Текст книги "Мир вокруг нас"

Автор книги: Этэрнус

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 22 страниц)

Характерной особенностью трансурановых элементов – является практически полное отсутствие запасов данных элементов на Земле, т. к. их изотопы, имея очень малые времена полураспада, по сравнению с временем существования Земли [8], уже успели полностью или почти полностью распасться.

На рис. 196 – показано строение ядер наиболее энерговыгодных изотопов плутония (см. табл. 57), – первого (чётного) трансуранового элемента. На рис. видно, что нейтроны в данных изотопах – связаны непосредственно (и выгодно), или в составе мостов, что соответствует максимальной энергии связи, точно так же, как это имело место и рассматривалось ранее на примере более лёгких элементов (начиная с изотопов свинца).

Рис. 196

Таблица 57 ^[18]

Изотопы плутония, с наибольшей энергией связи, и известные смежные к ним

Далее: Изотопы с наибольшей энергией связи, следующего трансуранового элемента, кюрия (см. табл. 58) – показаны на рис. 197. Наибольшая энергетическая выгода, у изотопов этого элемента, как и у предыдущего – размазана среди нескольких изотопов, очень близких по энергии. В строении ядер этих изотопов – проявляются, опять же, рассмотренные ранее, закономерности, т. е. наибольшая энергия связи ядер, обладающих непосредственной и выгодной, и в составе мостов, связью нейтронов.

Таблица 58 ^[18]

Изотопы кюрия, с наибольшей энергией связи, и известные смежные к ним

Примечание: # – данные, полученные из трендов (не экспериментальные данные)

Рис. 197

Из последнего – следует, что способность периферийных областей в ядре, связывать нейтроны – не растёт (или почти не растёт) с увеличением массы ядра. Это как раз соответствует природе ядерных (мезонных) взаимодействий, как короткодействующих сил. Иными словами, ядро сохраняет целостность лишь благодаря скелету из альфа-частиц (и нейтронным мостам), а не из-за непосредственного взаимодействия нуклонов одного конца ядра с противоположным.

В итоге, из-за короткодействия сил, связывающих нуклоны, и практического отсутствия роста этих сил с увеличением числа нуклонов, электрическое отталкивание протонов, накапливаясь – становится в ядрах тяжёлых элементов, сравнимым, по эффективности, с сильным взаимодействием, поэтому тяжёлые ядра оказываются нестабильными (радиоактивными), в т. ч. обретают способность к спонтанному делению, или всё более ускоренному альфа-распаду.

Далее: Из неизменности и предсказуемости строения наиболее энерговыгодных изотопов – легко выяснить строение соответствующих (наиболее энерговыгодных) ядер и гораздо более тяжёлых элементов, имеющихся в таблице Менделеева.

Но рассмотрим, сперва, по порядку, строение ядер следующего элемента: калифорния, расположенного за кюрием (табл. 50). На рис. 198 – представлено вероятное строение ядра наиболее энерговыгодного изотопа калифорния (240), и соседних, близких к нему по энергии, ядер (см. табл. 59).

Рис. 198

Таблица 59 ^[18]

Изотоп калифорния, с наибольшей энергией связи, и известные смежные к нему

Обратим внимание, что калифорний-238, представленный на рис. 198 – не склонен к альфа-распаду, а распадается путём спонтанного деления, в отличие от калифорния-240, см. табл. 60. Вероятный механизм этого различия – показан на рис. 199. На рис. видно, что в калифорнии-240, протоны в дальней части ядра – могут, «виртуально», переходить из альфа-кластера, и образовывать кластеры дейтерия, которые затем могут перейти на базовый энергоуровень вне ядра, в виде альфа-частицы (что, в целом, аналогично механизму распада ядра бериллия-8). Для ядра калифорния-238, из-за отсутствия нейтронов в соответствующем положении (в дальней части ядра (см. рис. 198)), такой переход невозможен, поэтому калифорний-238 распадается почти исключительно путём спонтанного деления (табл. 60).

Таблица 60 ^[8]

Изотопы калифорния-238, -240

Рис. 199

Каналы распада калифорния-238 и -240 – свидетельствуют в пользу представленных конфигураций этих ядер. Эти, наиболее энерговыгодные изотопы калифорния, как и соответствующие рассматривавшиеся изотопы (ядра) предыдущих чётных элементов (кюрия и плутония) – в значительной мере асимметричны.

Асимметрия в ещё большей степени – свойственна более тяжёлым ядрам этих же элементов (что означает переход нуклонов на ещё более высокие энергоуровни, с уменьшением удельной энергии связи ядер, но с ростом стабильности). Вероятное строение таких изотопов плутония и кюрия (для которых известен кластерный распад, в некоторой степени, помогающий подтвердить определённую структуру ядра) – показано на рис. 200 (см. также табл. 61).

Рис. 200

Таблица 61 ^[8]

Ядра плутония и кюрия, для которых известен / измерен кластерный распад

В целом, на этих, и рассмотренных ранее, примерах, видно, что изотопы всех элементов от радия до калифорния – в высокой степени асимметричны. Экспериментальным подтверждением этой асимметрии – могут служить не только кластерные распады многих изотопов (с т. зр. наглядной геометрии), и спонтанное деление калифорния-238, – но и высокие значения электрических квадрупольных моментов ядер в этой области – см. рис. 201. На рис. особо отмечены некоторые т. н. «магические» и (14, 40) «полумагические» числа нуклонов (называемые так на неклассическом этапе), соответствующие элементам, ядра (изотопы) которых имеют близкие к нулю квадрупольные моменты.

Рис. 201 ^[31]. Измеряемые квадрупольные электрические моменты некоторых изотопов, в зависимости от числа протонов или нейтронов

Как известно, величина электрического квадрупольного момента, используется для оценки отклонения формы ядра от симметричной. Как видно из рис. 201, (практически) симметричное (недеформированное) строение – характерно для ядер (изотопов) таких тяжёлых элементов как: олово (Z = 50), церий (Z = 58), свинец (Z = 82), строение которых (т. е. изотопов этих элементов) рассматривалось ранее, и действительно было симметричным или близким к таковому.

Асимметрия же, как видно на рис. 201 – характерна для многих ядер (изотопов), в т. ч. растёт в направлении от радия к калифорнию, а также для самария, и др. В целом, большинство элементов в таблице Менделеева (включая радий, торий, уран, плутоний, кюрий, калифорний), имеют ядра (изотопы), с высокими значениями электрических квадрупольных моментов, = находящиеся в состоянии устойчивой (выгодной) деформации (см. рис. 201), наглядным проявлением которой, является асимметрия между правой и левой частями этих ядер.

Далее: Вернёмся к рассмотрению изотопов с наибольшей энергией связи: учитывая практическую неизменность закономерностей связи нейтронов в наиболее энерговыгодных изотопах, переходим от элемента калифорния, сразу к элементу, расположенному на 12 элементов дальше калифорния, – дармштадтию (110-й элемент таблицы Менделеева, см. табл. 50). Ядра наиболее энерговыгодных изотопов, дармштадтия-270 и -272, в симметричной конфигурации – представлены на рис. 202 (см. также табл. 62). Как видно, полностью симметричное ядро дармштадтия-270 – способно связать эффективной связью (т. е. непосредственно, или в составе мостов и выгодных кластеров), на 50 нейтронов больше, чем протонов. (Как и дармштадтий-272 – на 52 нейтрона больше, чем протонов, хотя связь последней пары нейтронов, в дальней части ядра, указанных на рис. – представляется маловыгодной). Т. о. тут, в целом – всё так же, как и у более лёгких элементов: наибольшая энергия связи – соответствует непосредственному, и в составе (сильных) мостов, связыванию нейтронов.

Рис. 202

Таблица 62 ^[18]

Изотопы дармштадтия, с наибольшей энергией связи, и известные смежные к ним

Примечание: в скобках – погрешности измерений (для последней значащей цифры)

Ядра изотопов дармштадтия – синтезированы в очень малом числе (счёт идёт на отдельные атомы), и плохо поддаются исследованию, т. к. крайне нестабильны (период полураспада наиболее долгоживущего изотопа – всего 14 секунд [8]). Свойства данных, и более тяжёлых ядер (изотопов) – пока весьма малоизучены.

Последний элемент таблицы Менделеева – имеет всего один известный изотоп, и находится на 8 элементов дальше дармштадтия, – это унуноктий (см. табл. 50).

Возможны ли элементы, более тяжёлые, чем Uuo? На сегодняшний день – таких элементов неизвестно. Однако в рамках имеющихся, в настоящее время, представлений, как на неклассическом, так и на постнеклассическом этапе, никаких фундаментальных препятствий для существования более тяжёлых ядер – не видно (хотя время жизни изотопов таких элементов – и оказывается весьма мало).

Далее: Итак, мы рассмотрели, в целом, основные данные о ядерном уровне вещества.

Теперь – можно перейти к рассмотрению более высоких уровней вещества окружающего Мира. Но пока что, возвратимся к дальнейшему рассмотрению более низкого уровня вещества, т. е. уровня элементарных частиц и вакуума. С дальнейшим рассмотрением этого уровня – связано в т. ч. решение вопроса о природе Большого Взрыва (= о происхождении окружающего Мира), где можно, исходя из наглядной геометрии элементарных частиц (в т. ч. как квантов полей), получить об этом некоторые представления.

Большой Взрыв

Большой Взрыв – это явление, произошедшее, по последним оценкам, 13,798 миллиарда лет назад [32], в результате которого, возникли те виды взаимодействий и элементарных частиц, и состояние вакуума, что наблюдаются в нашем Мире сегодня.

Прежде чем говорить о причинах и сущности Большого Взрыва, в рамках постнеклассических, наглядных представлений, рассмотрим, сперва – предшествующие, неклассические (ненаглядные), в рамках которых, впервые появилось и развивалось понятие Большого Взрыва:

Неклассически, Большой Взрыв – представляется как рождение (конечной) Вселенной из ничего (при этом, окружающий Мир – является её (наблюдаемой) частью, или в некоторых случаях, может совпадать с конечной Вселенной в границах (эта (последняя) возможность – ещё не исключена имеющимися наблюдениями)). Наглядно – невозможно представить рождение чего-то из ничего, но именно такой процесс – считается сутью Большого Взрыва, на неклассическом этапе. Как видно, понятия Вселенной и окружающего Мира, тут – могут не разделяться (т. к. окружающий Мир может совпадать в границах с конечной Вселенной, а сама конечность Вселенной – помимо следующей как один из возможных вариантов из уравнений теории относительности (где пространство-время может быть замкнуто само на себя), требуется из-за перехода от классических представлений об «атомах» и пустоте – к представлениям о непрерывных субстанциях: полях / пространстве-времени / энергии, которые, как и все объекты, представляющиеся непрерывными – неизбежно представляются конечными).

Считается, что при Большом Взрыве – появилось само пространство и время. Поэтому о том, что было до Большого Взрыва – в рамках неклассических представлений, говорить бессмысленно (без времени – не существовало момента «до»).

Причины Большого Взрыва, на неклассическом этапе, в целом – неизвестны.

Однако, сам ход Большого Взрыва – был описан, на этом этапе, достаточно подробно: он представлен в виде ряда сменяющих друг друга, стадий, связанных с расширением (конечной) Вселенной (или растяжением пространства-времени), см. табл. 63. Каждая стадия – характеризуется соответствующей температурой и плотностью вещества, что определяет основные процессы, идущие на этой стадии.

Таблица 63 ^[33]

Периодизация Большого Взрыва

Примечание: остальные (дальнейшие) периоды – опущены

Например, стадия первичного нуклеосинтеза – начинается, когда плотность вещества, и температура соответственно, вследствие расширения (конечной) Вселенной, падают настолько (температура – до 10⁹ K [34]), что становится возможным образование простейших атомных ядер, при столкновениях элементарных частиц (нуклонов): На этой стадии, длившейся примерно с третьей по двадцатую минуты от начала Большого Взрыва [33], возникают условия, чтобы образующиеся ядра – сохранялись, а не расщеплялись высокоэнергетичными фотонами (гамма-квантами) и столкновениями с другими высокоэнергетичными частицами.

В это время – протоны и нейтроны вступают в ядерные реакции, образуя, в подавляющем числе случаев, ядра гелия-4 (т. е. альфа-частицы), составляющие, в конце этой стадии, согласно расчётам [35] – около 8% по числу ядер (или 25% по массе), от ядер водорода. Такое (или почти такое) соотношение элементов водорода и гелия – как известно, наблюдается в межзвёздных (и межгалактических) облаках газа, что свидетельствует о дозвёздном происхождении гелия в этих облаках. (Имеются также следы более тяжёлого элемента, лития, а также изотопа водорода, дейтерия, и изотопа гелия – гелия-3, также обязанные стадии первичного нуклеосинтеза).

После образования атомных ядер, и последующего долгого периода пребывания вещества в состоянии плазмы, стало возможным, в следующую эпоху, образование атомов (вследствие того, что кинетическая энергия электронов, а также плотность вещества – достаточно снизились). Эта стадия – называется рекомбинацией, и заканчивается примерно 377 000 лет после Большого Взрыва [36], когда (конечная) Вселенная (и окружающий Мир, соответственно) – становится прозрачной для излучения. (Это излучение остаётся в качестве реликтового (фонового) излучения, доступного, в современности, наблюдениям).

Далее – происходило образование более высоких уровней вещества (подробнее – это будет рассматриваться позже).

