1-5 также находят объяснение в данной модели.
1. Размер ядер определяется размером составляющих ядра нуклонов. В данной модели
объем прямоугольного тетраэдра (поверхности Боя) примерно в 2 раза меньше объема
сферы, радиус которой равен половине длины основания тетраэдра. По этой причине
прямоугольные тетраэдры укладываются в конструкции, размер которых в 2 1/3 ~ 1,27
раз меньше размера конструкций, построенных из сфер указанного радиуса. Однако
имеются 2 причины, которые приводят к увеличению размеров данных конструкций.
Во-первых, при образовании ядерных конструкций происходит деформирование
лепестков поверхности Боя и они (частично) «выдавливаются» во внешнюю часть
конструкции, в результате чего происходит увеличение поверхностного слоя ядра.
Наблюдаемый размер ядра достигается за счет большей толщины поверхностного слоя
ядра (плотность ядерной материи на границе ядра уменьшается более плавно).
Во-вторых, во многих ядрах ось вращения проходит не через центр инерции ядра, а на
некотором расстоянии от него. Вследствие этого при вращении, граница ядра
«размывается», что также приводит к увеличению наблюдаемого размера ядра.
Замечание. Согласно предлагаемой модели, в центральной части ядер нуклоны
отсутствуют: в центре находится «пустой» правильный тетраэдр, образованный
основаниями прямоугольных тетраэдров. Это должно приводить к некоторому
уменьшению плотности в центре ядер. В некоторых ядрах действительно
обнаруживается небольшой провал плотности в центре ядра.
2. При соприкосновении вершин лепестков поверхности Боя, расстояние между
расположенными в вершинах кварковыми зарядами становится равным удвоенной
толщине (d) поверхности нуклона. Из общих соображений величина d должна быть в
несколько десятков раз меньше размеров самого нуклона. Для определенности примем
d ~ (1/30)*r0 ~ 0,03 Фм. Соответственно, среднее расстояние между кварками в (n,m)узлах имеет величину 2*d ~ 0,06 Фм. Кулоновская энергия взаимодействия u-кварка и
d-кварка, которые отстоят друг от друга на расстояние 0,06 Фм, имеет величину ~ 5,4
Мэв, что вполне достаточно для объяснения энергии связи нуклонов в атомных ядрах
[1-5].
Атомные ядра формируются за счет электростатической энергии (n,m)-узлов, в
которых собираются кварки соседних нуклонов: именно энергия связи кварковых
зарядов в (n,m)-узлах является энергией связи атомных ядер.
Свойства п.п. 1.2. описываются капельной моделью ядра. В том, что предлагаемая
модель ядра объясняет эти свойства, нет ничего удивительного, поскольку модель
включает в себя капельную модель в качестве предельного случая: если в описанных
конструкциях исключить упорядоченность расположения и ориентации нуклонов,
получится обычная капля жидкости, «молекулами» которой служат нуклоны.
Вместе с тем, жесткость ядерных конструкций обуславливает наличие всех остальных
коллективных свойств ядер, в частности, существование колебательных и
вращательных мод, которые приобретают дополнительные характеристики:
а) допускаются не только поверхностные, но и объемные колебания конструкции ядра;
кроме того, возможны колебания отдельных элементов конструкции: нуклонов и
составленных из них субъединиц, в качестве которых могут выступать конструктивные
блоки, состоящие из произвольного числа нуклонов (данные моды существенно
обогащают колебательный спектр обобщенной модели атомных ядер).
б) вращение ядерных конструкций может быть устойчивым, если оно совершается
вокруг главной центральной оси инерции, относительно которой момент инерции
имеет либо максимальную величину (для сплюснутых конструкций), либо
минимальную величину (для вытянутых конструкций). Данные оси практически
совпадают с осями симметрии ядра, однако ядра вращаются вокруг именно этих осей,
поскольку полная симметрия (из-за наличия внутренней структуры и внешних
выступов) отсутствует.
