Эдуард Серга
О ЯДЕРНОЙ МОДЕЛИ ПОЛИНГА И ЕЁ РАЗВИТИИ
О воображаемых знаниях и размышлениях на тему, почему ядерная физика топчется на месте, в то время как некоторые важные для её развития идеи и результаты проходят мимо мозгов специалистов.
О современном состоянии теории атомного ядра
Современная ядерная физика представляет собой конгломерат достоверных и воображаемых знаний.
Для систематизации опытных данных и предсказания новых свойств ядра прибегают к модельным представлениям. Модели ядра разрабатывались на основе первичных физических принципов, с использованием которых можно было объяснить наблюдаемые факты. Известные модели ядра создавалась в условиях большой неопределённости в части знаний о его строении и действующих силах. Это связано, в первую очередь, с неопределённостью данных о ядерных силах.Поэтому рассматривалась только структура простейших ядер.
Принято считать, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Общим недостатком существующих моделей ядра является то, что они не объясняют связь состава ядра с его свойствами. Возьмём, например, изотопы урана U-235 и U-238. Ядро изотопа U-238 имеет на 3 нейтрона больше, чем у изотопа U-235. В природном уране доля U-235 составляет всего 0.7 %, остальное приходится на изотоп U-238. Изотоп U-235 может делиться на осколочные ядра, а изотоп U-238 этим качеством не обладает. Как это различие в свойствах двух изотопов связано с количеством нейтронов в ядре, теория не даёт ответа.
Таким образом, объяснение причинно-следственной связи состава ядра с его наиболее важными свойствами остаётся одной из нерешённых фундаментальных проблем современной ядерной физики.
О методологическом подходе к созданию модели атомного ядра
Как показало время, методологический подход к построению модели ядра на основе первичных физических принципов оказался недостаточно эффективным. Об этом говорит множество теоретических моделей. Их общим недостатком является отсутствие достаточно определённой причинно-следственной связи состава ядра с его свойствами. К таким основным свойствам относятся: стабильность и распространённость в природе, радиоактивность, Теоретическая модель ядра должна объяснить механизмы деления и синтеза ядер, ядерную изомерию, связь между происходящими в ядре процессами с видами радиоактивных излучений.
В основе используемого автором методологического подхода лежит формальная логика. Теория (или её фрагмент) рассматривается как сложное высказывание, состоящее из простых высказываний, объединённых логическими связками. Это сложное высказывание считается истинным, если составляющие его простые высказывания являются истинными. Согласно правилам формальной логики, умозаключения должны строиться только на основе достоверных фактов, не допуская противоречий. Это правило, которое можно считать азбучной истиной, тем не менее, нередко не выполняется. Рассмотрим основные противоречия современных представлений о составе и строении ядра .
Противоречие № 1. Ядра состоят из протонов и нейтронов.
Это положение противоречит явлению вылета из некоторых ядер гелионов (ядер гелия, альфа-частиц). Если гелионы вылетают из ядер, значит они были в составе ядра до того, как покинули ядро. Гелион — это квантово-механическая система, а не простая совокупность из двух протонов и двух нейтронов.
Противоречие № 2. Гипотеза о ядерных силах.
Принято считать, что ядерные силы необходимы для компенсации сил кулоновского отталкивания. Однако эта гипотеза не объясняет состав дейтрона, как простейшего составного ядра.. Если дейтрон состоит из протона и нейтрона, то в нём нет силы кулоновского отталкивания. Следовательно нет необходимости и в ядерной силе, которая должна его компенсировать. Вместе с тем, нет ядра, состоящего из двух протонов, в котором ядерная сила была бы необходима. Таким образом, есть ядро, которого не должно быть, и нет ядра, которое согласно теории должно быть.
Противоречие № 3. Нейтрон и протон — это одна элементарная частица в состояниях, отличающихся зарядом.
Как известно, нейтрон в свободном состоянии распадается на протон и электрон. Поэтому его по определению нельзя считать элементарной частицей. Протон в свободном состоянии стабилен. Поэтому положение о том, что нейтрон и протон это одна элементарная частица, а также предполагаемое превращение протона в нейтрон и позитрон в составе ядра, можно рассматривать только как изобретения теоретиков, а не достоверные знания.
Внутриядерный синтез
В качестве основополагающей идеи автор использовал идею внутриядерного синтеза, который происходит в ядре при попадании в него нейтронов. Покажем это на примере получения трансурановых элементов. Как известно, элементы с номерами 93-98 были получены в результате облучения мишени из урана U-238 потоком нейтронов. При этом наблюдались основные виды радиоактивных излучений, включая вылет электронов и гелионов. Кроме того, наблюдалось деление образовавшегося ядра.