Теперь посмотрим, подробнее, как на неклассическом этапе описываются более ранние стадии Большого Взрыва, т. е. до первичного нуклеосинтеза:

Согласно т. н. традиционной (не инфляционной) модели (общепринятой, как впрочем и инфляционная), о стадиях Большого Взрыва – начинают говорить, с т. н. планковского времени, составляющего невообразимо малое число – 10^–43 секунды от начала Большого Взрыва. До этого момента, какие бы то ни было расчёты, основанные на неклассических теориях – считают неприменимыми, а состояние Вселенной – обозначают как сингулярное. В момент времени 10^–43 сек – рождается само время (10^–43 сек – считается минимальным возможным отрезком времени в природе). Размер видимой части Вселенной (= окружающего Мира, который может совпадать, в границах, с конечной Вселенной), в эту, первую (на неклассическом этапе), стадию Большого Взрыва – умещался, как считается, в масштабе не более, чем порядка 10^–33 см [37]. В эту (планковскую) стадию Большого Взрыва – все взаимодействия объединены в одно фундаментальное взаимодействие (т. е. ещё нет ни сильных, ни электрослабых, ни гравитационных сил).

С 10^–43 сек, происходит отделение гравитационного взаимодействия. Начинается эпоха Великого объединения, когда электрослабые и сильные взаимодействия объединены в единое поле Великого объединения, отдельно от которого – остаётся гравитация.

Квантами, переносящими взаимодействие Великого объединения – считаются (гипотетические) X– и Y-бозоны, с дробными электрическими зарядами +4/3 и +1/3 соответственно. Массы этих частиц (около 10¹⁵ ГэВ) [38] – слишком велики для создания их в ускорителе (коллайдере), в настоящее время. Косвенно же, о возможном существовании таких частиц (в условиях современного Мира – как «виртуальных») – могло бы свидетельствовать обнаружение нестабильности протона (например, распада его на позитрон и нейтральный пи-мезон). Однако эксперименты, на данный момент, показывают, что протон – как минимум, на порядки стабильнее, чем ожидалось в рамках простейшего варианта теории Великого объединения [39] [40]. (Поиски распада протона – продолжаются).

Далее: К концу стадии Великого объединения, занимающей промежуток времени с 10^–43 сек по 10^–36 сек, температура снижается (вследствие расширения) до 10²⁸ K [41], когда электрослабые и сильные взаимодействия – также отделяются друг от друга.

Начинается эпоха существования электрослабого взаимодействия (10^–36 сек – 10^–12 сек). В этот период, температура достаточно велика для рождения W– и Z-бозонов, переносящих электрослабое взаимодействие. К концу электрослабой стадии, концентрация энергии снижается ниже порога образования W– и Z-бозонов (около 100 ГэВ), и электромагнитные и слабые взаимодействия – также разделяются.

При этом, открывается нарушение симметрии между слабым и электромагнитным взаимодействием, описываемое механизмом Хиггса. Благодаря этому механизму, кванты, переносящие электромагнитное взаимодействие – оказываются безмассовыми (т. к. не взаимодействуют с полем Хиггса), а кванты слабого взаимодействия (W и Z) – массивными, что приводит к большим различиям электромагнитного и слабого взаимодействий, в следующую эпоху.

С 10^–12 сек, все взаимодействия – уже имеются в том виде, в котором существуют в современном окружающем Мире (т. е. гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое).

Дальнейшие стадии, предшествующие стадии первичного нуклеосинтеза – см. в табл. 63 (на них, подробно останавливаться не будем).

Далее, говоря об основах неклассических представлений о Большом Взрыве – необходимо познакомиться с сутью т. н. инфляционной модели, – более новой и также общепринятой, конкурирующей с традиционным пониманием Большого Взрыва, в отношении описания его самых ранних стадий. (Инфляционная модель – объясняет однородность окружающего Мира / конечной Вселенной, на больших масштабах, в т. ч. высокую однородность реликтового излучения, в то время как традиционная модель с этим практически не справляется).

В инфляционной модели, пространство-время (конечной) Вселенной, за время, соответствующее в традиционной космологии, промежутку с 10^–36 сек по 10^–32 сек [42], – претерпевает период стремительного (точнее, экспоненциального) раздувания, – т. н. инфляцию (во время которой, объём (конечной) Вселенной возрастает не менее чем в 10⁷⁸ раз [43]). За инфляцию – ответственно соответствующее поле – т. н. инфлатон. Инфляция – начинается в конце стадии Великого объединения (10^–36 сек), когда концентрация энергии (температура) снижается до порога отделения сильного взаимодействия, т. е. нарушения симметрии Великого объединения, что и запускает инфляцию. Инфляционная стадия – заканчивается фазовым переходом растянутого поля инфлатона, а именно – его распадом на сразу разделённые взаимодействия – электрослабые и сильные. При этом, вновь появляется огромная температура и давление, соответствующие, однако, только времени около 10^–32 сек в традиционной космологии, что соответствует стадии существования электрослабых взаимодействий (10^–36 сек – 10^–12 сек). (Эти и другие моменты – объясняются, далее – в постнеклассических (наглядных) представлениях о Большом Взрыве, к которым, наконец, и переходим):

Причины и суть Большого Взрыва

Чтобы увидеть, каким был окружающий Мир в начале, и почему он стал таким как есть, подымемся, забегая вперёд, на уровень выше атомных ядер – и представим наглядное строение атома гелия-4, см. рис. 203.

Рис. 203

Этот объект, атом – пример наиболее энерговыгодного состояния вещества, каковым оно является в современную эпоху, когда все взаимодействия – разделены, симметрия – нарушена, а вакуум – находится в кристаллическом состоянии.

Но так было не всегда:

Обратимся, с т. зр. наглядной геометрии, ко времени до разделения взаимодействий, в т. ч. когда ещё не было сильных (мезонных) взаимодействий. Перейти к этому состоянию, геометрически – очень легко: нужно лишь «надавить» на атом сверху и снизу, что переведёт его в «плоское» состояние, см. рис. 204. При этом, мы видим, что мезонное поле – исчезло. А электрон – занял образовавшееся свободное место («дырку») возле нейтрона.

Рис. 204

Далее, устраним нарушение симметрии между правой и левой частью, см. рис. 205. На этом рис., мы уже пришли к вероятной геометрии состояния, соответствующего времени до начала инфляционной стадии. (Ещё более раннее состояние – ячейка, показанная на рис. 206 (будет рассматриваться, подробнее – позже)).

Рис. 205

Рис. 206

Теперь рассмотрим саму вероятную суть и ход процесса нарушения симметрии = разделения взаимодействий, что соответствует, по времени, стадии инфляции:

Вещество, показанное на рис. 205 – стремится перейти к тому объёмному состоянию (и выгодной геометрии), что оно имеет в современности. Однако, это поднятие из плоского состояния в объёмное – геометрически невозможно, т. к. одна из будущих граней – оказывается лишней, мешающей поднятию, см. рис. 207.

Рис. 207

Чтобы произошёл процесс поднятия, одна из будущих граней – должна отколоться, в процессе поднятия, что ведёт к выгодной геометрии, но с нарушенной симметрией, а отколовшаяся грань – становится в окружающем Мире – электроном. Наглядно, этот процесс – показан на рис. 208. Уже из этого рис. – становится очевидна возможная (геометрическая) причина, почему в современном окружающем Мире существуют электроны, и почему, после образования, между электроном и атомным ядром – остаётся взаимодействие (притяжение), благодаря которому, в дальнейшем, происходит образование атомов, из атомов – молекул, и т. д.

Рис. 208

Далее – рассмотрим процесс поднятия (= разделения взаимодействий, и косвенно, инфляции), в более подробной форме (допуская меньшее число упрощений):

В процессе поднятия из плоского состояния, и откалывания грани (электрона), рождается, сперва, естественно, не сам электрон в чистом виде (и даже не его тяжёлые аналоги, мюон или таон), а ещё более тяжёлые (энергоёмкие) частицы, – например, кванты электрослабого взаимодействия, W-бозоны. Действительно, в процессе поднятия, мало откалывания грани, см. рис. 209. На рис. видно, что в случае простого откалывания грани, у будущего нейтрона – остаётся только два кварка, в то время как нужно три. Чтобы в нейтроне появился третий кварк, недостаёт т. о. ещё одного эпицентра дислокации, а из-за парного рождения частиц (и магнитных осей), необходимо одновременное появление двух таких эпицентров: один из них – становится эпицентром третьего кварка в нейтроне, а второй – остаётся в виде (анти)нейтрино. Т. к. оба процесса – откалывание грани (= будущего электрона), при поднятии, и образование эпицентров для третьего кварка и антинейтрино – происходят одновременно и взаимосвязаны, антинейтрино и электрон – вылетают в виде единой частицы, которую можно отождествить с W-бозоном (последний, как известно, распадается на электрон и антинейтрино (впрочем, так же распадается и пи-минус-мезон)). В целом, поднятие (соответствуя, по времени, инфляционной стадии) – может приводить, как видно, сразу к электрослабой эпохе (т. е. существованию, отделённых друг от друга, электрослабого и сильного взаимодействий (полей)), как следует и из инфляционной (неклассической) модели.

Рис. 209