Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Научные статьи / Физика микромира
Начало сайта / Научные статьи / Физика микромира

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Архимед

Загадки простой воды

Квантовый мир

Парадоксы науки

Приключения великих уравнений

Физики продолжают шутить

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Некоторые проблемы физики элементарных частиц и постулат Гильберта

Борис Васильев

Рецензия:

Статья опубликована в журнале Journal of Modern Physics (Vol. 7, No. 14) 19.10.2016.


Уильям Гильберт сформулировал примерно 400 лет назад постулат, который можно считать главным постулатом естественных наук [1]. Несмотря на то, что в наше время невозможно найти исследователя, который был бы не согласен с эти утверждением, целый ряд современных физических теорий не удовлетворяют этому принципу [2].

В физике микромира существует несколько общепринятых моделей, которые также не удовлетворяют постулату Гильберта. Эти модели не дают возможности вычислить основные характерные параметры, такие как массы и магнитные моменты элементарных частиц. В данной статье рассмотрен альтернативный подход к решению этой проблемы.

Рассмотрен новый подход к проблеме природы ядерных сил. Показано, что притяжение в паре протон – нейтрон может возникать за счёт обмена релятивистским электроном. Оценка энергии такого обмена согласуется с экспериментальным значением энергии связи некоторых лёгких ядер. Нейтрон при этом рассматривается как составная частица, состоящая из протона и релятивистского электрона, что позволяет предсказать его массу, магнитный момент и энергию его распада.

В рамках стандартной максвелловской теории электромагнитного поля показано, что имеется возможность возбудить в пустом пространстве (эфире) магнитный γ-квант (всплеск магнитного поля), лишённый электрической составляющей и обладающий спином ħ / 2. Характерной особенностью такого магнитного γ-кванта является слабость его взаимодействия с веществом, которое на много порядков меньше, чем у электромагнитной волны. Эти его свойства позволяют предполагать, что магнитный γ-квант можно отождествить с нейтрино. На этом основании удаётся по-новому взглянуть на природу π-мезона, μ-мезона и λ-гиперона, вычислив их массы и магнитный момент.

Содержание

1. Главный постулат естественных наук.

1.1. Постулат Гильберта и современная физика.

2. Протон и нейтрон.

2.1. Протон и нейтрон в кварковой модели Гелл-Манна.

2.2. Модель протона, состоящего из кварков с целочисленным зарядом.

2.3. Физические свойства нейтрона.

2.4. Структура нейтрона.

2.4.1. Электромагнитная модель нейтрона.

2.4.2. Основные параметры нейтрона.

2.5. Обсуждение.

3. О природе ядерных сил.

3.1. Молекулярный ион водорода.

3.2. Дейтрон.

3.3. Лёгкие ядра.

3.3.1. Ядро 32He.

3.3.2. Ядро 42He.

3.3.3. Ядро 63Li.

3.4. Обсуждение.

4. Нейтрино и мезоны.

4.1. Нейтрино.

4.2. Мезоны.

4.3. Возбуждённое состояние с S = 0.

4.4. Возбуждённое состояние с n = 2 и S = ħ / 2.

5. Заключение.

1. Главный постулат естественных наук

Нашим современникам, уровень образования которых соответствует развитию наук в XXI веке, может показаться, что средневековая наука была сосредоточена в теологии, астрологии и алхимии. Но это совершенно не так. Средневековье было временем разработки основ современной науки.

Средневековый учёный Уильям Гильберт (1544...1603) ввёл в научный обиход понятия электрического и магнитного полей, сделав первый шаг к пониманию природы электромагнетизма. Он первым попытался объяснить природу магнитного поля Земли. Но при этом кажется, что самым важным его вкладом в науку является разработанный им принцип, ставший главным принципом современных естественно-научных исследований* [1].

* Можно предполагать, что идея этого принципа, как говорится, витала в воздухе среди образованных людей того времени. Но нашёл свою формулировку, дошедшую до нас, этот принцип благодаря У. Гильберту.

Принцип Гильберта формулируется просто:

Все теоретические построения, претендующие быть научными, должны быть проверены и подтверждены экспериментально.

Кажется, что среди наших современных учёных нет никого, кто возражал бы против этого. Однако и в ХХ веке был создан целый ряд научных построений, которые были приняты научным сообществом и до сих являются доминирующими в своих областях знания, но при этом они не удовлетворяют принципу Гильберта.

1.1. Постулат Гильберта и современная физика

Следует подчеркнуть, что в подавляющем большинстве современные теоретические модели адекватно и точно отражают свойства вещества и законы Природы, поскольку на всех этапах построение этих теорий ведётся в полном соответствии с принципом Гильберта.

Но в ряде случаев модели, разработанные теоретиками, оказались неверными [2].

Рассмотрим некоторые проблемы микромира, при решении которых был нарушен принцип Гильберта.

2. Протон и нейтрон

2.1. Протон и нейтрон в кварковой модели Гелл-Манна

Создаётся впечатление, что специалисты по физике элементарных частиц сначала исходили из предположения, что при сотворении мира каждой элементарной частице индивидуально подбирались подходящие параметры: заряд, спин, масса, магнитный момент и т.д.

Гелл-Манн несколько упростил эту работу. Он разработал правило, согласно которому набор кварков определяет суммарный заряд и спин формируемой элементарной частицы. Но массы и магнитные моменты этих частиц под это правило не подпадают.

Кварковое строение протона и нейтрона по Гелл-Манну

Рис. 1. Кварковое строение протона и нейтрона по Гелл-Манну. Заряды кварков подбираются так, чтобы превращение нейтрона в протон осуществлялось заменой одного d-кварка на u-кварк. На предсказание масс и магнитных моментов протона и нейтрона модель Гелл-Манна не претендует

Кварковая модель Гелл-Манна предполагает, что кварки, из которых состоят все элементарные частицы (за исключением самых лёгких), должны обладать дробным (равным 1/3 e или 2/3 e) электрическим зарядом.

В 60-е годы после формулирования этой модели многие экспериментаторы пытались найти частицы с дробным зарядом. Но безуспешно.

Для того чтобы это объяснить было предположено, что для кварков характерен конфайнмент, т.е. свойство, запрещающее им как-либо проявлять себя в свободном состоянии. При этом понятно, что конфайнмент выводит кварки из подчинённости принципу Гильберта. В таком виде модель кварков с дробными зарядами претендует на научность без подтверждения данными измерений.

Следует отметить, что модель кварков удачно описывает некоторые эксперименты по рассеянию частиц при высоких энергиях, например, образование струй или особенность рассеяния частиц высоких энергий без разрушения. Однако этого кажется мало для того, чтобы признать существование кварков с дробным зарядом.

2.2. Модель протона, состоящего из кварков с целочисленным зарядом

Поставим перед собой цель сконструировать модель протона из кварков с целочисленным зарядом так, чтобы она предсказывала массу и магнитный момент протона. Будем предполагать, что, как и в модели Гелл-Манна, протон состоит из трёх кварков. Но в нашем случае два из них имеют заряд +e и один –e. Пусть собственным спином эти кварки не обладают, а их квантовое движение выражается их вращением вокруг общего центра по окружности радиуса R.

Протон, построенный из трёх кварков с целочисленным зарядом

Рис. 2. Протон, построенный из трёх кварков с целочисленным зарядом

Пусть величина радиуса R определяется тем, что на длине окружности 2πR укладывается длина дебройлевской волны кварка λD:

\[2\pi R = {\lambda _D} = \frac{{2\pi \hbar }}{{{p_q}}},\](1)

здесь pq – импульс кварка.

Будем полагать, что кварки имеют равные импульсы pq и вращаются по единой окружности так, что равенство (1) сводится к равенству

pqR = ħ.(2)

Обобщённый момент количества вращения (спин) системы будет составлен из двух слагаемых: из механического момента вращения всех трёх кварков 3pq × R и момента импульса магнитного поля, создаваемого кварком с не скомпенсированным зарядом \(\frac{e}{c}{\bf{A}}\):

\[{\bf{s}} = {\bf{R}}\left[ {3{{\bf{p}}_q} - \frac{e}{c}{\bf{A}}} \right].\](3)

С учётом того, что векторный потенциал магнитного поля, создаваемого вращающимся зарядом

\[{\bf{A}} = \frac{{[\overrightarrow \mu \times {\bf{R}}]}}{{{R^3}}}\](4)

и магнитный момент кругового тока

\[\overrightarrow \mu = \frac{e}{{2c}}[{\bf{R}} \times {\bf{v}}]\](5)

получаем инвариантный кинетический момент импульса (спин)

\[s = \frac{\hbar }{2}\left( {6 - \frac{{{e^2}}}{{\hbar c}}\frac{1}{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}} \right),\](6)

здесь β = v/c.

Исходя из того, что величина спина протона равна ħ / 2, имеем

\[\frac{\hbar }{2} = \frac{\hbar }{2}\left( {6 - \frac{\alpha }{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}} \right),\](7)

здесь α = e2 / ħc – постоянная тонкой структуры.

Это равенство приводит нас к выводу, что эти кварки в свободном состоянии представляют собой позитроны и электроны, имеющие массу me. При этом масса этих кварков в связанном состоянии

\[{m_q} = \frac{{{m_e}}}{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }} = \frac{5}{\alpha }{m_e} \simeq 685,2\,{m_e},\](8)

Суммарная масса трёх кварков

\[3{m_q} \simeq 2055\,{m_e},\](9)

удовлетворительно согласуется и измеренным значением массы протона:

\[\frac{{3{m_q}}}{{{M_p}}} \simeq 1,12.\](10)

С учётом величины массы кварка (8), создаваемый им магнитный момент получается равным

\[{\mu _q} = \frac{{e\hbar }}{{2{m_q}c}} \approx 2,68{\mu _N}\](11)

(здесь μN =  / 2Mpc – ядерный магнетон Бора), что близко к экспериментально измеренному значению магнитного момента протона

μp = 2,79 μN .(12)

2.3. Физические свойства нейтрона

В кварковой модели Гелл-Манна нейтрон предполагается элементарной частицей в том смысле, что он состоит из другого набора кварков, чем протон. В 30-е годы прошлого века физики-теоретики пришли к заключению об элементарности нейтрона, не опираясь на данные измерений, которых в то время не было.

Чтобы объяснить данные измерений параметров нейтрона – магнитного момента нейтрона, массы и энергии его распада – рассмотрим электромагнитную модель нейтрона, в которой он не является элементарной частицей [3].

Предположим, что нейтрон, так же как и боровский атом водорода, состоит из протона, вокруг которого на очень малом расстоянии от него вращается электрон. Вблизи протона движение электрона должно быть релятивистским. Однако особенность формирующейся при этом устойчивой орбиты в том, что при её вычислении все релятивистские поправки компенсируют друг друга и полностью выпадают.

Рассмотрим электромагнитную модель нейтрона подробнее [3].

2.4. Структура нейтрона

2.4.1. Электромагнитная модель нейтрона

В первое время после открытия нейтрона в физике обсуждался вопрос о том, следует ли его считать элементарной частицей. Экспериментальных данных, которые могли бы помочь решить этот вопрос, не было, и вскоре сложилось мнение, что нейтрон подобно протону – элементарная частица. Однако тот факт, что нейтрон нестабилен и распадается на протон и электрон (+ антинейтрино), даёт основание относить его к неэлементарным составным частицам.

Рассмотрим составную частицу, в которой вокруг протона со скоростью v → c вращается частица с массой покоя me и зарядом – e. (Ранее подобный подход был рассмотрен в работах [3] и [4]).

Выберем цилиндрическую систему координат, в которой ось z совпадёт с направлением магнитного момента протона

\[{\bf{z}}\parallel \overrightarrow {{\mu _p}} .\](13)

При таком выборе введём следующие обозначения для компонент поля и параметров вращения:

\[{\overrightarrow \beta \equiv {\beta _\vartheta } = \frac{{{v_\vartheta }}}{c}}\\{{\bf{H}} \equiv {H_z}}\\{{\bf{E}} \equiv {E_r}}\](14)

Между положительно заряженным протоном и отрицательно заряженным электроном должна существовать сила кулоновского притяжения ([5], §24):

\[{{\bf{F}}_e} = e\gamma \left\{ {{\bf{E}} - [\overrightarrow \beta \times {\bf{H}}]} \right\}\](15)

Здесь \(\gamma = \frac{1}{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}\).

Кроме силы Fe на вращающийся электрон будет действовать сила Лоренца, возникающая за счёт его взаимодействия с магнитным моментом протона μp. Движущийся в магнитном поле H наблюдатель «видит» в своей системе электрическое поле ([5], §24, (24.2)):

\[{{\bf{E}}_L} = \left[ {\overrightarrow \beta \times \frac{{{\bf{H}} + [\overrightarrow \beta \times {\bf{E}}]}}{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}} \right],\](16)

которое проявляется в силе Лоренца:

FL = eEL(17)

В равновесии силы Fe и FL будут уравновешены центробежной силой

\[{{\bf{F}}_c} = \frac{{{m_e}{c^2}{\beta ^2}}}{{{R_0}\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}\frac{{{{\bf{R}}_0}}}{{{R_0}}}.\](18)

и силой, создаваемой магнитным полем кольца стремящейся его разорвать

\[{{\bf{F}}_b} = \frac{{e\beta {\mu _0}}}{{R_0^3}}.\](19)

здесь μp и μ0 – магнитные моменты протона и токового кольца.

Таким образом, получаем уравнение, определяющее равновесие сил:

\[e\gamma \left( {\frac{e}{{R_0^2}} + \beta \gamma \frac{{{\mu _p}}}{{R_0^3}}} \right) + e\gamma \beta \left( {\gamma \frac{{{\mu _p}}}{{R_0^3}} - \beta \frac{e}{{R_0^2}}} \right) = \gamma {\beta ^2}\frac{{{m_e}{c^2}}}{{{R_0}}} + \frac{{e\beta {\mu _0}}}{{R_0^3}}.\](20)

В результате это уравнение равновесия с неизвестными R0 и β приобретает вид:

\[\frac{{{R_0}}}{{\alpha {r_c}}} = \left( {\frac{1}{{{\beta ^2}}} - 1 + 2\frac{{{\mu _p}}}{{\beta e{R_0}}} - \frac{{{\mu _0}}}{{\beta \gamma e{R_0}}}} \right).\](21)

здесь α = e2 / ħc – постоянная тонкой структуры,

rc = ħ / mec – радиус Комптона,

μ0 = eR0β / 2 – магнитный момент токового кольца.

В этой системе электрическое поле направлено по радиусу

\[{\bf{E}} \equiv {E_r} = \frac{e}{{R_0^2}}\frac{{{{\bf{R}}_0}}}{{{R_0}}}.\](22)

Магнитное поле в системе создаётся магнитным моментом протона

\[{\bf{H}} = \gamma \frac{{\mathop {\overrightarrow \mu }\nolimits_p }}{{R_0^3}}.\](23)

В результате учёта этих слагаемых уравнение с неизвестными R0 и β приобретает вид:

\[\frac{{{R_0}}}{{\alpha {r_c}}} = \left( {\frac{1}{{{\beta ^2}}} - 1 + 2\frac{{{\mu _p}}}{{\beta e{R_0}}} - \frac{{{\mu _0}}}{{\beta \gamma e{R_0}}}} \right).\](24)

Здесь α = e2 / ħc – постоянная тонкой структуры,

rc = ħ / mec – радиус Комптона.

Для того чтобы записать второе уравнение, связывающее эти параметры, используем теорему вириала. Согласно этой теореме кинетическая энергия частиц, объединённых электромагнитным взаимодействием, при их финитном движении равна половине их потенциальной энергии, взятой с обратным знаком:

\[{E_{kin}} = - \frac{e}{2}\left( {\varphi + \beta A} \right) = \frac{e}{2}\left\{ {\frac{e}{{{R_0}}} - \frac{{{\mu _0}}}{{R_0^2}} + \frac{\beta }{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}\frac{{{\mu _p}}}{{R_0^2}}} \right\}\](25)

С другой стороны, согласно определению, кинетическая энергия релятивистского электрона:

\[{E_{kin}} = {m_e}{c^2}\left( {\frac{1}{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }} - 1} \right),\](26)

поэтому второе уравнение, связывающие эти параметры, приобретает вид:

\[{m_e}{c^2}\left( {\frac{1}{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }} - 1} \right) = \frac{1}{2}\left\{ {\frac{{{e^2}}}{{{R_0}}} - \frac{{e{\mu _0}}}{{R_0^2}} + \frac{\beta }{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}\frac{{e{\mu _p}}}{{R_0^2}}} \right\}.\](27)

Решая совместно уравнения (24) и (27), получаем:

R0 = 0,3808 αrc ≈ 1,0732·10–13 см(28)

и

β ≈ 0,92448(29)

2.4.2. Основные параметры нейтрона

Вычислив эти неизвестные, мы можем определить магнитный момент нейтрона, его массу и энергию распада.

Обобщённый момент импульса (спин) токового кольца (спин) ([3], sec. 2.3)

S0 = [p0 × R0] = 0.(30)

При этом магнитный момент токового кольца, выраженный в ядерных магнетонах μN

\[{\xi _0} = \frac{{e{R_0}\beta }}{{2{\mu _N}}} \approx - 4,7176.\](31)

Поэтому суммарный магнитный момент протона и кольца

ξp + ξ0 = 2,793 – 4,7095 = –1,9246.(32)

Эта величина хорошо согласуется с измеренным значением магнитного момента нейтрона (ξn = –1,91304272):

\[\frac{{{\xi _p} + {\xi _0}}}{{{\xi _n}}} \approx 1,0061.\](33)

Сумма массы протона и релятивистского электрона точно согласуется с массой нейтрона:

\[\frac{{{m_p} + \frac{{{m_e}}}{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}}}{{{m_n}}} = 1,0001.\](34)

Согласно теореме вириала полная энергия рассматриваемой системы должна быть равна её кинетической энергии (26):

Ekin = 1,329·10–6 эрг ≈ 829 кэВ.(35)

Эта энергия при распаде нейтрона перейдёт в кинетическую энергию вылетающего электрона (и антинейтрино), что точно согласуется с экспериментально определённой границей спектра распадных электронов, равной 782 кэВ.

2.5. Обсуждение

В рассмотренной выше модели протона, составленной из кварков с целыми зарядами, не возникает вопроса с наблюдаемостью кварков в свободном состоянии. Однако остаётся много непонятного.

Непонятно куда исчезает магнитный момент позитрона, формирующего протон. Магнитный момент электрона, формирующего нейтрон, не проявляет себя в связи с тем, что спин кольцевого тока равен нулю. Однако с кварком-позитроном это не так. Непонятно почему кварк-позитрон не аннигилирует с кварком-электроном, и какие взаимодействия заставляют их объединиться в совершенно стабильную частицу – протон, распадов которого в природе не наблюдается.

Полученное согласие оценок с данными измерений свойств нейтрона говорит о том, что он не является элементарной частицей. Его следует рассматривать как некий релятивистский аналог боровского атома водорода. С тем различием, что в боровском атоме нерелятивистский электрон удерживается на оболочке кулоновскими силами, а в нейтроне релятивистский электрон удерживается в основном за счёт магнитного взаимодействия [3]. В соответствии с постулатом Гильберта подтверждение опытом рассмотренной выше электромагнитной модели нейтрона представляется необходимым и полностью достаточным аргументом её достоверности.

Тем не менее, для понимания модели важно использовать при её построении общепринятый теоретический аппарат. Следует отметить, что для учёных, привыкших к языку релятивистской квантовой физики, методика, использованная выше при проведении оценок, при беглом взгляде не содействует восприятию полученных результатов. Принято думать, что для достоверности, учёт влияния релятивизма на поведение электрона в кулоновском поле должен быть проведён в рамках теории Дирака. Однако в конкретном случае вычисления массы нейтрона, его магнитного момента и энергии распада в этом нет необходимости, поскольку спин электрона в рассматриваемом состоянии равен нулю и все релятивистские эффекты, описываемые слагаемыми с коэффициентами \({\left( {1 - \frac{{{v^2}}}{{{c^2}}}} \right)^{ - 1/2}}\), компенсируют друг друга и полностью выпадают. Рассмотренный в нашей модели нейтрон является квантовым объектом, поскольку радиус R0 пропорционален постоянной Планка ħ, но формально его нельзя считать релятивистским, т.к. коэффициент \({\left( {1 - \frac{{{v^2}}}{{{c^2}}}} \right)^{ - 1/2}}\)в определение R0 не входит. Это позволяет провести вычисление массы нейтрона, его магнитного момента и энергии распада, просто находя равновесные параметры системы из условия баланса сил, как это принято для нерелятивистских объектов. По-другому обстоит дело с оценкой времени жизни нейтрона. На этот параметр релятивизм по всей видимости должен оказывать влияние. Без его учёта не удаётся правильно оценить время жизни нейтрона даже по порядку величины.

3. О природе ядерных сил

3.1. Молекулярный ион водорода

В 1927 году было опубликовано квантово-механическое описание простейшей молекулы – молекулярного иона водорода. Авторы этой статьи В. Гайтлер и Ф. Лондон [6] рассчитали притяжение, которое возникает между двумя протонами за счёт обмена электроном в том случае, если состояние молекулярного иона описывается двуямным потенциалом (рис. 3). Этот обмен является квантово-механическим эффектом и в его классического аналога не существует. (Некоторые детали этого расчёта приведены в [3...4]).

Главный вывод этой работы состоит в том, что энергия связи между двумя протонами, возникающая за счёт обмена электроном, по порядку величины близка к энергии связи протона и электрона (энергии электрона на первой боровской орбите). Этот вывод удовлетворительно согласуется с данными измерений, которые дают результат, отличающийся от расчётного менее чем в два раза.

Рис. 3. Схематическое представление симметричного двуямного потенциала. В основном состоянии электрон может либо в правой, либо в левой части ямы. В невозмущённом состоянии его энергия равна E0. Туннелирование из одного состояния в другое ведёт к расщеплению основного уровня и понижению энергетически выгодного состояния на Δ

Рис. 4. Схематическое изображение структуры лёгких ядер. Прерывистая линия иллюстрирует возможность обменного перехода релятивистского электрона между протонами

3.2. Дейтрон

Электромагнитная модель нейтрона, рассмотренная выше, позволяет по-новому взглянуть на механизм взаимодействия нейтрона с протоном. Нейтрон – т.е. протон, окружённый релятивистским электронным облаком – и свободный протон составляют вместе объект, подобный молекулярному иону водорода. Различие в том, что в данном случае электрон является релятивистским, радиус его орбиты R0 ≈ 10–13 см (28) и масса примерно 2,57 me.

Приложение результатов квантово-механических вычислений Гайтлера – Лондона к этому случаю даёт возможность оценить энергию связи дейтрона с точностью примерно такой же, как и в случае молекулярного иона водорода [3...4]. Оценка предсказывает величину энергии связи примерно равной 2,13·10–6 эрг, в то время как измерения дают

Ed ≈ 3,567·10–6 эрг.(36)

3.3. Лёгкие ядра

3.3.1. Ядро 32He

Из рис. 4, на котором схематически показаны энергетические связи в ядре 32He, видно, что они составлены тремя парными взаимодействиями протонов. Поэтому следует предполагать, что энергия связи этого ядра должна быть равна утроенной энергии связи дейтрона:

EHe3 = 3·Ed ≈ 10,70·10–6 эрг.(37)

Дефект массы этого ядра

ΔM (He3) = 3Mp + me*MHe3 = 1,19369·10–26 г.(38)

Этот дефект массы соответствует энергии связи

E (32He) = ΔM (He3)·c2 ≈ 10,73·10–6 эрг.(39)

Согласие оценки EHe3 с измеренным значением энергии связи E (32He) можно считать очень хорошим.

3.3.2. Ядро 42He

Из схемы энергетических связей в ядре 42He, показанной на рис. 4, видно, что эти связи образованы шестью парными взаимодействиями протонов, реализуемой двумя электронами. По этой причине можно предполагать, что энергия связи ядра 42He должна быть равна:

EHe4 = 2·6·Ed≈ 42,80·10–6 эрг.(40)

Дефект массы этого ядра

ΔM (He4) = 4Mp + 2me*MHe4 = 48,62·10–26 г.(41)

Этот дефект массы соответствует энергии связи

E (42He) = ΔM (He4)·c2 ≈ 43,70·10–6 эрг.(42)

Такое согласие этих величин можно вполне считать удовлетворительным.

3.3.3. Ядро 63Li

Можно предполагать, что энергия связи ядра Li – 6 должна быть близка к сумме энергий связи ядра He – 4 и дейтрона, располагающегося на следующей оболочке:

ELi6EHe4 + Ed ≈ 47,26·10–6 эрг.(43)

Такое предположение возможно, если обмен электроном между протонами разных оболочек затруднён.

В то же время дефект массы этого ядра

ΔM (Li6) = 6Mp + 3me*MLi6 = 54,30·10–26 г.(44)

и связанная с ним энергия связи

E (63Li) = ΔM (Li6)·c2 ≈ 48,80·10–6 эрг.(45)

что действительно подтверждает слабую связь между протонами на разных оболочках.

Следует отметить, что с остальными лёгкими ядрами ситуация не столь проста. Ядро 31T состоит из трёх протонов и двух электронов, осуществляющих связь между ними. Перескок двух электронов в такой системе должен подчиняться постулату Паули. По-видимому, это является причиной того, что энергия связи трития не очень сильно превышает энергию связи He – 3.

Ядерные связи в ядре 73Li, казалось бы, могут быть представлены схемой ELi7 ≈ EHe4 + ET, но это представление ведёт к довольно грубой оценке. Однако для нестабильного ядра Be – 8 аналогичное представление EBe8 ≈ 2EHe4 ведёт к очень хорошему согласию с измерениями.

3.4. Обсуждение

Хорошее согласие вычисленной энергии связи для некоторых лёгких ядер с данными измерений позволяет считать, что ядерные силы (по крайней мере, в случае этих ядер) имеют описанный выше обменный характер.

Впервые внимание на возможность объяснения ядерных сил на основе эффекта обмена электроном обратил видимо И.Е. Тамм [7] ещё в 30-е годы прошлого века. Однако позже в ядерной физике преобладающей стала модель обмена π-мезонами, а потом глюонами. Причина этого понятна. Для объяснения величины и радиуса действия ядерных сил нужна частица с малой собственной длиной волны. Нерелятивистский электрон для этого не подходит. Однако с другой стороны, модели π-мезонного или глюонного обмена тоже не оказались продуктивными. Дать достаточно точное количественное объяснение энергии связи даже лёгких ядер эти модели не смогли. Поэтому приведённая выше простая и согласующаяся с измерениями оценка этой энергии является однозначным доказательством того, что так называемое сильное взаимодействие (в случае некоторых лёгких ядер) является проявлением эффекта притяжения между протонами, возникающего за счёт обмена релятивистским электроном.

4. Нейтрино и мезоны

4.1. Нейтрино

Ранее было показано, что в рамках стандартной максвелловской теории электромагнитного поля имеются две возможности [4]. Используя разные методы возбуждения, можно в пустом пространстве (эфире) возбудить либо поперечную электромагнитную волну (фотон), либо магнитный квант (магнитный солитон), т.е. волну лишённую электрической составляющей. Для генерации в вакууме электромагнитной волн нужно использовать колеблющийся электрический или магнитный диполь.

Согласно уравнениям Максвелла, величина электрического поля, переносимого фотоном, пропорциональна второй производной по времени от меняющегося во времени магнитного момента, который генерирует фотон. Если временная зависимость магнитного момента описывается идеально острой ступенчатой функцией Хевисайда, то первая производная от этой ступеньки есть δ-функция, а вторая производная равна нулю. Поэтому при переднем фронте ступеньки, длящемся порядка 10–23 секунды (такова оценка времени превращения π-мезона в μ-мезон, при котором рождается антинейтрино) должен излучаться квант, имеющий δ-образную магнитную составляющую и лишённый электрической составляющей (см. подробнее в [4]).

Характерными особенностями магнитного солитона является то, что, будучи циркулярно поляризован, он должен обладать спином ħ / 2, и его взаимодействие с веществом почти на два десятка порядков слабее, чем у электромагнитной волны. Эта особенность обусловлена тем, что в природе отсутствуют магнитные монополи.

Это позволяет предполагать, что магнитный солитон можно отождествить с нейтрино. При этом при рождении магнитного момента возникает антинейтрино, а при его исчезновении нейтрино.

Так в процессе последовательного превращении π -мезона сначала в μ -мезон, а затем в электрон, таких магнитных γ-квантов возникает три (рис. 5).

Схема рождения трёх магнитных солитонов (нейтрино) в процессе распада π-мезона

Рис. 5. Схема рождения трёх магнитных солитонов (нейтрино) в процессе распада π -мезона. π -мезон не обладает магнитным моментом. При распаде он превращается в μ -мезон, несущий магнитный момент. Этот процесс должен сопровождаться излучением магнитного γ-кванта (вылетом антинейтрино). При распаде μ -мезона его магнитный момент исчезает и излучается ещё один магнитный γ-квант (нейтрино). Третий магнитный солитон (антинейтрино) возникает в момент рождения электрона

4.2. Мезоны

В цепочке превращений пион → мюон → электрон рождается три нейтрино (рис. 5). Заряженные пионы (π -мезоны), спины которых равны нулю, не обладают магнитными диполями. В момент превращения π -мезона в мюон (μ‑мезон) скачкообразно возникает магнитный момент, что сопровождается испусканием мюонного антинейтрино \({\widetilde \nu _\mu }\). При распаде мюона генерируется излучение мюонного нейтрино νμ, которое вызвано тем, что исчезает мюонный магнитный момент. Одновременно с этим рождается электрон, обладающий магнитным моментом, что приводит к излучению электронного антинейтрино \(\mathop {\widetilde \nu }\nolimits_e \).

Тот факт, что никаких других продуктов кроме нейтрино и антинейтрино в этих реакциях не возникает, приводит нас к предположению, что пион и мюон не являются самостоятельными элементарными частицами, а есть возбуждённые состояния электрона.

Эти мезоны имеют массы

\[M_\pi ^ \pm = 273,13\,{m_e}\\M_\mu ^ \pm = 206,77{m_e}\](46)

Будем предполагать, что возбуждённое состояние электрона формируется за счёт того, что точечная частица с массой \(M = \frac{{{m_e}}}{{\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}\) (здесь β = v / c) и зарядом e вращается по окружности радиуса R со скоростью v → c. Устойчивыми возбуждёнными состояниями будем считать те, для которых дебройлевская длина волны укладывается на длине окружности целое число раз:

\[\frac{{2\pi R}}{{{\lambda _D}}} = n,\](47)

здесь λD = 2πħ / P – длина волны де Бройля,

P – обобщённый импульс частицы,

n = 1, 2, 3... – целое число.

Инвариантный кинетический момент импульса (спин) такой частицы

\[{\bf{s}} = n\left[ {{\bf{R}} \times ({\bf{p}} - \frac{e}{c}{\bf{A}})} \right],\] (48)

где \[{\bf{A}} = \frac{{[\overrightarrow \mu \times {\bf{R}}]}}{{{R^3}}}\] – векторный потенциал магнитного поля, создаваемого вращающимся зарядом. С учётом того, что магнитный момент, заряда e, вращающегося по кругу,

\[\overrightarrow \mu = \frac{e}{{2c}}[{\bf{R}} \times {\bf{v}}]\](49)

получаем

\[s = n\hbar \left( {1 - \frac{\alpha }{{2\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}} \right).\](50)

4.3. Возбуждённое состояние с S = 0

Согласно уравнению (50) условию S = 0 соответствует такая скорость движения частицы, при которой коэффициент \({\textstyle{1 \over {\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}}\) равен 2 / α. При этом масса частицы, с учётом её релятивистского увеличения, равна

\[{M_0} = \frac{2}{\alpha }{m_e} = 274,08\,{m_e}.\](51)

Это значение массы очень близко к величине массы π-мезона (46), имеющего спин равный нулю:

\[\frac{{{M_0}}}{{{M_{{\pi ^ \pm }}}}} \simeq 1,003\](52)

4.4. Возбуждённое состояние с n = 2 и S = ħ / 2

Условию n = 2, S = ħ / 2 соответствует скорость вращения частицы, при которой коэффициент \({\textstyle{1 \over {\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}}\) равен 3 / 2α. При этом масса частицы с учётом её релятивистского увеличения

\[{M_{1/2}} = \frac{3}{{2\alpha }}{m_e} = 205,56\,{m_e}.\](53)

Это значение массы очень близко к величине массы μ-мезона (46), имеющего спин равный ħ / 2:

\[\frac{{{M_{1/2}}}}{{{M_{{\mu ^ \pm }}}}} \simeq 0,9941.\](54)

Обнаруженная возможность вычисления масс мезонов, исходя только из их спинов, подтверждает предположение о том, что эти мезоны являются возбуждёнными состояниями электрона.

5. Заключение

Проведённые выше вычисления свойств элементарных частиц обнаруживают недостаточность кварковой модели с дробными зарядами кварков, в рамках которой такие оценки не удаётся получить. Эта модель в современном виде демонстрирует возможность классификации частиц, но это не доказывает того, что такая классификация является единственно возможной и верной.

При этом важно отметить, что для описания протон-нейтронного взаимодействия (в лёгких ядрах) нет необходимости привлекать модель глюонов, а также использовать теории сильного и слабого взаимодействий.

Действительно, обмен релятивистским электроном между протонами в дейтроне и также как обмен нерелятивистским электроном в молекулярном ионе водорода – это квантово-механическое явление и нет основания приписывать этому обменному эффекту в случае дейтрона роль фундаментального взаимодействия Природы.

Излучение нейтрино происходит в процессе β-распада (или К-захвата). Процессы распадов ядер, как α так и β, не требуют введения какого-либо нового особенного фундаментального природного взаимодействия. Но β-распад имеет существенную особенность: при β-распаде за чрезвычайно короткое время возникает (или исчезает при К-захвате) магнитный момент свободного электрона. Это производит магнитный удар по эфиру и приводит к излучению магнитного γ-кванта, т.е. нейтрино. Это явление имеет сугубо электромагнитный характер, и для его описания не нужно вводить специальное слабое или электрослабое взаимодействие.

Однако формально отсутствие необходимости вводить сильное и слабое взаимодействия в описание других объектов микромира не доказано. Очевидно, что для расчёта ядерных сил в тяжёлых ядрах потребуется привлекать другие эффекты, связанные, например, с существованием ядерных оболочек.

Тем не менее, возможность электромагнитного описания некоторых частиц делает актуальным вопрос о корректности существующего описания многих других, более сложных объектов микромира.

Очевидно, что в соответствии с главным постулатом естественных наук У. Гильберта проверка корректности такого описания должна опираться на экспериментальные данные базовых свойств исследуемых объектов [2]. Удачный метод систематизации частиц в некую таблицу нельзя считать исчерпывающим доказательством правильности и единственности данного подхода.

 

Литература:

  1. Гильберт У. О магните, магнитных телах и большом магните – Земле. М.: Издательство Академии наук СССР, 1956.
  2. Vasiliev B.V. On the Disservice of Theoretical Physics (Work on the Bugs). Journal of Pure and Applied Physics, 2015. – Volume 3, Issue 2.
    Васильев Б.В. О вреде теоретической физики. НиТ, 2015.
  3. Vasiliev B.V. About Nature of Nuclear Forces. Journal of Modern Physics, 2015. – Vol. 3, pp. 648...659.
    Васильев Б.В. О природе ядерных сил. НиТ, 2015.
  4. Vasiliev B.V. Some Separate Problems of Microcosm: Neutrinos, Mesons, Neutrons and Nature of Nuclear Forces. International Journal of Modern Physics and Application, 2016. – Vol. 3, No. 2, pp. 25...38.
  5. Landau L.D. and Lifshitz E.M. The Classical Theory of Fields (Volume 2 of A Course of Theoretical Physics). Pergamon Press, N.Y., 1971.
  6. Heitler W., London F. Wechselwirkung neutraler Atome und homoopolare Bindung nach der Quantenmechanik. Zeitschrift fьr Physik, 1927. – 44, pp. 455...472.
  7. Tamm I.E. Neutron-Proton Interaction. Nature, 1934. – v. 134, p. 1011.

Ранее опубликовано:

Vasiliev B.V. Some Problems of Elementary Particles Physics and Gilbert’s Postulate. Journal of Modern Physics, 2016.

Дата публикации:

2 ноября 2016 года

Электронная версия:

© НиТ. Научные статьи, 2015

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика