[вернуться к содержанию сайта]

КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ МОДЕЛЬ ЯДЕР И АДРОНОВ
Семиков С.А. Нижегородский Госуниверситет, аспирант
Доклад от 13 мая 2011 г. на радиофизической конференции ННГУ

    В настоящее время существует множество моделей ядер и элементарных частиц, которые успешно описывают отдельные их свойства. Но до сих пор нет единой модели, которая сразу непротиворечиво объясняла бы все свойства ядер, ядерных сил, предсказывала бы значения масс частиц и другие их характеристики [1, 2]. Эта вот уже столетняя недееспособность искусственных теорий ядра обусловлена стремлением найти лишь внешнее описание свойств на формальном языке квантовой механики. Бесплодность такого подхода заставляет искать решение загадок ядра на пути классических доквантовых моделей, в которых такие учёные, как Ф. Ленард, Дж. Томсон и В. Ритц, пытались установить внутреннюю структуру ядра, частиц и тем самым найти не формальное математическое, а физическое объяснение их свойств [3].

    По Томсону стабильность ядра, состоящего из положительно заряженных протонов, можно объяснить, если сила Кулона перестаёт следовать закону обратных квадратов на расстояниях порядка ядерных и может даже сменить знак: отталкивание перейдёт в притяжение [4]. С позиций современной физики это предположение вполне оправдано, если учесть конечные размеры протонов и обнаружение внутри них множества заряженных центров (партонов). То есть на расстояниях порядка размера протона его поле ведёт себя не как поле точечного заряда, но как поле диполя или мультиполя, имеющее сложную зависимость от расстояния, направления и даже меняющее знак. Кстати, именно такую структуру ядер в виде множества диполей, предполагал ещё в 1904 г. Ф. Ленард, верно оценив их размер на уровне 10^–14 м [5]. То есть протоны на ядерных расстояниях могут притягиваться без участия специфических ядерных сил, слипаясь наподобие диполей молекул воды. На этом свойстве частиц воды и строилась первая капельная модель ядра. А потому было бы естественно предположить, что и слипание протонов происходит под действием электростатических сил. Ведь Томсон ещё в 1903 г. показал, что выделяемая при ядерном распаде энергия имеет тот же порядок, что и энергия электростатического взаимодействия частей ядра [6].

    Какова же конкретная структура протона и природа образующих его зарядов. По Томсону протон состоит из многих сотен электронов и таких же положительных зарядов (позитронов), которых на один больше. Это объясняет единичный положительный заряд протона, его массу, представляющую собой сумму масс образующих его частиц, а также его размер, составляющий порядка 10^–15 м, то есть того же порядка, что и классический радиус электрона r₀. Такое строение протона более естественно, чем предположение о том, что протон состоит из гипотетических кварков, имеющих дробный заряд и другие невероятные свойства, но ни разу не обнаруженных. Нейтрон, лишённый заряда, должен состоять уже из равного числа электронов и позитронов. Наличие внутри нуклонов электронов и позитронов подтверждается вылетом этих частиц из нейтронов или ядер при β^– и β⁺-распаде, а также образованием электрон-позитронных пар при гамма-облучении ядер. Все прежние возражения [1] против присутствия в нейтроне и в ядре электронов и позитронов устраняются, если нуклоны имеют сложную структуру. Так, ничтожный магнитный момент нуклонов в сравнении с электронами и позитронами объясняется взаимной компенсацией их магнитных моментов, как в явлении антиферромагнетизма.

    Если представлять электроны (и позитроны), как Томсон и Лоренц, в виде заряженных шариков стандартного размера порядка классического радиуса электрона r₀, то они должны под действием притяжения соединяться в правильные кристаллические комплексы, наподобие кубических кристаллов соли из периодично чередующихся ионов Na⁺ и Cl^– [7, 8]. Подобное представление о структуре протона, нейтрона и других элементарных частиц позволяет объяснить многие их свойства: массу, плотность, размер, заряд, магнитный момент и природу их взаимодействия. Так, ядерное взаимодействие двух протонов, превышающее их кулоновское отталкивание, получается как прямое следствие их электро-мультипольного взаимодействия. Если два протона, имеющие форму кубических кристаллов, соединятся гранями, так что напротив электронов окажутся позитроны и наоборот, то их взаимное притяжение вполне может превысить кулоновское отталкивание общего заряда протонов. Как показывает расчёт, сила H притяжения экспоненциально убывает при увеличении дистанции z меж гранями по закону H≈F₀Nexp(–z/r₀), где F₀ – элементарная сила притяжения между электроном и позитроном на расстоянии порядка r₀, а N – число частиц, образующих каждую грань и составляющую для нуклонов порядка сотни. То есть возникающая сила, подобно ядерной силе, оказывается в 100 раз интенсивней кулоновского взаимодействия [9], и, так же как ядерная, очень быстро убывает с расстоянием. Такая же сила притяжения, очевидно, будет возникать и между двумя нейтронами, и между протоном p и нейтроном n, имеющим близкие массы, размеры и формы.

    Таким образом, кристаллическая модель нуклонов объясняет все свойства ядерных сил: одинаковое их действие в связях типа n-n, p-p, n-p, p-n; высокую интенсивность (за счёт большого числа взаимодействующих зарядов); короткодействующий характер и быстрый спад с расстоянием (от мультипольного взаимодействия), эффект насыщения (взаимодействуют лишь нуклоны, соприкасающиеся гранями). Причём данная модель приводит сразу к точному значению интенсивности силы, её зависимости от расстояния и значению радиуса действия ядерных сил, совпадающего по порядку величины с классическим радиусом электрона r₀, чего квантовая физика до сих пор не смогла объяснить. Можно объяснить и более высокую прочность, энергию связи двух протонов или двух нейтронов (энергия спаривания, повышающей стабильность чётно-чётных ядер). Хотя протоны и нейтроны имеют близкие структуры и размеры, у них всё же может быть небольшое различие в форме и размере граней, отчего количество связей N, а значит и сила, энергия связей максимизируются при соединении однородных частиц, грани которых отвечают друг другу по форме (схема Демокрита), или по размеру (схема Ломоносова [10]). Такое соединение электростатическими силами по принципу подобия (комплиментарности) давно известно в химии, например у белков, или у нуклеотидов в молекуле ДНК. Так и нуклоны в ядре охотнее соединяются по принципу подобия. Таким образом, есть все основания считать, что ядерное взаимодействие имеет электростатическую природу и обусловлено сложным строением протонов, нейтронов и других адронов.

    Тогда энергия, выделяемая в ядерных реакциях,– это обычная электростатическая энергия. Если энергия мультипольного взаимодействия выше энергии кулоновского отталкивания, то их разность выделяется при синтезе ядер, а если меньше, то энергия выделяется при распаде ядер. Также получает простое объяснение связь этой энергии W=mc² с дефектом массы m, исчезнувшим в ходе реакции. Эта формула, выведенная Томсоном ещё в 1881 г., показывает связь электромагнитной энергии W с так называемой электромагнитной массой: на два одноимённых заряда при их ускорении действует тормозная сила, пропорциональная ускорению, словно у зарядов есть дополнительная инертная масса m – её и назвали электромагнитной. Если же сближаются два разноимённых заряда, то при ускорении возникает ускоряющая сила, которая субъективно снижает массу зарядов на величину m. Вот почему при слиянии, например, ядер дейтерия масса получившегося ядра гелия снижается на величину m от взаимодействия образующих нуклоны разноимённых зарядов. Причём эта масса точно пропорциональна выделенной энергии W=mc². А, скажем, при α-распаде ядра урана масса уменьшается за счёт исчезновения лишней электромагнитной массы m, связанной с отталкиванием одноимённо заряженного ядра и альфа-частицы и пропорциональной энергии W=mc², приобретаемой ядром гелия под действием этого отталкивания. Так же и при "аннигиляции" электрона и позитрона они реально не исчезают: частицы лишь соединяются в нейтральную пару, разделённую расстоянием порядка r₀, а выделившаяся при этом энергия гамма-излучения – это потенциальная энергия W=mc² их электростатического взаимодействия, высвобожденная при сближении до такого расстояния [7].

    Модель протонов и нейтронов в виде правильных кристаллических тел, кубиков, приводит и к кристаллической структуре атомного ядра. Соединяясь плоскими гранями, нуклоны для максимизации энергии связи и минимума потенциальной энергии должны образовывать слои и тела правильной геометрической формы, как в случае атомов, образующих кристаллы. Такое слоистое формирование ядра позволяет объяснить существование магических чисел нуклонов, что остаётся проблемой для квантовой механики [1, 11]. Давно было замечено, что магические числа складываются из чисел вида n(n+1) – так называемых удвоенных треугольных чисел. Это подтверждает, что протоны и нуклоны располагаются в ядре последовательными всё увеличивающимися правильными геометрическими слоями, образующими тела в форме пирамид. При этом наиболее стабильными оказываются именно ядра с магическим числом нейтронов и протонов, то есть с целиком заполненными слоями, в которых максимальна энергия связи. Также это позволяет объяснить, почему тяжёлые ядра делятся пополам в отношении в среднем 3:2. Получают простое объяснение изомеры ядер, то есть ядра, в которых нуклонный состав одинаков, но отличается пространственное размещение нуклонов в ядре, а потому отличаются энергии связей, периоды полураспада и другие свойства [3].

    Интересно, что такое представление о атомах и микрочастицах в виде пирамид имеет очень древнее происхождение и предполагалось ещё Пифагором, Платоном, Кеплером, Ломоносовым. Причём Ломоносов предвидел, что интенсивность связи частиц пропорциональна площади их контакта (числу связей N), предсказал существование изотопов и изомеров, когда говорил о стандарте формы и веса частиц данного типа: "Однородными я называю те корпускулы, которые равновелики и подобны по фигуре… они могут иметь некоторое несходство фигуры и неравенство, но настолько незначительные, что ими можно пренебречь и не принимать их во внимание при отыскании причины ощутительной разницы в сцеплении. Например, если масса одной корпускулы относится к массе другой, как 1000 к 999, а по отношению к фигуре – если две корпускулы обладают фигурой пирамиды, стоящей на квадратном основании, и одна имеет угол к основанию, равный 52° 31', а вторая 52° 30' [10]".

    Формирование в ядре двойной пирамиды, вместо одинарной, можно объяснить электростатическим отталкиванием частей ядра, стремящихся расположиться возможно дальше друг от друга, а также магнитной структурой ядра. Ядро, обладающее магнитным моментом, по мере кристаллизации обрастает с двух сторон нуклонами, так же как магнит обрастает с двух полюсов бородами магнитных опилок, расположенных вдоль магнитных силовых линий. Магнитный момент ядра связан с магнитными моментами образующих его нуклонов, упорядоченное расположение которых позволяет объяснить "квантование" магнитных моментов ядер, ядерные спектры и тонкую структуру атомных спектров, поскольку заряженные частицы (протоны или электроны) колеблются в магнитном поле ядра с жёстко заданными частотами. Причём такие стандартные магнитные моменты ядер и их влияние на спектры было предсказано ещё Томсоном и Ритцем в рамках классической кристаллической модели атомов и ядер [3, 4].

    Физики, на основе экспериментального анализа всё чаще приходят к мысли о сложном пространственном кристаллическом устройстве "элементарных" частиц и ядер [11], во многом напоминающем наноструктуры, молекулы белков и даже ДНК. Кристаллическая модель ядра интересна ещё и тем, что допускает прямую экспериментальную проверку по методу Лауэ. Проверить и исследовать кристаллическую структуру ядер и нуклонов можно, как в случае химических кристаллов, облучая кристалл на длине волны, меньшей или сопоставимой с размером кристаллической ячейки (λ~10^–16–10^–15 м – жёсткие гамма-лучи), а затем исследуя дифракционную картину на фотопластинке. Если кристаллическая структура ядер и адронов подтвердится, то это позволит не только глубже изучить строение вещества, понять природу взаимодействий и правильно предсказать свойства всех ядер и частиц, но и гораздо эффективней экспериментально исследовать их строение и легче выделять ядерную энергию. До сих пор расщепление ядер на АЭС производили варварским способом, тупыми беспорядочными ударами по ним. Если же учесть их кристаллическую структуру, деление можно будет производить при меньших энергиях, путём остронаправленного удара, разделения нуклонов и ядер по кристаллографическим плоскостям, по плоскостям спайности, по участкам наименьшей прочности, дефектам и т.д.

    Огромные возможности в этом плане открывает лазерное излучение, с помощью которого можно не только эффективно ускорять частицы и ядра [12], но и напрямую их разделять, разрезать "лазерным скальпелем", поскольку напряжённость электрического поля E в лазерном луче наиболее мощных установок постепенно приближается к напряжённости кулоновского поля E=10²¹ В/м, которое связывает вместе электроны и позитроны. Тогда электроны и позитроны, двигаясь в электрическом поле противоположно, могут быть оторваны друг от друга, что будет воспринято как появление электрон-позитронных пар в вакууме,– эффект давно предполагавшийся в мощном лазерном поле и названный неустойчивостью, или "кипением" вакуума. С одной стороны это позволит разделять электрон-позитронные пары, витающие в вакууме, а с другой, позволит расщеплять нуклоны и ядра на мельчайшие составляющие, производя полную дезинтеграцию материи. Это позволит вырабатывать ядерную энергию экологически чистым и экономичным путём, из более дешёвого и безопасного ядерного топлива, не способного к самодетонации и не приводящего к масштабным авариям. Зная кристаллическую структуру частиц, можно будет разработать способы конструирования новых частиц и ядер, собирая их, как из кубиков, осуществляя экономически выгодную трансмутацию, получая дефицитные химические элементы и т.д. Таким образом, представление о кристаллической структуре элементарных частиц и ядер поможет существенно продвинуть теоретическую и экспериментальную физику и разработать принципиально новые способы трансформации материи.

См. графическую презентацию доклада в формате PPT

Дата установки: 13.05.2011
[вернуться к содержанию сайта]

W