Несомненно, что эти излучения связаны с происходящими процессами превращения поступающих в ядро нейтронов в другие ядерные частицы, в конечном счёте в гелионы. Полагаем, что превращение нейтронов в гелионы происходит поэтапно, а именно:
- образование дейтрона: 2n→d+e;
- образование тритона: d+n→t;
- образование гелиона: d+t→α+n.
Образование дейтрона сопровождается вылетом электрона (β-распад). Образование тритона и гелиона сопровождается характерным γ-излучением. При этом может происходить накопление тритонов и гелионов в ядре до определённого предела.
Таким образом, концепция внутриядерного синтеза позволяет объяснить основные виды радиоактивности ядер.
α-излучение. Гелионы не превращаются в какие-либо другие частицы и поэтому после того как их количество достигнет определённого предела, лишний гелион может покинуть ядро.
β-излучение. Кроме распада нейтрона на протон и электрон (n→р+е) вылет электронов можно объяснить как результат образования дейтрона из двух нейтронов 2n→d+e.
γ-излучение. Вылет γ-квантов обусловлен изменением энергии поля в результате перегруппировки нуклонов в результате внутриядерного синтеза. При этом избыточная энергия выделяется в форме γ-излучения.
Таковы были общие соображения, на основе которых автор пришёл к выводу о том, что ядра состоят не из протонов и нейтронов, как принято считать, а из частиц, которые образуются из нейтронов в процессе внутриядерного синтеза.
Если учесть, что нейтрон состоит из протона и электрона, а другие ядерные частицы получаются из нейтронов, то концепция внутриядерного синтеза возвращает нас к протонно-электронной модели атомного ядра. Эта модель была принята физиками после открытия ядра Резерфордом в 1911 году. Но потом от неё отказались в связи с трудностями, возникшими после открытия нейтрона и определения его спина, когда физикам не удалось объяснить целочисленный спин ядра азота («азотная катастрофа»). С учётом изложенного можно утверждать, что ядра действительно состоят из протонов и электронов, но сгруппированных я ядерные частицы, которыми являются: гелион, тритон, дейтрон и нейтрон.
Ядерная модель Полинга и её развитие
Указанные представления автора о строении атомного ядра противоречили общепринятым существующим представлениям. В различных наших энциклопедических изданиях и учебных пособиях утверждалось, что ядра состоят из протонов и нейтронов. Среди множества теоретических моделей ядра автор не встретил модели, в которой излагалось иное представление о составе ядра. Но мне сопутствовала удача, попала в руки книга «Общая химия» американского химика и физика Л. Полинга (Pauling Linus, 1901-1994). В ней была обоснована концепция группирования нуклонов в кластеры, а именно: гелион, тритон, дейтрон. То есть, те самые частицы, которые получаются из нейтронов в результате внутриядерного синтеза. Полинг дал своей модели название гелион-тритонной (или альфа-частичной). Согласно этой модели ядра состоят в основном из гелионов и тритонов. Модель Полинга содержит важную информацию о строении ядер, которая в последующем была использована автором при создании новой модели ядра, получившей название гелион-водородной.
Непонятно, почему модель Полинга не указывается среди множества моделей, приведенных в различных справочных материалах по теории ядра, так как она более точно отражает физическую реальность, чем другие известные модели. Это тем более непонятно потому, что Полинг учёный с мировым именем, Лауреат Нобелевской премии по химии (1954). Он впервые опубликовал статьи о новом подходе к обоснованию строения ядра в 1965 г. в известных американских научных журналах. Полинг продолжал публиковать материалы по своей модели вплоть до своей кончины в 1994 г.
Мною были получены простые формулы, по которым можно определить состав ядра, в котором нуклоны сгруппированы в указанные Полингом кластеры. Так, если ядра состоят из гелионов и тритонов, то их состав можно определить по следующим простым формулам:
- количество тритонов: Nt = A– 2Z;
- количество гелионов: Nα = 1/2 (3Z– A). (1)
где A—общее количество нуклонов (массовое число), Z — заряд ядра (число протонов).
Определим с использованием формул (1) состав ядер изотопов урана U-235 и U-238.
Эти ядра имеют в составе 92 протона, ядро U-238 содержит на 3 нейтрона больше, чем ядро U-235. Тогда поучим:
- для ядра U-235: Nt = 51, Nα = 20.5;
- для ядра U-238: Nt = 52, Nα = 20, Nn = 2.
Итак, имеем составы: U-235↔20α +51t+d (0.5α↔d), U-238↔20α +52t+2n.