Важным достоинством предлагаемой модели является то, что она позволяет вычислить
моменты инерции и частоты вращения атомных ядер. Сравнение вычисленного
вращательного спектра с экспериментальными спектрами явится еще одним
существенным критерием проверки предлагаемой модели.
3. Периодичность изменения свойств ядер обусловлена тем, что при увеличении числа
составляющих ядерные конструкции прямоугольных тетраэдров происходит
заполнение очередного сферического слоя. Объем каждого слоя ограничен, поэтому в
каждом слое может поместиться только определенное число тетраэдров (которое
определяется соотношением объема данного слоя и объема одного тетраэдра).
В результате, внутри ядерных конструкций образуются слои, имеющие форму
вложенных друг в друга сфер. Каждый из этих слоев содержит фиксированное
количество тетраэдров-нуклонов, которое и определяет магические числа. Рассмотрим,
каким образом возникают магические числа при заполнении первых 3-х слоев.
Первый слой образуется из N1 = 4 нуклонов. Именно такое количество прямоугольных
тетраэдров способно соединиться своими основаниями, образуя этими основаниями
(правильный) тетраэдр. Соединенные таким образом 4 прямоугольных тетраэдра
образуют конструкцию, которая имеет форму куба. Это ядро 4Не.
Второй слой образуется, когда к каждому из 4-х тетраэдров, составляющих первый
слой, присоединяется по 3 тетраэдра. Эти 3 тетраэдра образуют над прямоугольной
вершиной тетраэдра первого слоя «навес». Количество нуклонов во втором слое N2 =
4*3 = 12, а общее количество нуклонов N1 + N2 = 4 + 12 = 16. Это ядро 16О.
Третий слой образуется, когда к каждому из 12 тетраэдров второго слоя
присоединяется по 2 тетраэдра (объем сферического слоя, в котором расположен
третий слой тетраэдров, не позволяет присоединить по 3 тетраэдра). Количество
нуклонов в третьем слое N3 = 12*2 = 24, поэтому N1 + N2 + N3 = 4 + 12 + 24 = 40. Это
ядро 40Са.
Во всех 3-х слоях симметричное распределение (n,m)-узлов достигается только в том
случае, если количества тетраэдров-протонов и тетраэдров-нейтронов равны друг
другу. Соответственно, первые 3 заполненные сферические слоя формируются, когда
количества протонов и нейтронов равны:
N1р = N1n = N1/2 = 4/2 = 2,
N2р = N2n = (N1 + N2)/2 = 16/2 = 8,
N3р = N3n = (N1 + N2 + N3)/2 = 40/2 = 20.
Именно эти числа представляют собой первые 3 магические числа.
Сферические слои, образуемые нуклонами в ядерных конструкциях, выполняют
функцию оболочек, однако эти слои образуются не в результате (мифического)
вращения нуклонов в самосогласованном поле, а в результате контактных
взаимодействий вершин, в которых располагаются кварковые заряды нуклонов. В
результате соединения данных вершин, нуклоны (благодаря своей форме
прямоугольных тетраэдров) укладываются в сферические слои со строго определенным
числом нуклонов каждого сорта в этих слоях.
Таким образом, магические ядра имеют вид конструкций, представляющих собой
совокупность вложенных друг в друга и соединенных между собой заполненных
сферических слоев, составленных из нуклонов в виде прямоугольных тетраэдров.
Удаление (вычленение) одного тетраэдра из конструкции с замкнутыми слоями требует
больших затрат энергии, чем в случае конструкций, внешний слой которых заполнен не
полностью. Это проявляется в увеличении энергии отделения нуклонов из магических
ядер по сравнению с ядрами, имеющими меньшее количество нуклонов.
С другой стороны, присоединить к такой конструкции тетраэдр значительно сложнее,
чем к конструкции, у которой внешний слой является незаполненным. Строго говоря,
сделать это невозможно: присоединить тетраэдр тремя вершинами к заполненному
слою нельзя из геометрических соображений: мешают прямоугольные вершины (в
ядерных конструкциях все прямоугольные вершины «смотрят» наружу). Поэтому ядра
с дополнительным нуклоном образуются, когда во внешнем слое происходит локальное
разрушение упорядоченной структуры, и новый тетраэдр присоединяется в то место,
где имеет место такое нарушение. Изъять тетраэдр из «выпученного» участка
поверхности легче, чем из заполненного слоя. Это означает, что энергия отделения
нуклона из ядер, следующих за магическими ядрами меньше, чем у самих магических
ядер.
Совокупность обеих причин означает, что именно магические ядра обладают
наибольшей удельной энергией связи и являются более устойчивыми, чем соседние
ядра.
Данная модель объясняет, почему многие дважды магические ядра (например, 10Н, 28О)
являются нестабильными. Имеющиеся в этих ядрах количества тетраэдров-протонов и
тетраэдров-нейтронов не способны образовывать (n,m)-узлы с примерно одинаковым
количеством u-кварков и d-кварков. В близких по количеству нуклонов ядрах 12С и 28Si
такие (n,m)-узлы образуются, благодаря чему эти ядра являются стабильными.
Модель объясняет и повышенную стабильность ядер, у которых оба числа протонов и
нейтронов не являются магическими (существование таких квазимагических ядер не
находит объяснения в оболочечной модели). Наличие квазимагических ядер
объясняется симметричным распределением нуклонов и (n,m)-узлов во внешнем (не
заполненном) слое и симметричностью кварковых формул данных ядер.
Наличие в ядерных конструкциях таких симметричных структур объясняет, почему
между магическими ядрами также имеются ядра, которые обладают повышенной
устойчивостью: при формировании заполненных оболочек происходит образование во
внешних слоях структур, обладающих тем или иным видом симметрии.
Одновременно, находит объяснение физическая природа «энергии спаривания». Из
самого способа построения ядерных конструкций из тетраэдров-нуклонов, обладающих
тремя заряженными центрами, следует, что конструкции будут более устойчивыми
(иметь меньшую энергию), если будут построены из четного числа тетраэдров одного
типа.
4. Считается, что спин и четность ядер способна объяснить только оболочечная модель.
Однако предлагаемая модель справляется с этой задачей не менее успешно.
В рамках данной модели, спин ядер складывается из спинов (n,m)-узлов, которые, в
свою очередь, формируются из спинов кварков, входящих в состав данных узлов. Ни
один из нуклонов не обладает индивидуальным орбитальным моментом (не отделен от
конструкции ядра). Орбитальным моментом может обладать лишь ядро в целом.
В соответствие с принципом Паули, в основном состоянии ядер спины четного числа
кварков одного типа в (n,m)-узлах ориентируются противоположно друг другу. По этой
причине спины ядер, содержащих только четно-четные (n,m)-узлы, равны нулю.
Четно-четные ядра могут иметь также (n,m)-узлы, содержащие нечетное количество
кварков, однако все такие узлы встречаются парами, вследствие чего их спиновые
моменты имеют возможность компенсировать друг друга, и результирующий спин
также становится равным нулю.
В обоих случаях четность данной конструкции является положительной. Таким
образом, в рамках данной модели находит объяснение наиболее характерное свойство
четно-четных ядер: их спин-четность имеет величину Jp = 0+.
Ядра с нечетным числом нуклонов неизбежно содержат нечетное число (n,m)-узлов с
нечетным числом либо u-кварков, либо d-кварков. Вследствие этого результирующий
спин данного ядра является нечетным, а его величина находится в результате
векторного сложения всех ненулевых спинов (n,m)-узлов данного ядра.
В нечетно-нечетных ядрах могут образовываться нечетно-нечетные (n,m)-узлы, в
которых нечетный u-кварк и нечетный d-кварк образуют пару, спин которой обычно
имеет величину S = 1.
Четность или нечетность ядра определяется тем, четным или нечетным является набор
(n,m)-узлов данного ядра. Если все (n,m)-узлы являются четными, то и ядро в целом
будет четным. Если имеются нечетные (n,m)-узлы, то ядро может быть четным только в
том случае, если количество нечетных (n,m)-узлов одного типа будет четным.
Таким образом, все свойства ядер, которые обусловлены четным или нечетным
количеством нуклонов, переносятся на кварковый уровень и определяются четностью
или нечетностью набора (n,m)-узлов в данном ядре.
5. В обобщенной модели ядра рассматриваются 3 типа возбужденных энергетических
уровней: одночастичные, колебательные и вращательные. Два последних типа уровней
(в расширенном виде) присутствуют и в данной модели (раздел II).
Одночастичные уровни в данной модели обусловлены не вращением внешних
нуклонов (все нуклоны «сидят» в своих местах ядерной конструкции), а «перескоками»
нуклонов из одного устойчивого положения в другое, а также поворотами нуклонов в
«своих» ячейках ядерной конструкции.
Кроме того, изменения энергии происходят при изменениях направления спинов
отдельных кварков внутри (n,m)-узлов. При внесении в ядро дополнительной энергии,
каждый кварк может изменить ориентацию своего спина, и каждое такое изменение
будет приводить к изменению суммарной энергии ядра.
В частности, данный механизм объясняет наличие в спектре уровней с одинаковым
значением Jp: эти уровни образуются, когда спины кварков изменяются сразу в двух
(n,m)-узлах, но эти изменения противоположны друг другу. При таком изменении
суммарный спин ядра остается неизменным, но изменения энергии в разных (n,m)узлах имеют разную величину. Этот случай реализуется для 2-х уровней Jp = (5/2)- в
ядре 7Li [6, с. 288].
Все возможные комбинации перескоков, поворотов нуклонов, а также переворотов
спинов во всех (n,m)-узлах ядра приводят к возникновению богатого спектра
возбуждений именно с тем набором спинов и четностей, которые характеризуют
данное ядро.
Выводы
Основным мировоззренческим результатом работы является утверждение, что все
свойства атомных ядер (включая их электрические и магнитные моменты) находят
объяснение на кварковом, а не на нуклонном уровне, и при этом нет необходимости
использовать квантовую хромодинамику. Необходимо лишь разобраться в том, какова
структура нуклона, а именно: какую форму имеют нуклоны, где расположены кварки,
каким образом складываются спины кварков, как располагается ось вращения ядра.
После ответа на эти вопросы, вычисление Q0 и µ атомных ядер, а также объяснение
остальных свойств ядер не вызывает особых затруднений.
Экспериментально значения магнитных моментов протонов и нейтронов были
измерены в середине 30-х годов ХХ века, однако до настоящего времени эти величины
не были получены теоретически. Таким образом, приведенный расчет магнитных
моментов нуклонов решает одну из самых «старых» проблем теоретической физики,
которая оставалась нерешенной в течение последних 80 лет.
Главные выводы работы заключаются в следующем:
1. объяснено происхождение магнитных моментов протонов и нейтронов и
произведено вычисление этих величин,
2. получено соотношение, связывающее магнитные моменты протонов и нейтронов: µ р
~ - 2*µn - 1*µя,
3. подтвержден вывод о том, что поверхность нуклона является односторонней (на
основе данного соотношения и знаков квадрупольных моментов атомных ядер),
4. описан способ построения конструкций атомных ядер и предложен алгоритм расчета
внутренних квадрупольных моментов ядер,
5. рассчитаны внутренние квадрупольные электрические и дипольные магнитные
моменты ядер водорода и дейтерия, и даны оценки Q0 и µ для 3Н, 3Не, 4Не,
6. внутренний квадрупольный момент протона является положительным (протон имеет
сплюснутую форму) и имеет величину Q0(1Н) ~ +2,929 Фм2,
7. наличие у протона внутреннего квадрупольного момента объясняет меньшее
значение радиуса протона в экспериментах с мюонным водородом.
