Простая универсальная модель ядерных сил.

Напомним, что протон (4.6) и нейтрон (4.10) являются квантовыми пульсаторами, имеющими одинаковую высокочастотную несущую, нуклонную частоту ~2.27× 10²³ Гц. В протоне нуклонные пульсации прерываются с электронной частотой, ~1.24× 10²⁰ Гц, и с фазой положительного электрического заряда. В нейтроне же взаимные превращения пар «протон плюс электрон» и «позитрон плюс антипротон» организованы таким образом, что нуклонные пульсации прерываются с частотой, вдвое меньшей электронной.

Принцип связи нуклонов в ядре, на наш взгляд, аналогичен принципу связи в атомарных связках «протон-электрон» (4.10), но алгоритм, связующий нуклоны, попеременно прерывает их нуклонные пульсации – с частотой, которую мы будем называть частотой ядерных прерываний.

Как и силы, обеспечивающие атомные структуры, ядерные силы являются не силами притяжения и не силами отталкивания – они являются силами «удержания на определённом расстоянии», причём это расстояние зависит от частоты ядерных прерываний. И, аналогично тому, как у связанных разноимённых зарядов электронные пульсации противофазны, нуклонные пульсации у протонов и нейтронов также противофазны. Это, как мы полагаем, обеспечивает различимость протона и нейтрона для алгоритма, который «включает» ядерные силы, и который способен связывать лишь отдельные пары протон-нейтрон, и никакие другие. Таким образом, мы сознательно отказываемся от принципа зарядовой независимости ядерных сил – тем более, что этот принцип имеет весьма шаткие экспериментальные обоснования [Г6].

Рис.4.12 схематически иллюстрирует оптимальные фазовые соотношения при прерываниях пульсаций у протона и двух нейтронов, с которыми он оказывается связан. Прежде всего заметим, что у протона имеется атомная модуляция, которая обеспечивает связь протона с атомарным электроном. В течение одного полупериода атомной модуляции у протона имеются прерывания нуклонных пульсаций только на электронной частоте, а в течение другого полупериода – прерывания на электронной частоте отсутствуют, и нуклонные пульсации прерываются только на частоте ядерных прерываний. Таким образом, ядерная связь у протона возможна лишь периодически: на тех полупериодах его атомной модуляции, когда его модуляция на электронной частоте отсутствует.

Рис.4.12

Т_е – период электронной частоты, Т_е/2 – период полуэлектронной частоты,

Т_ЯД – период ядерных прерываний. У нейтронов показаны лишь циклы

наличия-отсутствия нуклонных пульсаций («несущей»). Знаком * обозначены

интервалы, на которых действует ядерная связь между протоном и нейтроном.

Что касается нейтрона, то у него ядерная связь возможна тоже лишь периодически, а именно: в течение тех полупериодов модуляции на полуэлектронной частоте, когда в нейтроне «включены» нуклонные пульсации (см. Рис.4.10). Поскольку фаза модуляции на полуэлектронной частоте не обязана быть фиксированной, то логично допустить, что, для достижения максимальной эффективности ядерных связей, фазы модуляций на полуэлектронной частоте у пары нейтронов подстраиваются, становясь противоположными – чтобы, при прекращении связи с одним нейтроном, протон немедленно переключался на другой, как это и проиллюстрировано на Рис.4.12. Таким образом, в оптимальном режиме формируется временная связка из трёх нуклонов: n ⁰- p ⁺- n ⁰. Обратим внимание на то, что нейтроны из этой связки являются друг по отношению к другу частицей и античастицей – но при этом они отнюдь не испытывают тенденций проаннигилировать друг с другом.

