Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Стержневая идея строения вещества
Где же искать и в чем должна состоять объединяющая физическая идея? Она, как ни странно, уже многие годы находится, что называется, “на виду”! По меткому выражению Р.Фейнмана так случается, когда к известному факту или физическому явлению так привыкают, что перестают его замечать. Речь идет о волнах и частотах, используемых при описании микромира! Действительно, квантово-механические волновые функции, характеризующие состояния частиц, содержат “циклические временные множители”, а переходы между различными состояниями сопровождаются возникновением реальных колебаний и волн в виде излучения. Это и есть та ниточка, потянув за которую, можно терпеливо, шаг за шагом, распутать весь клубок противоречий и мистики. И мы увидим, что на самом деле этих противоречий нет, а вся картина микромира по-настоящему гармонична! Итак, первым самым естественным предположением, которое следует из повсеместного использования частот и волн при описании микромира, является наличие в нем реальных колебательных процессов. Наиболее наглядным и информативным примером взаимодействия различных колебательных процессов в микромире является рождение электрон-позитронной пары из кванта электромагнитной энергии. Теоретики по этому поводу чаще всего почему-то приводят довольно фантастическое рассуждение. Оказывается, электромагнитный квант выбивает электрон из “моря Дирака” (в котором уже “плавает” все что угодно!). А в этом “море” соответственно остается “дырка” в виде позитрона. На самом деле, более естественно для физика было бы предположить, что квант в виде “пакета” электромагнитных волн может инициировать образование одиночных волн – солитонов [6, 7], что и означает рождение частиц (рис. 1).
Рис. 1. Схема образования электрон-позитронной пары.
Таким образом, один волновой процесс порождает другой волновой процесс! Разве это не логичнее, чем сомнительные мистические фантазии? Образование из электромагнитного кванта двух вращающихся солитонов с противоположными направлениями полей в их структурах полностью объясняет свойства электрона и его античастицы - позитрона (рис. 2). Рис. 2. Электрон (слева) и позитрон (справа) - вращающиеся одиночные волны (солитоны).
Поток энергии [ EXH ] электромагнитного поля в виде тонкого вращающегося слоя создает спин - механический момент вращения электрона (s). Это реальная и вполне ощутимая величина! Она была давно обнаружена экспериментально в известном опыте Эйнштейна и де Хааза [3]. Видно также, что магнитные моменты (Р) электрона и позитрона имеют противоположные направления, совпадающие с направлениями магнитных полей в структурах частиц. Внешнее электрическое поле, образующее заряд электрона (и позитрона), уравновешивает внутреннее электрическое поле вращающегося электромагнитного поля одиночной волны. Более подробное описание электромагнитного солитона и его структуры приведено в [7, 8], и мы не будем здесь повторяться. Отметим лишь, что отношение толщины вращающегося слоя поля к диаметру вращения имеет порядок величины постоянной тонкой структуры (α≈1/137). Поэтому внешнее поле (уравновешивающее внутреннее поле) мало в сравнении с внутренним полем, составляющем почти всю массу - энергию частиц W. Резонансный характер образования электрон-позитронной пары означает, что частота вращения солитонов должна равняться частоте исходного кванта ν. Следовательно, частота электрона соответствует его удвоенной массе (1) Здесь h =2 π ћ – постоянная Планка, с – скорость света, d =2 ro – диаметр вращения, m – масса электрона (позитрона). Отсюда же следует вывод, имеющий общий характер: чем больше масса элементарной частицы, тем меньше ее размеры. (2) Соответственно спин s (механический момент вращения) самой элементарной частицы – солитона, является константой: (3) Магнитный момент солитона вычисляется [7] исходя из того, что энергии электрического и магнитного полей в структуре солитона равны друг другу, а в сумме равны mc 2. С учетом (2) он пропорционален радиусу частицы: (4) Здесь e – заряд электрона. С другой стороны, масса и полная энергия частицы (1) обратно пропорциональны ее радиусу (~1/ r о). Следовательно, плотности энергии электрического и магнитного полей в объеме частицы (объем ~ r о 3) обратно пропорциональны четвертой степени радиуса. Но так как плотность энергии, в свою очередь, пропорциональна квадрату амплитуды поля, то это означает, что амплитуды внутренних и внешних полей частицы обратно пропорциональны квадрату ее радиуса.
Поэтому заряд электрона - это универсальная константа, как следствие пропорциональности заряда произведению внешнего электрического поля (~1/ r о 2) на площадь внешней поверхности структуры частицы (~ r о 2). Итак, сведем воедино характеристики электрона, этой “истинно элементарной” частицы – вращающегося электромагнитного солитона. Частота (вращения) электрона: 2,47∙1020 Гц. Диаметр электрона: 3,86∙10-13 м. Толщина вращающегося слоя внутреннего поля электрона: 2,82∙10-15 м. Механический момент вращения (спин): 6,62∙10-34 Дж∙с. Магнитный момент: 9,28∙10-24 Дж/Тл. Электрический заряд: 1,60∙10-19 К. Масса (энергия): 9,1∙10-31 кг (0,511 МэВ). Важно, что все эти величины закономерно взаимосвязаны и обусловлены структурой электрона, а не просто “постулируются” и неизвестно откуда берутся в качестве “квантовых” характеристик “точечного” электрона. Принципиальное значение имеет то, что внешнее поле электрона, помимо средних составляющих (образующих заряд и магнитный момент), содержит и переменные составляющие, представляющие его как колебательную систему. Естественным образом нам открывается и физическая сущность происхождения постоянной тонкой структуры – этой “таинственной” константы микромира. Оказалось, что она является характеристикой структуры вращающейся волны (солитона) – отношением толщины слоя вращающегося поля к диаметру вращения. Этим обусловлена очень малая величина отношения энергии внешних полей к полной энергии, выражаемой через массу частицы. Но самым поразительным оказывается отсутствие всякой мистики в понятии “античастица”. Это просто частица с противоположным направлением полей в ее структуре. Далее мы увидим, что “античастиц” (не в полном смысле) множество даже в составе “обычного” вещества.
Строение атомного ядра Мы убедились, насколько закономерно и гармонично взаимосвязана вся совокупность характеристик электрона, если рассматривать его как вращающийся солитон. С другой стороны, параметры и свойства солитонов полностью согласуются с важнейшим свойством фотона - пропорциональностью энергии частоте. Теперь нам предстоит убедиться в том, что не менее гармоничным и закономерным является строение атомных ядер. Начнем разбираться по порядку и “потянем за ту же ниточку”. Известно, что протоны и нейтроны, образуя ядра атомов, сами являются составными частицами. Предполагается, что каждый из них состоит из трех “кварков” [5]. Однако эти кварки не одинаковые, а имеют две разновидности – u, d. Протон содержит в своем составе два кварка u и один d. А нейтрон, наоборот – два кварка d и один u. Но так как массы протона и нейтрона очень мало отличаются друг от друга, то логично предположить, что и массы этих двух разновидностей кварков также мало отличаются друг от друга. Тогда, согласно (2), радиус каждого из трех кварков должен иметь порядок величины, соответствующий одной трети массы нуклона (mk ≈ mn /3): (5) Следовательно, размер нуклона (из 3 кварков) имеет порядок ~10-15 м, что соответствует экспериментальным данным, полученным по среднеквадратичному распределению заряда и магнитного момента [9] ~0,8∙10-15 м.
Известна также эмпирическая формула для расчета радиуса ядра в зависимости от числа входящих в него нуклонов А [10]: (6) Эта формула также подтверждает правильность оценки (5), но, кроме того, недвусмысленно указывает на то, что не только кварки в нуклонах “упакованы бок обок”, но и сами нуклоны располагаются в ядре атома вплотную друг к другу! Это очень важно для понимания строения ядер. Остановимся подробнее на свойствах составных частиц – протонов и нейтронов. Это объединение кварков (в тройки) происходило в далекие времена “горячей Вселенной” - значительно раньше того периода, когда уже сами протоны и нейтроны начали объединяться в ядра атомов. Близкое расположение кварков друг к другу в составе нуклонов привело к их сильному взаимному влиянию. Именно тогда в “горячей Вселенной” возникла удивительная асимметрия строения вещества. Находящиеся вплотную друг к другу солитоны интенсивно взаимодействуют подобно сильно связанным колебательным системам. Поэтому, помимо основных одиночных волн, в структурах кварков имеются дополнительные “наведенные” волны относительно малых амплитуд. Вполне предсказуемо и то, что дополнительные малые волны (подобие гипотетических “глюонов”) изменяют и массу, и заряд, и магнитный момент “троек” основных солитонов, входящих в состав нуклонов. Действительно, основные солитоны в составе нуклонов (рис. 3) располагаются таким образом, чтобы их взаимная энергия была минимальной (положительные и отрицательные кварки с противоположными направлениями магнитных моментов чередуются). Поэтому суммарный заряд и магнитный момент протона должны были бы быть равны некомпенсированному заряду и магнитному моменту одного положительного солитона (q =+ e, P =3μяд). Соответственно нейтрон должен был бы иметь заряд и магнитный момент одного “некомпенсированного” отрицательного солитона (q =- e, P =-3μяд). Рис. 3. По составу основных солитонов протон (слева) и нейтрон (справа) – античастицы. Заметим, что подобно магнетону Бора (4) магнитные моменты нуклонов нужно было бы измерять не в “ядерных магнетонах”, а в “магнетонах кварка”, так как кварк почти в 3 раза легче нуклона и поэтому его магнитный момент в 3 раза больше ядерного магнетона μяд= e ћ/2 mp. Здесь mp - масса протона. Малые волны в составе нуклонов в меньшей степени сказались на параметрах протона (q =+ e, P =2,793μяд) и в большей – на параметрах нейтрона (q =0, P =-1,913μяд). Оказалось, что совокупность малых “наведенных” волн в составе протона в целом имеет нулевой заряд и влияет только на массу и магнитный момент. В то же время, совокупность малых волн в составе нейтрона компенсировала отрицательный суммарный заряд основных солитонов и уменьшила почти на единицу отрицательную величину магнитного момента.
Но это не означает, что амплитуды или количество малых волн в протоне меньше, чем в нейтроне. Совокупности малых волн и в протоне, и в нейтроне являются результатом установления равновесия. В “колебательных системах” элементарных частиц отсутствуют потери, а поэтому амплитуды полей в их структурах определяются только условиями равновесного обмена энергией с окружающим миром. Вследствие этого совокупности малых волн в составе нуклоноввыступают как полноценная дополнительная “единица”. Таким образом, странное название “кварк” обозначает обычную одиночную волну (подобную электрону или позитрону), но вынужденную вращаться в “компании” меньших по амплитуде, но таких же по природе волн. В этом заключается секрет “изотопического спина” нуклонов! Протон и нейтрон имеют разные конфигурации “комплектов” малых волн. Подробнее влияние малых волн в составе нуклонов на характеристики протонов и нейтронов рассмотрено в [7]. Для нас же с точки зрения частотного подхода к анализу свойств вещества здесь важно отметить, что наложение полей малых волн на волны основных солитонов существенным образом сказалось на энергии - массах нуклонов. Поэтому магнитные моменты в среднем на 6% оказались меньше соответствующих целочисленных значений в μяд (2,793 вместо 3 – для протона и 1,913 вместо 2 – для нейтрона). То есть, произошло увеличение эффективной массы и соответствующее уменьшение радиусов кварков (4), (5). Эффективная масса кварков составляет около 332 МэВ, что превышает на упомянутые 6% одну треть “реальной” массы нуклонов (около 313 МэВ). Исходя из усредненной эффективной массы кварков mke ≈332 МэВ, мы можем, аналогично (1), определить ориентировочное значение “наиболее мощной” частоты колебаний в микромире, создаваемой нуклонами, – Главную частоту Вселенной (ГЧВ): (7) ГЧВ является наиважнейшей характеристикой Природы. Это результат глобального процесса установления всеобщего равновесия. Неисчислимое количество народившихся солитонов “молодой” Вселенной с течением времени пришли к равновесному состоянию – равновесной частоте, определяющей существующую ныне картину микро- и макромира, - 1,60∙1023 Гц. С другой стороны, “дефицит массы” протонов и нейтронов (в сравнении с эффективной массой) составляет огромную величину порядка 56-58 МэВ. Это и есть энергия “сильного” взаимодействия кварков внутри нуклонов. Она в несколько раз превышает удельную энергию связи нуклонов между собой в составе ядер, которая даже в самых прочных ядрах составляет относительно небольшую величину порядка 8 МэВ [9].
Это соотношение определило последовательность формирования вещества в процессе развития Вселенной. Сначала “с помощью” малых волн из солитонов сформировались протоны и нейтроны, что сопровождалось огромным выбросом энергии, и только после этого этапа стало возможным образование ядер из нуклонов со значительно меньшим объемом выделявшейся энергии. В нуклонах между кварками действует сильное взаимодействие за счет дополнительных малых волн (наподобие гипотетических “глюонов”). Это выражается в огромном дефиците массы нуклонов порядка 56-58 МэВ. В то же время удельная энергия связи, приходящаяся на один нуклон в составе ядер (порядка 8 МэВ) говорит об электромагнитном характере взаимодействия между нуклонами. Чтобы не быть голословными, определим порядок величины энергии электростатического взаимодействия двух одинаковых “стандартных” солитонов, располагающихся вплотную друг к другу (то есть, расстояние между их центрами полагается равным диаметру солитонов (2)). (8) Таким образом, в общем случае энергия электромагнитноговзаимодействия солитонов, находящихся вплотную друг к другу, имеет порядок величины произведения постоянной тонкой структуры и энергии массы покоя взаимодействующих частиц. То есть, для нуклонов в составе ядер это будет величина как раз порядка 8 МэВ. Электромагнитный характер взаимодействия нуклонов в составе ядер дает ответ и на вопрос о причинах более высокой прочности ядер с четным количеством нуклонов (и равным так называемым “магическим” числам). В составе ядер существуют своеобразные кластеры – подгруппы нуклонов в виде структурных элементов, обладающих повышенной прочностью. Учитывая чередование положительных и отрицательных кварков, как в составе нуклонов, так и в составе ядер, структура “ядерного вещества” напоминает ионный кристалл. Этой особенностью строения определяется быстрое уменьшение “ядерных” сил с расстоянием (при делении ядер на части). Конфигурации ядер атомов весьма многообразны и интересны. Но эта тема должна быть предметом отдельного исследования (в том числе, вопрос о соотношении количества протонов и количества нейтронов в ядрах атомов). Важно только иметь в виду, что по мере увеличения размеров этого подобия кристалла, решающим фактором становится накопление некомпенсированного положительного заряда протонов, что увеличивает расталкивающие силы и делает большие ядра менее прочными.
|
|||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2021-07-19; просмотров: 98; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.216.115.44 (0.033 с.) |