8. предсказано существование внутреннего квадрупольного момента нейтрона.
Следующая работа будет посвящена описанию конструкций и вычислению
электрических и магнитных моментов ядер следующих 3-х элементов таблицы
Менделеева: лития, бериллия, бора.
Приложение №1.
Оценим частоту вращения свободного протона.
Эта частота имеет величину ν = ω/π = (1/π)*L/I ~ (1/π)* [ħ*(3)1/2*(1/2)] /
[3,892*(1/6)mp*r2] ~ 1,5*1021 гц, что соответствует энергии E ~ 6,2 Мэв.
Наглядно вращение протона можно представлять в виде вращения прямоугольного
тетраэдра, привязанного одной из вершин основания к бесконечно длинной упругой
нити, вращающейся вокруг своей оси.
Следующий вращательный уровень отстоит от основного уровня на ΔЕ = (ħ2/2I)* [J(J
+ 1) – J0(J0 + 1)] ~ (ħ2/2*3,892*(1/6)mp*r2)*3 ~ 8,6*10-5 эрг ~ 53,5 Мэв.
Вычисление основного и первого возбужденного вращательных уровней протона
может иметь важное практическое значение для создания устройств, работающих
на вращательных переходах ядер водорода (гамма-лазер).
В принципе, имеется возможность извлекать энергию из основного вращательного
уровня протона (энергия данного уровня будет подпитываться спиновым моментом
количества движения d-кварка).
Условия для получения когерентного излучения на переходах между вращательными
уровнями ядер водорода и для преобразования спинового момента количества
движения кварков в орбитальный момент количества движения протонов могут
реализовываться в отдельных типах космических объектах. Именно данные объекты
могут являться источниками гамма-вспышек.
Во всяком случае, данный механизм способен объяснить большое энерговыделение и
большую мощность гамма-вспышек.
Приложение №2.
Один из ключевых выводов данной работы заключается в том, что поверхность
нуклонов является односторонней, вследствие чего протоны имеют «внутренний»
заряд, который совпадает по величине, но противоположен по знаку заряду протона
(именно этот вывод лежит в основе вычисления электрических и магнитных
моментов).
Согласно проективной теории строения материи, электроны и позитроны также
построены на основе односторонних поверхностей, а именно, их центральной частью
являются односторонние сферы. Естественно сделать вывод, что под поверхностью
электрона и позитрона также имеется электрическое поле, образованное зарядом,
знак которого противоположен знаку заряда во внешнем пространстве. Это
означает, что дираковский магнитный момент электрона должен быть
ориентирован параллельно (а не антипараллельно) спину и иметь положительный
знак.
Насколько известно автору, прямого измерения знака магнитного момента электрона
(взаимной ориентации магнитного момента и спина электрона) до настоящего
времени не было проведено. Целесообразно поставить эксперимент, который
позволит определить этот знак (ориентацию). Результат данного эксперимента
может явиться столь же неожиданным и важным, как обнаружение не сохранения
четности в слабых взаимодействиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.А. Шашлов, О структуре легких ядер // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 776567, публ.17935, 07.03.2013
2. В.А. Шашлов, Атомное ядро? Это очень просто! // «Академия Тринитаризма», М., Эл
№ 77-6567, публ.17968, 03.04.2013
3. В.А. Шашлов, Вычисление квадрупольных моментов легких ядер // «Академия
Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.18037, 18.05.2013
4. В.А. Шашлов, Вычисление квадрупольного момента дейтрона «из первых
принципов» // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.18158, 24.08.2013
5. В.А. Шашлов, Расчет квадрупольного момента атомных ядер. Часть I // «Академия
Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.19092, 09.06.2014
6. Ишханов Б.С., Капитонов И.М., Юдин Н.П. Частицы и атомные ядра, М. 2007
7. В.А. Шашлов, О природе материи // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567,
публ.19336, 28.07.2014