Здесь символ «↔» означает тождественность. У ядра U-238 на 3 нейтрона больше, чем у ядра U-235. Один нейтрон поглощается дейтроном и происходит образование тритона d+n→t, два нейтрона входят в состав ядра как отдельные частицы.
Как показал выполненный автором анализ, ядра большинства распространённых изотопов химических элементов имеют состав, определяемый формулами (1), но во многих ядрах может быть также до двух отдельных нейтронов. Тогда для определения состава ядер изотопов элементов можно использовать формулы:
количество тритонов: Nt = A-2Z – Nn; ( Nn<3)
количество гелионов: Nα = 1/2 (3Z – A – Nn). (2)
количество дейтронов: Nd = 0, если Nα - целое, Nd = 1, если Nα -дробное число.
С использованием формул (2) автором были определены составы ядер наиболее распространённых изотопов химических элементов, приведенных в таблице Менделеева. Они приведены в книге «Ядерная химия» (2018).
О механизме деления ядер U-235 и Pu-239
Теперь покажем, почему указанные изотопы изотопы урана U-235 и U-238 отличаются своими свойствами. В состав изотопа U-235 входит дейтрон. Реакция слияния дейтрона с тритонов в ядре U-235 (d+t→α+n) более вероятна, чем реакция слияния двух тритонов (2t→α+2n).в ядре U-238. Ядро имеет остов, состоящий из гелионов, и оболочку, состоящую из тритонов (в оболочке ядра U-235 находится также один дейтрон). При попадании в ядро нейтрона оно приходит в возбуждённое состояние, происходит столкновение дейтрона с одним из ближайших тритонов, что сопровождается образованием гелиона и нейтрона. При этом из оболочки ядра исчезают две частицы, а одна частица (гелион) переходит в остов. Вследствие этого происходит нарушение динамического равновесия действующих сил в ядре, и оно делится на осколки.
Теперь определим состав ядра изотопа плутония Pu-239, который образуется в ядерном реакторе в результате реакции: U-238+n→Pu-239+2е. С использованием формул (1) получаем:
Pu-239↔21α+51t+d.
Оболочка ядра изотопа Pu-239 имеет такой же состав, что и у ядра изотопа U-235, т..е. имеет в составе дейтрон. Это предопределяет способность ядра Pu-239 делиться на осколки подобно ядру U-235. Рассмотрим в рамках излагаемой теории внутриядерного синтеза превращение ядра U-238 в ядро Pu-239.
U-238+n ↔ 20α +52t+2n+n→ (20α +52t+d+n)+е↑ (реакция 2n→d+е↑).
Здесь символ «↑» означает вылет частицы из ядра. При попадании в ядро U-238 нейтрона образуется избыточное количество нейтронов (более двух), кроме того ядро переходит в возбуждённое состояние , при котором возможна реакция превращения двух нейтронов в дейтрон. Далее происходит реакция слияния дейтрона и тритона d+t→α+n:
(20α +52t+d+n)→21α +51t+2n.
Далее повторяется реакция 2n→d+е↑:
21α +51t+2n→(21α +51t+d)+е↑.
Итак, превращение ядра U-238 в ядро Pu-239 происходит в результате последовательности реакций: (2n→d+е↑)+( d+t→α+n)+(2n→d+е↑).
Приложения гелион-водородной модели ядра
Уравнения (2) являются основными уравнениями, определяющими состав ядер большинства распpостранённых изотопов химических элементов. Кроме частиц, указанных в уравнениях (2) в составе ядер некоторых изотопов могут быть: гелионы с массовым числом А=3 (гелион-3, α-3) и отдельные протоны. Таким образом, согласно предлагаемой модели, получившей название гелион-водородной, ядра атомов состоят из ядерных частиц. Это ядра изотопов гелия и водорода, а также отдельные нейтроны. Всего 6 ядерных частиц: гелион, гелион-3, протон, дейтрон, тритон, нейтрон. Составными частями предлагаемой модели являются: гелион-тритонная модель Полинга, теория внутриядерного синтеза, новая теория нейтрона, новая теория дейтрона.
Основным отличием предлагаемой модели от известных моделей является вполне определённая связь между составом ядра и его свойствами. С её использованием автором была разработана новая теория изотопов. С её использованием было дано объяснение: ядерной изомерии, состава изотопов элементов в таблице Менделеева, устойчивости ядер с магическими числами, радиоактивности осколочных ядер. Автором была рассмотрена возможность получения новых далёких трансурановых элементов, которые, согласно предположениям теоретиков, должны обладать относительной стабильностью. Доказано, что это невозможно. Так называемый «остров стабильности», где могут находиться ядра долгоживущих далёких трансурановых элементов, не существует.
Первые результаты исследований автора в части новой теории строения ядра были опубликованы в 2006 г. в книге «Строение материи. Основы единой теории вакуума и вещества», последние — в декабре 2018 г. в книге «Ядерная химия». Интересующихся данной темой приглашаю на свою страницу «Физика без камней в голове» в сервисе «Цифровая витрина» (выпуск 6 «Гелион-водородная модель ядра» и электронная версия книги «Ядерная химия».
О ФИЗИКЕ И ФИЛОСОФИИ
Гравитация и антигравитация
«Истинная теория материи должна отвести отталкиванию такое же важное место, как и притяжению, и что теория материи, основывающаяся только на притяжении, ложна, недостаточна, половинчата».
Энгельс. Диалектика природы. 1881.
В научной литературе под антигравитацией часто понимают силу, которая компенсирует силу гравитации. Здесь под антигравитацией понимается только гравитационное отталкивание. В настоящее время большинство специалистов считает, что антигравитация в природе не существует. В Википедии утверждается: «Теоретически, антигравитация запрещена как принципом эквивалентности сил гравитации и инерции, так и общей теорией относительности из-за отсутствия необходимой для создания отрицательной массы отрицательной кривизны пространства». Однако с философской точки зрения отрицание антигравитации как возможной физической реальности является неправомерным.
Обратимся к главному труду Ньютона «Математические начала натуральной философии», в котором были сформулированы законы механики и закон всемирного тяготения. И в настоящее время теория Ньютона используется в инженерных расчётах движения небесных тел. Однако вне поля зрения теоретиков остались некоторые особенности гравитационного взаимодействия, которые следуют из теории Ньютона. Речь идёт о симметрии гравитационных взаимодействий и применимости теории Ньютона в масштабах микромира. Из формулы Ньютона не следует ограничений на величину силы гравитации и знак гравитационной массы. Эмпирический факт равенства по величине инертной и гравитационной масс не означает их полной тождественности.
Проблема гравитационной симметрии давно привлекала внимание учёных. Ещё в XIX веке было показано, что мир, в котором гравитационные силы являются только силами тяготения, не может быть устойчивым и, следовательно, существовать во времени (Neumann, Seeliger, Föppl, Pearson) . Существование отрицательных гравитационных масс серьёзно рассматривалось как решение трудностей, когда ньютоновский закон тяготения был применён к Вселенной в целом. Возможность существования отрицательных гравитационных масс допускал Шрёдингер.
Современная физика отрицает антигравитацию как возможную физическую реальность. Как отмечалось, антигравитация противоречит принципу эквивалентности инертной и гравитационной масс в ОТО. Однако этот принцип не помешал Эйнштейну ввести в обобщённые полевые уравнения ОТО так называемый космологический член. Введение этого члена на классическом языке означает наличие сил отталкивания, действующих помимо сил тяготения. Есть и другие возражения против антигравитации, которые при их критическом анализе представляются недостаточно убедительными. По-видимому, наиболее убедительным аргументом разрешить спор между сторонниками и противниками гипотезы о существовании гравитационной симметрии может стать практический эксперимент, идея которого будет представлена позже. Если быть последовательным, то проблему антигравитации следует рассматривать как проблему симметрии гравитационных взаимодействий.
В общих чертах вектор усилий учёного, который сосредоточился на решении научной проблемы, определяется его мировоззрением и применяемым методом. Мировоззренческая позиция автора состоит в убеждённости, что природа устроена разумно, просто, в высшей степени рационально. В её законах нет ничего лишнего и случайных совпадений. Отсюда следует, что научные теории, описывающие законы природы также должны быть достаточно разумны, просты в своей основе и доступны для понимания образованным людям.
Базовым исследовательским методом автора является формальная логика, согласно которой умозаключения должны выводиться только из фактов, не допуская противоречий. Формальную логику можно рассматривать как развитие философского подхода к построению новых и критического анализа существующих теорий. При этом логические построения должны предшествовать применению математики для описания изучаемого объекта или явления. Кроме того, в качестве ключевого методологического подхода автор использует сформулированный им принцип соответствия физического объекта и его математической модели. В теоретической физике существует иное смысловое содержание понятия «принцип соответствия». В целях исследований, проводимых автором, под принципом соответствия понимается именно взаимно однозначное соответствие между физическим объектом и его математической моделью. Это означает, что физическому объекту должны быть присущи все свойства, предсказываемые моделью, в том числе ранее не наблюдаемые и неизвестные. В таких координатах отрицание гравитационной симметрии является нарушением принципа соответствия.
Универсальный закон взаимодействий
Математическая тождественность законов взаимодействия электрических зарядов и гравитационных масс (законы Кулона и Ньютона) позволяет описать их одной общей формулой, выражающей универсальный закон взаимодействий
Сила = константа связи х (произведение зарядов)/(расстояние)^2 .
Гравитационную массу можно рассматривать как заряд, который может быть положительным или отрицательным, подобно электрическому заряду. При этом инертная масса может быть только положительной Это следует из второго закона механики Ньютона. Отличие в применимости универсального закона к электрическим зарядам и гравитационным массам только в величине и знаке константы связи. При этом силы взаимодействия зарядов и масс могут быть положительными и отрицательными, достигать сколь угодно большой величины, если расстояние между зарядами (массами) стремится к нулю. Ограничение на величину силы взаимодействия на малых расстояниях может определяться только условиями квантования.
Понятие связанной пары
Рассмотрим простейшие системы, которые можно образовать из двух элементарных частиц, включая подобные им античастицы. Это пары из двух одинаковых частиц (античастиц) или пары из частицы и подобной ей античастицы. Каждая из частиц имеет электрический заряд и гравитационную массу. Они образуют, соответственно, электрическое и гравитационное поля, которые неотделимы. При этом в силу разницы знаков констант связи, силы, образуемые электрическими зарядами и гравитационными массами, всегда направлены в противоположные стороны. Тогда из условия равенства сил притяжения и отталкивания можно определить соотношение расстояний между электрическими и гравитационными полюсами взаимодействующих частиц. Под полюсами понимаем точки, в которых приложены равнодействующие сил притяжения и отталкивания. Если в качестве минимально допустимой величины расстояния между электрическими полюсами взять комптоновскую длину волны, то можно определить её гравитационный аналог. Его величина равна 1.2ˑ10^-33 м.
Пары из двух одинаковых частиц — это заряженные пары, а именно, для обычного вещества спаренные электроны и спаренные протоны. Возможность существования заряженных пар подтверждается опытом. Так, в теории сверхпроводимости известны спаренные электроны (куперовские пары). Возможность существования спаренных протонов полагаем по аналогии со спаренными электронами.
Пары из частицы и подобной ей античастицы — это вакуумные пары, а именно, пары «электрон-позитрон» и «протон-антипротон». Они имеют нулевые значения электрического заряда и гравитационной массы, но не равную нулю инертную массу.
Связанные пары имеют целочисленный спин, что объясняет явление сверхтекучести системы, состоящей из таких частиц. Для заряженных пар сверхтекучесть проявляется в форме сверхпроводимости, а для вакуумных пар в отсутствии сопротивления среды при движении тел и частиц с постоянной скоростью.
В заряженных парах силы гравитации являются силами притяжения, а кулоновские силы — силами отталкивания. В вакуумных парах силы гравитации являются силами отталкивания, а кулоновские силы — силами притяжения. Вакуумные пары устойчивы, а заряженные пары могут существовать только при наличии внешнего электромагнитного поля.
Об экспериментальной проверке существования феномена антигравитации
Частицы и античастицы рождаются только парами. Поэтому антиматерия должна быть распространена во Вселенной так же, как и обычная материя. Поскольку атомы и молекулы в основном состоянии имеют нулевой электрический заряд, то естественным механизмом разделения вещества и антивещества во Вселенной может быть антигравитация. Поскольку при наблюдении объектов во Вселенной мы имеем дело с фотонами, то для экспериментального обнаружения феномена антигравитации необходимо определить, чем отличаются фотоны, исходящие от тел с полярными гравитационными массами.
Идея эксперимента состоит в следующем исходном утверждении. Фотоны, исходящие от тел с полярными гравитационными массами, также должны обладать полярными гравитационными массами. Необходимые измерения можно осуществить двумя методами: 1) измерение отклонений фотонов, исходящих от объектов, обладающих признаками отрицательной гравитационной массы; 2) измерение отклонений фотонов, образуемых при столкновении частиц и античастиц (так называемых аннигиляционных фотонов).
Источники
1. Серга Э.В. Парадоксы в физике. Книга 1..Гравитация и антигравитация. Изд. «Lambert Ac. Publ.». 2015.
2. Серга Э.В. Физический вакуум как форма материи: новый взгляд на структуру и свойства // Исследования космоса. 2017. № 2.
3. Сервис «Цифровая витрина». Серга Э.В. Физика без камней в голове (электронная версия книги).
Свежие комментарии