Теперь заметим, что, аналогично случаю с атомными связками «протон-электрон» (4.9), энергию одной ядерной связи можно выразить тремя способами: через дефект масс связанной пары нуклонов, через частоту ядерных прерываний, и через энергию циклических пространственных перебросов состояния, при котором нуклонные пульсации «включены». Но, в отличие от случая атомной связи, ядерная связь «работает», как это видно, лишь с частичным заполнением во времени. Тогда можно записать:

2D Mс ² = 2x h W_ЯД = x hK /2 d,

где D M – усреднённый по времени дефект массы одного из пары связанных нуклонов, с – скорость света, x - коэффициент заполнения во времени для действия ядерной связи, h – постоянная Планка, W_ЯД – частота ядерных прерываний, d – расстояние между центрами двух связанных нуклонных пульсаторов, и K – множитель, имеющий размерность скорости. При d»3× 10^-15 м [Б8], для случая D Mс ² =8 МэВ и при x=0.5, оценочное значение для K составляет»4.7× 10⁷ м/с.

Теперь вернёмся к тезису о циклических переключениях связи протона с одного нейтрона на другой – этот тезис проясняет некоторые загадки. Так, становится понятно, почему существуют стабильные ядра, в которых единственный протон связан либо с одним нейтроном (у дейтерия), либо с двумя (у трития) – но не с тремя и более: уже третий нейтрон в данном случае оказывается совершенно излишним. Становится также понятно, почему аномально высокую эффективность связи имеет альфа-частица, т.е. комплекс из двух протонов и двух нейтронов. При ничтожной разности частот атомных модуляций у двух протонов, фазы этих двух модуляций поддерживаются по возможности противоположными – и тогда связка из трёх нуклонов существует практически непрерывно: с поочерёдным включением того или другого протона в её состав. Поэтому a-частица является наименьшим нуклонным комплексом, в котором переключения связей максимально эффективно согласованы. Сам феномен a-распада свидетельствует о том, что a-комплексы в ядрах существуют – причём, не только в тяжёлых, но и в лёгких [Н2]. Подчеркнём: эти a-комплексы, из-за самосогласованности ядерных связей в них, не имеют ядерных связей с другими нуклонами в ядре. Из этого парадоксального вывода сразу же вытекает элементарное объяснение фрагментации [Б2], т.е. развала тяжёлого ядра на лёгкие фрагменты, в основном, на a-комплексы, при ударе по ядру, например, протона с высокой энергией, а также проясняется сама возможность a-распада – объяснение которого в рамках традиционного подхода выглядит весьма неправдоподобно. Действительно, считается, что a-распад может происходить тогда, когда он энергетически выгоден. Тогда почему a-радиоактивное ядро не испытывает распад мгновенно? Полагают, что мгновенному a-распаду препятствует т.н. «кулоновский барьер» (см., например, [М3]). Если принять эту логику, то продолжительное существование a-радиоактивного ядра обеспечивается кулоновскими силами, которые, вообще-то, стремятся разорвать ядро на части. К тому же, отнюдь не очевидно – каким образом a-частица преодолевает «кулоновский барьер». Предложили квантовомеханическое объяснение: a-частица не «преодолевает» барьер, а «просачивается» сквозь него благодаря т.н. «туннельному эффекту». На наш взгляд, всё гораздо проще: «кулоновского барьера» нет, поскольку электрические заряды в ядре «отключены» (см. (4.9)); а a-комплексы в ядре существуют обособленно, не имея ядерных связей с другими нуклонами.

Тогда уместен вопрос: что связывает между собой a-комплексы, удерживая большое ядро в целом? Напрашивается ответ: большое ядро в целом может удерживаться за счёт происходящих время от времени таких переключений связей, которые переформировывают составы a-комплексов. Действительно, из-за различающихся энергий связи атомарных электронов, т.е. различающихся частот атомных модуляций, переключения связей в a-комплексах, особенно в разных, происходят не синхронно. Неизбежны ситуации, когда протон, по завершении своего «мёртвого» полупериода для ядерных связей, вновь готов к их включению – а два нейтрона, с которыми он был связан до этого, всё ещё «заняты». Тогда протону потребуется новая «свободная» пара нейтронов. Как можно видеть, для того чтобы большое ядро было в целом стабильно, оно должно содержать некоторое избыточное число нейтронов, по сравнению с числом протонов. Если принять во внимание, что, по мере роста атомного номера, разность между самой большой и самой малой энергиями связи атомарных электронов становится всё больше, и переключения связей в a-комплексах становятся всё менее синхронными, то для стабильности ядра требуется наличие в нём всё большего числа избыточных нейтронов – что и наблюдается в действительности. Причём, избыточные – на текущий момент – нейтроны в ядре, согласно нашей модели, не охвачены ядерными связями, т.е. они являются, как это ни парадоксально, свободными. Следовательно, в больших ядрах нейтроны, из-за избыточности своего числа, охватываются ядерными силами только поочерёдно – и стабильность таких ядер обеспечивается не статичностью структуры связей в нём, а, наоборот, высокой динамичностью этой структуры.

Для сравнения отметим, что избыточность нейтронов, требуемая для стабильности ядра, традиционно объясняется необходимостью противодействия силам «кулоновского расталкивания» ядерных протонов, роль которого возрастает по мере роста атомного номера. Считается, что избыточные нейтроны «разрыхляют» ядро, ослабляя этим «кулоновское расталкивание». Но, не говоря уже о ничтожности эффекта от такого «разрыхления» по сравнению с ядерными силами, имеются явные указания на то, что кулоновское взаимодействие практически не играет роли в ядерных структурах. В самом деле, большие ядра с недостатком нейтронов – по сравнению с ядрами из «дорожки стабильности» [М3] – должны, по традиционной логике, разваливаться кулоновскими силами или, по крайней мере, испускать протоны. В действительности, такие ядра подвержены b⁺-распаду, т.е. они испускают позитроны [М3]. Наличие же дополнительного числа нейтронов сверх того, которое требуется для «ослабления кулоновского расталкивания», делало бы ядра, согласно традиционной логике, ещё более устойчивыми. Но и это не так: большие ядра с избытком нейтронов – по сравнению с ядрами из «дорожки стабильности» - подвержены b^--распаду, т.е. они испускают электроны [М3]. Как можно видеть, у больших ядер с числом нейтронов, большим или меньшим некоторого оптимального, типичные судьбы совсем не похожи на те, которые следовали бы из наличия в ядре заметных кулоновских сил.

Можно возразить, что эти рассуждения не доказывают «отключенности» электрических зарядов в ядре. Где, мол, прямые экспериментальные свидетельства об этом? Да вот же они – настолько прямые, что прямее не бывает. Странатан [С1] написал: «… весьма трудно разрушать тяжёлые ядра путём бомбардировки a-частицами, главным образом благодаря трудности проникновения дважды заряженной a-частицы в ядро с высоким положительным зарядом. Однако… существуют определённые резонансные энергии, при которых a-частицы не очень больших энергий могут проникать в эти ядра» - и дал ссылку на работу [Ч3]. Может, Странатан что-то неправильно понял? Отнюдь! Чедвик и Констебль [Ч3] обстреливали ядра фтора и алюминия a-частицами, которые испускал радиоактивный полоний. Энергетический спектр a-частиц полония был хорошо известен: их максимальная энергия составляла»5.3 МэВ. Элементарный расчёт показывает, что если бы a-частица кулоновски отталкивалась от ядра, то, имея энергию 5.3 МэВ, она не смогла бы добраться ни до границы ядра фтора, ни до границы ядра алюминия. К тому же, «из наблюдений аномального рассеяния a-частиц алюминием известно, что высота потенциального барьера у ядра алюминия (для a-частицы) составляет примерно 7-8 МэВ. a-частицы полония (5.25 МэВ) должны, таким образом, пройти сквозь этот барьер, чтобы быть захваченными» [Ч3] (перевод наш). Тем не менее, a-частицы с определёнными энергиями (меньшими, чем 5.25 МэВ!) проникали в ядра и инициировали ядерные реакции – о чём судили, регистрируя «протоны дезинтеграции» [Ч3]. Сам факт резонансных пиков энергии a-частиц, проникавших в ядра, говорит о том, что имело место не т.н. «туннелирование» сквозь барьер (с ничтожно малой вероятностью), а закономерное явление – т.е., a-частицы с низкими энергиями проникали в ядра вполне непринуждённо! Правда, эти энергии были резонансными – но куда при этом девалось «кулоновское отталкивание»? Много ли сегодня найдётся физиков, которые знают про эти ошеломляющие факты? Или физики предпочли забыть это, как кошмарный сон?

Но вернёмся к нашей модели. Мы можем объяснить – по крайней мере, качественно – почему чётно-чётные ядра имеют систематически большую энергию связи на нуклон. Эта величина, как можно видеть, зависит от того, насколько оптимально синхронизированы переключения связей в ядре. При нечётном числе протонов, какому-то из них всегда будет недоставать компаньона, чтобы, вместе с двумя нейтронами, образовать a-комплекс – отчего переключения связей будут происходить не в оптимальном режиме. Ещё менее оптимально они будут происходить и при нечётном числе нейтронов: даже в условиях их «избыточности», при оптимальных переформированиях a-комплексов нейтроны сменяются парами – для чего именно парами они и должны быть рассредоточены по объёму ядра. Кстати, тем, что ядерная связь возможна лишь между протоном и нейтроном, легко объясняется тот факт, что в природе не бывает нуклонных комплексов из одних протонов или одних нейтронов.

Добавим, что предложенная модель ядерных сил объясняет – по крайней мере, качественно – главную особенность расположения ядерных уровней энергии, о которых судят по спектрам характеристического гамма-излучения. В отличие от атомных уровней, которые сгущаются при приближении к уровню ионизации, промежутки между ядерными уровнями примерно постоянны – «удивительным является то, что возбуждаемые уровни располагаются со столь правильными интервалами» [Д8]. Между тем, эта особенность ядерных спектров является, в нашей модели, следствием резонансных соотношений в связанных нейтронах. Врезка на Рис.4.12 иллюстрирует происхождение резонансных соотношений между частотами нуклонных пульсаций и ядерных прерываний: на полупериоде второй из них должно укладываться целое число полупериодов первой. При этом характерный промежуток между ядерными уровнями составляет около 0.4 МэВ [Г6] – что согласуется с опытными данными [Д8]. Кроме того, мы усматриваем ещё одно резонансное соотношение: на периоде электронных пульсаций должно укладываться целое число периодов ядерных прерываний. Результирующее разделение подуровней составит около 14 кэВ [Г6], а полные ширины ядерных линий, из-за этого тонкого расщепления, могут составлять сотни кэВ (см., например, [Л6]).

Как можно видеть, наш ключевой тезис, позволяющий объяснить особенности ядерных спектров, таков: возбуждается не ядро в целом, возбуждаются отдельные a-комплексы в нём. Конечно, наше объяснение особенностей ядерных спектров можно рассматривать лишь в качестве первого приближения. Но другие модели ядерных сил, насколько нам известно, не дают объяснения этих особенностей даже в первом приближении – ограничиваясь лишь классификацией ядерных уровней.

Наконец, кратко остановимся на ещё одном феномене - b⁺-распаде, который, в отличие от b^--распада, должен происходить весьма необычно. Действительно, при b^--распаде ядерный нейтрон превращается в протон с выстреливанием электрона, т.е. происходит обычный распад нейтрона. Но при b⁺-распаде ядерный протон превращается в нейтрон с выстреливанием позитрона. Мало того, что такое превращение не обеспечено собственной энергией протона – и, как полагают, недостающая энергия «восполняется ядром» [М3]. Для превращения протона в нейтрон с освобождением позитрона требуется, с учётом вышеизложенных представлений о протоне и нейтроне, участие ещё одной частицы – предельно связанной пары (). Напомним, что в такой паре электрон связан с позитроном, причём энергия связи составляет 511 кэВ. Такая пара имеет массу электрона и нулевой электрический заряд – т.е., известный зарядовый дублет лептонов, e ^- и e ⁺, можно дополнить до триплета e ^-, e ⁺ и e ⁰, где символом e ⁰ мы обозначили предельно связанную пару. И реакция, происходящая при b⁺-распаде, имеет, как мы полагаем, следующий вид:

p ⁺ + e ