Текст книги "Мир вокруг нас"

Автор книги: Этэрнус

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 22 страниц)

Спин и геометрия вакуума

Структуры элементарных частиц, с учётом спина – представлены на рис. 11. На рис. видно, что в соседних, разнонаправленных треугольниках, отражающих геометрию кристаллической решётки вакуума, спины оказываются противоположны (как и электрические заряды). Данное представление – позволяет легко объяснять спины элементарных частиц (рис. 11). В частности, наглядно видно, почему у частицы дельта ++ спин равен 3/2, в отличие от спина протона / нейтрона (1/2), тоже состоящих из трёх кварков.

Рис. 11

Аналогичным образом, можно увидеть связь геометрии и спина у электронов и позитронов, см. рис. 12. На рис. видно, что и электрон, и позитрон – могут иметь две разных ориентации, в виде треугольников, направленных вверх или вниз (во всех случаях, движение на магнитной оси – оказывается взаимосогласовано с движениями на электрических осях).

Рис. 12

Идём далее:

Сущность глюонных полей

С глюонным полем – связано, как известно, представление о глюонных зарядах трёх видов, в отличие от двух видов зарядов у электрического поля. Глюонные заряды, на неклассическом этапе, условно называют «цветовыми», ассоциируя с тремя цветами, составляющими вместе белый цвет: красный, синий и зелёный, см. рис. 13. (Для античастиц – существуют также антицвета: анти-красный, анти-синий и анти-зелёный: на рис. 13 – они расположены напротив соответствующих цветов). Цвета (и антицвета) – необходимы для описания глюонных взаимодействий кварков в сложных элементарных частицах: так, считают, что в частицах, состоящих из трёх кварков (= барионах, – протонах, нейтронах и т. п.), каждый кварк – обязан нести по одному из трёх «цветовых» зарядов, чтобы в сумме получалась т. н. бесцветная, или белая комбинация, см. рис. 14. В частицах, состоящих из кварка и антикварка (= мезонах, – пи-мезоне, и т. п.) – должен присутствовать цвет и антицвет, что тоже даёт бесцветную (белую) комбинацию, см. рис. 15.

Рис. 13 ^[I]

Рис. 14 ^[II]. Протон

Рис. 15 ^[III]. Пи-мезон (пион) +, цвета кварков – синий и антисиний

Введение «цветовых» зарядов, как видно – это лишь констатация определённых свойств глюонных полей, но не объяснение их происхождения, т. е. причины. Это лишь отражение свойств кварков объединяться в тройки в барионах, и в пары кварк-антикварк в мезонах. Но почему «цветовых» зарядов всего три, и что такое, на самом деле, «цветовой» заряд, на неклассическом этапе – неизвестно.

На постнеклассическом этапе, исходя из наглядных представлений об устройстве элементарных частиц, три «цвета» – легко объясняются геометрией вакуума, т. е. вытекающим из неё, наличием трёх электрических осей, и их взаимной ориентацией, как раз соответствующей тому, что называлось ранее тремя «цветами», см. рис. 16. Природа глюонного поля в целом, как уже говорилось ранее, связана с поддержанием замкнутой фигуры движения на «полюсе» сложной элементарной частицы, что легко соотносится с обязательным образованием бесцветной (белой) комбинации – так, как показано на рис. 17.

Рис. 16

Рис. 17

О механизме действия глюонного поля подробнее, в т. ч. о том, что происходит при попытке отдалить (оторвать) кварки друг от друга, и о наглядном строении глюонов – будем говорить позже (как и о строении квантов других полей).

Идём далее:

Причины существования поколений элементарных частиц

Рассмотрим, почему существуют три поколения элементарных частиц: причина – заключается в возможности образования дислокаций не только первого, но и второго и третьего порядков: Дислокация первого порядка, т. е. обычная дислокация, лежащая в основе элементарных частиц первого поколения – получается, если выбить одну вакуумную частицу со своего местоположения. Дислокация же второго порядка – образуется, если выбить ещё и 12 вакуумных частиц, её окружающих. Т. е. всего – получается дислокация из 13-и выбитых вакуумных частиц. Это – дислокация второго порядка, лежащая в основе элементарных частиц второго поколения (т. е. мюона, и кварков s -1/3 и c +2/3).

Дислокация третьего порядка – получается, если вместе с 13-ю вакуумными частицами, выбить ещё один слой вакуумных частиц (т. е. ещё 42 частицы), = всего 55 вакуумных частиц. Образуется т. о. дислокация, которая ложится в основу элементарных частиц третьего поколения (тау-лептона, и b– и t-кварков).

Итак, причина существования поколений элементарных частиц, выглядит довольно просто. Видно, что существование поколений – не случайность (и они не являются лишними, каковыми считались на неклассическом этапе). Кроме того, подобные эффекты – должны наблюдаться и для дислокаций в обычных, молекулярных и т. п. средах, что позволяет экспериментально проверить данный подход, и может служить аналогией при изучении поколений элементарных частиц.

Причины различия масс электрона, мюона и таона

Элементарные частицы второго и третьего поколений имеют массы, на порядки превышающие массы элементарных частиц первого поколения. На неклассическом этапе, стандартным объяснением этому – является рост взаимодействия частиц второго и третьего поколений с «виртуальными» квантами поля Хиггса, равномерно заполняющего вакуум: представляют, что частицы второго и третьего поколений, по непонятным причинам – интенсивнее взаимодействуют с этим полем. Т. к. конкретный механизм этого взаимодействия и его роста к частицам второго и третьего поколений – неизвестны, т. о. причина различия в массах, в целом – остаётся загадкой.

Постнеклассически же, более высокая масса у частиц второго и третьего поколений – вытекает из увеличения степени дислоцированности (что не отменяет наличия поля Хиггса). В степени дислоцированности – и запасена энергия = масса частицы (которую можно представить как степень взаимодействия со средой вакуума, которое и есть конкретная реализация того, что является полем Хиггса, и механизма, придающего массу частицам (аналогично – возникает т. н. эффективная масса у дислокаций в обычных, молекулярных кристаллах: как известно, звуковые волны, подобно фотонам – остаются безмассовыми, а дислокации – обладают эффективной (инертной) массой, т. к. не могут двигаться с максимальной скоростью в среде, т. е. скоростью звука)).

Выяснив конкретную причину существования поколений элементарных частиц, а также геометрию процесса их образования (1, 13 и 55 выбитых вакуумных частиц, соответственно), можно попробовать найти, какой закономерности подчиняются численные различия масс поколений элементарных частиц. (Такой формулы, на неклассическом этапе, как уже говорилось – не существовало).

Для начала, вспомним, как соотносятся массы элементарных частиц между поколениями, например, массы лептонов: если взять массу электрона за единицу, то масса мюона (тяжёлого электрона) – составит 206,8 масс электрона, а масса тау-лептона (таона) – около 3 477 масс.

Применим знание о геометрии дислокаций первого, второго и третьего порядка. Сделаем самое простое, что можно сделать с числами выбитых вакуумных частиц (1, 13 и 55) – возведём их в квадрат, и получим следующие числа, и соответствия массам:

1² = 1 (масса электрона = 1);

13² = 169 (масса мюона = 206,8);

55² = 3 025 (масса таона = 3 477).

Как видно, полученные числа, по порядку величины – приближаются к массам электрона, мюона и таона, т. е. массам частиц разных поколений. Но ведь мы ещё ничего сложного не делали: всего лишь, зная механизм явления, взяли количество выбитых вакуумных частиц, соответствующее степеням дислокаций, и возвели в квадрат. Масса т. о. обретает наглядный и чисто геометрический смысл.

Чтобы получить более точную формулу, а не первое приближение, необходимо найти, вероятные, поправочные коэффициенты, обусловленные нюансами геометрии: Например, мы не учли, что выбитые 13 вакуумных частиц, в отличие от одной вакуумной частицы – не являются сферичной фигурой, а представляются 14-гранником; эта несферичность, при образовании таона – проявляется ещё более выраженно, см. рис. 18. Также в поправочный коэффициент, помимо всего прочего, могут входить неучтённые промежутки между (сферическими) эпицентрами вакуумных частиц (появляются лишь в мюоне и таоне), и некоторые другие нюансы геометрии вакуума, о которых позже. Учёт всех нюансов – может помочь в уточнении формулы. (Создание точной формулы – оставим для учёных, т. к. это уже относительно частный вопрос).

Рис. 18

Идём далее:

Объёмное строение сложных элементарных частиц

Настало время перейти от упрощённых представлений об элементарных частицах, к более точным. В чём же заключалось упрощение? Оно было в том, что сложные элементарные частицы, мы рассматривали как плоские образования, вернее, так, что кварки в них – лежали в одной плоскости (что в реальности – не так). Упрощённые представления были удобны, т. к. позволяли изобразить сложную элементарную частицу (вернее, вид её сверху) – на плоском листе бумаги. Однако теперь нам предстоит увидеть, что на самом деле, все сложные элементарные частицы – выходят за рамки плоскости, т. е. имеют более объёмное строение:

Для начала, покажем, как выглядят протон и нейтрон, на самом деле – см. рис. 19. Почему частицы обретают такое строение? Есть две веские и естественные, причины:

Во-первых, центры кварков, в такой частице – оказываются совмещёнными в одной точке. Чтобы продемонстрировать это, определим расположение центров кварков, по отношению к их «полюсам» – см. рис. 20. Как видно, центры кварков – располагаются на вершинах правильных пирамид, и совмещаются именно при таком угле сворачивания, какой показан на рис. 20. Указанное расположение центров кварков, т. е. в одной точке – лучше отражает тот факт, что сложная элементарная частица существует как единое целое. Подобным образом, можно построить объёмные структуры и других элементарных частиц, см. примеры на рис. 21.

Рис. 19

Рис. 20

Рис. 21

Вторая причина появления объёмности у сложных элементарных частиц – заключена в том, что мы пренебрегли нюансом геометрии вакуума, показанным на рис. 22. На рис. видно, что в рамках одной плоскости, в среде вакуума, невозможно существование треугольников, направленных вершинами в противоположные стороны. Это – явно исключает возможность существования в плоском виде таких сложных элементарных частиц как нейтрон, мезон, протон и т. д.

Рис. 22

Итак, двух причин – достаточно, чтобы объяснить, почему все сложные элементарные частицы обретают определённое объёмное строение. При этом, объёмные изображения частиц – находятся в соответствии с плоскими изображениями, но отличаются наличием углов между образующимися, вместо треугольников, гранями.

Имея объёмное представление о таких элементарных частицах как протон, нейтрон и пи-мезон – мы уже можем перейти к объяснению строения более высокого уровня вещества, – т. е. атомных ядер.

Основы постнеклассической ядерной физики

Внутреннее строение атомных ядер – является одной из, в целом, нерешённых задач, на неклассическом этапе. Далее, постнеклассически, в наглядном, геометрическом виде, без использования формул, мы увидим причины всех основных свойств ядер. Также увидим неразрывную связь структуры элементарных частиц и атомных ядер, т. е. как строение ядер – вытекает из геометрии элементарных частиц.

Строение ядра дейтерия

Не считая ядра атома водорода (т. е. протона), самое простое атомное ядро – это ядро атома дейтерия, состоящее из протона и нейтрона. Наглядно, строение этого ядра, с точки зрения постнеклассических представлений – показано на рис. 23.

Рис. 23

Как видно, ядро представляет правильную геометрическую фигуру, замыкающую некоторую область пространства. Протон и нейтрон, при этом – геометрически подходят друг другу. Также, как видно на рис., атомное ядро – представляет замкнутое движение, где замкнутые движения в протоне и нейтроне – взаимосвязаны в более крупное замкнутое движение, имеющееся в ядре как целом.

Ядро дейтерия, как известно, имеет спин 1, т. е. спины протона и нейтрона в нём – одинаковы, например, оба равны +1/2, так что в целом ядро имеет спин +1. Не существует ядер дейтерия со спином 0. Наглядная причина этого – видна из рис. 24. Как видно на рис., ядро со спином 0, не представляет замкнутой геометрической фигуры, и т. о. очевидно не является связанным состоянием протона и нейтрона. Также из рис. видно, что нуклоны (т. е. протон и нейтрон), если «развёрнуты вверх» – имеют спин +1/2, а если «вниз» – то спин –1/2 (причина такого поведения сложных частиц (протона и нейтрона, и других частиц в объёмном представлении) – станет ясной несколько позже).

Рис. 24

Далее, мы будем рассматривать только ядра в состоянии с положительным спином, т. к. ядра с противоположным спином – являются их зеркальными отражениями.

Если вспомнить о плоских представлениях элементарных частиц, очевидно, что при помощи их – нельзя увидеть ядро геометрически правильным. Однако всё становится на свои места, как только мы перешли к объёмным изображениям элементарных частиц, и увидели ядро дейтерия в объёмном представлении.

Геометрическая красота, присущая наглядному строению ядра дейтерия, и замкнутость его фигуры – уже пол-объяснения, почему ядро дейтерия – нерадиоактивно (являясь т. о. одним из двух стабильных изотопов водорода). Кроме того, такое строение – объясняет, почему спины протона и нейтрона в этом ядре одинаковы. Геометрически, это единственно возможная конфигурация ядра дейтерия.

Устройство изотопов ядер первого ряда таблицы Менделеева

Первый ряд таблицы Менделеева, как известно – включает два элемента: водород и гелий. У водорода – открыто 7 изотопов (включая широко известные, первые три – протон, дейтерий и тритий), а у гелия – 8 изотопов (также вместе с широко известными, первыми двумя, гелием-3 и альфа-частицей (= ядром гелия 4)).

Мы рассмотрим, по порядку, строение всех этих изотопов, т. к. именно на этих простых примерах – проясняются простые и естественные (= вытекающие из геометрии), закономерности строения атомных ядер, раскрывающие причины их свойств.

Чуть ранее, мы уже рассмотрели устройство ядер двух стабильных изотопов водорода: протона (т. е. ядра обычного атома водорода), и ядра атома дейтерия, или т. н. тяжёлого водорода.

Итак, идём дальше ядра дейтерия: следующим изотопом водорода – является тритий. Как расположить два нейтрона и протон, чтобы получить ядро трития? Некоторые конфигурации трития, которые можно вообразить – представлены на рис. 25. Из этих конфигураций, правильной – оказывается первая. В ней, кварки нейтронов и протона – находятся наиболее близко друг к другу, а значит связь является наиболее сильной. Также заметим, что как известно, спин ядра трития – равен 1/2. На рис. – наглядно видна геометрическая основа этого значения спина: как уже говорилось, «перевёрнутый» нуклон имеет спин –1/2, а из-за неизбежного наличия в ядре трития (притом в любой из конфигураций) – также и нуклонов спина +1/2, т. е. неперевёрнутых нуклонов, суммарный спин ядра не может быть 3/2.

Рис. 25

Тритий – нестабильный изотоп, хотя нестабильность его – относительно мала (период полураспада – 12,32 года); рассмотрим причину распада – немного позже.

Далее: Если заполнить вакансию в ядре трития, подходящим на это место, протоном, то получим ядро гелия-4, или альфа-частицу, см. рис. 26. Ядро гелия-4 (альфа-частица) – полностью завершённая, замкнутая фигура, и соответственно, можно предположить стабильность этого ядра (изотопа). Так и есть: гелий-4 – полностью стабилен, причём является ядром, при образовании которого, выделяется самая большая энергия, в расчёте на нуклон, а сам элемент гелий – завершает первый ряд элементов таблицы Менделеева. Также наглядно видна геометрическая причина того, почему спин альфа-частицы равен 0.

Рис. 26

Кстати, именно ядра гелия-4 образуются в ядерных реакциях, идущих в обычных звёздах, и именно синтез гелия-4 – даёт энергию, которую излучает Солнце.

Далее: Если отнять от ядра гелия-4 один нейтрон, получим изотоп гелий-3. Это ядро (изотоп) – имеет спин 1/2 и тоже стабилен (образуется при распаде трития, о чём – позже). Некоторые конфигурации, которые можно вообразить для ядра гелия-3 – показаны на рис. 27. Из них, реализуется в природе – первая, т. к. в ней оба протона – тянут «кварковую плотность» нейтрона (по аналогии с электронной плотностью атома) – в одну и ту же сторону, а не в противоположные, как во второй конфигурации, или частично в противоположные, как в третьей, см. рис. 28. Учёт направления смещения кварковой плотности – будет одним из постоянных правил при определении строения более тяжёлых ядер (протоны должны смещать её в одинаковую сторону, насколько это возможно, а все конфигурации, нарушающие это правило, как увидим далее – не реализуются в природе, вернее, реализуются только как возбуждённые состояния).

Рис. 27

Рис. 28. Ядро гелия-3, вид сбоку (схематично), конфигурации – по рис. 27

Ещё одно правило, или закономерность, следующая из структуры уже рассмотренных ядер – это выгода конфигурации ядра, в которой грани, а значит, кварки нейтронов и протонов – располагаются наиболее близко друг к другу, стремясь к образованию наиболее замкнутой фигуры из возможных. Одним из следствий этого правила – является спин, равный единице, у ядра дейтерия, и нулевой спин гелия-4 (и его полностью замкнутая конфигурация), а также минимальное значение спина у гелия-3 (т. е. 1/2, вместо возможного 3/2 (см. рис. 27)).

Конфигурации нейтронизбыточных изотопов водорода

Нейтроноизбыточными изотопами водорода являются изотопы от водорода-3 (трития) до водорода-7, имеющие, за исключением трития, ничтожные времена жизни, не более чем порядка 10^–22 сек, см. табл. 1. Несмотря на малое время жизни, эти изотопы весьма важны для подтверждения закономерностей строения атомных ядер. Остановимся на каждом из этих изотопов, по порядку:

Строение ядра трития – уже рассматривалось ранее, поэтому переходим сразу к водороду-4: Водород-4 – имеет спин 2, что объясняется рис. 29. Почему водород 4 предпочитает эту конфигурацию, а не такую, например, как на рис. 30? Фактически, нейтрон на рис. 30 – стал бы несвязанным, т. к. располагается слишком далеко от кварков протона, и кроме того, является неспаренным (о спаренных нуклонах – чуть позже). Если же оба нижних нейтрона займут «перевёрнутое вверх» положение, как было показано на рис. 29, то связь обоих нейтронов с протоном окажется одинакова, и они оба будут связанными. Поэтому образуется именно конфигурация со спином 2, показанная на рис. 29.

Таблица 1 ^[8]

Изотопы водорода

Примечания:

жирным отмечены стабильные изотопы

# – значения, предполагаемые из трендов

? – распад разрешён энергетически, но ещё не наблюдался экспериментально

( ) – неточный спин и / или чётность

Рис. 29

Рис. 30

Строение ядра следующего изотопа, водорода-5 – показано на рис. 31. Как видно, в этом ядре, часть нейтронов присоединены к нейтронам, а не непосредственно к протону. Объясняется это тем, что кварковая плотность непосредственно связанного с протоном, нейтрона – смещена к протону, и создаёт состояние нейрона с дефицитом кварковой плотности, при котором он является проводником для сил протона, стремящихся присоединить ещё один нейтрон. Т. о. в ядре атома, нейтрон (со смещённой кварковой плотностью) может связать нейтрон. Это объясняет не только существование ядер водорода-5 (а также -6 и -7), но и то, почему не наблюдается связанных состояний нейтронов вне ядра (там нет смещённой кварковой плотности, а значит, нейтрон к нейтрону уже не притягиваются).

Рис. 31

В ядре водорода-5 – можно выделить сердцевину (т. н. кор), представляющий собой ядро трития, и остальную часть этого ядра – два слабо связанных с сердцевиной, нейтрона (т. е. связанных косвенно, через нейтроны сердцевины, обладающие смещённой кварковой плотностью). Слабосвязанные (внешние) нейтроны, при этом, также связаны друг с другом, – спарены, образуя т. н. динейтрон (где спины нейтронов – взаимно противоположны, и каждый из нейтронов пары – несколько притягивает другой нейтрон, за счёт собственной смещённой кварковой плотности). Направления сил (= смещений кварковой плотности к протону) – показаны на рис. 32. (В реальности, смещается кварковая плотность также протона к нейтронам (из обоюдности притяжения протона и нейтрона), но для удобства, её можно не учитывать, кроме объяснения, например, ядра гелия-3, в котором один из протонов – связан с нейтроном косвенно).

Рис. 32. Водород-5, вид сбоку (схематично)

Ядро водорода-5 – имеет несколько большее время жизни, чем ядро водорода-4, см. табл. 1. Причина кроется в том, что все базовые положения для нейтронов (т. е. уровень минимальной энергии), в этом ядре – занят нейтронами кора (т. е. трития), и в эти положения – не могут перейти остальные (внешние) нейтроны (в отличие от ядра водорода-4). Кроме того, можно сказать, что конфигурация ядра водорода-5 несколько стабилизируется выгодой спаренных нейтронов.

Далее: Структуру следующего изотопа, водорода-6 – см. на рис. 33. В строении водорода-6, видна структура, т. н. тринейтрон, из-за которого это ядро имеет спин 2. Почему такая конфигурация ядра является выгодной, и реализуется вместо представленной на рис. 34? Дело в том, что даже при небольшом сдвиге тринейтрона (из-за квантовой неопределённости положения), в нижней половине ядра – образуется резкая асимметрия, т. е. дырка (разрывающая замыкание движения в ядре как целом + мешающая стремлению ядра к замкнутой геометрической фигуре), см. рис. 35. Сдвиг тринейтрона т. о. – оказывается запрещённым, в то время как на рис. 34, два динейтрона, имея одинаковую массу – могут отходить сочетанно (в резонансе друг с другом), и такая дырка не образуется (т. е. отход динейтронов – не запрещён, а значит, они могут отдаляться, согласно квантовой неопределённости, более далеко, и т. о. будут связаны слабее, что энергетически невыгодно). Поэтому реализуется конфигурация именно с тринейтроном (рис. 33), а её выгода – имеет квантовую природу.

Рис. 33

Рис. 34

Рис. 35

У этого механизма – есть и второй компонент: выделим в ядре водорода-6 – участок, соответствующий ядру дейтерия (образующему в этом ядре сердцевину (кор)). Нейтрон в этом ядре дейтерия (коре), находящемся в составе водорода-6 – тоже может, благодаря квантовой неопределённости координаты, отдаляться от протона. В случае наличия тринейтрона, отдаление данного нейтрона – подавлено, т. к. отдаляясь, он сдвигает тринейтрон, не сдвигая другой нижний нейтрон, а значит, образуется запрещённая дырка «внизу» ядра, см. рис. 36. Если бы вместо тринейтрона, было два динейтрона (рис. 34), отходящий нейтрон дейтерия – симметрично сдвигал бы их (а значит, оба нижних нейтрона), и дырка не образовывалась бы. В этом случае, все нейтроны в ядре оказались бы связаны с протоном слабее, что энергетически невыгодно. Поэтому опять же, реализуется конфигурация именно с тринейтроном (имеющая спин 2, = конфигурация на рис. 33).

Рис. 36

Последним изотопом водорода – является водород-7, в целом, аналогичный водороду-5, но имеющий 4 слабосвязанных, внешних нейтрона, в виде двух динейтронов, см. рис. 37. Как видно, в водороде-7 – заполнены все (наиболее выгодные) места для связи нейтронов. Отсутствие изотопов водорода-8 и -9 – легко объясняется тем, что притягивающая сила смещённой кварковой плотности, вызываемая одним протоном – оказывается слишком мала, чтобы связать ещё нейтроны (учитывая, что нейтроны далее могут быть присоединены, как видно из геометрии – уже не просто через другие нейтроны, но через слабосвязанные нейтроны, т. е. которые уже и сами слабо связаны).

Рис. 37

Итак, число изотопов водорода – объясняется их наглядным, геометрическим строением, которое выясняется лишь на постнеклассическом этапе.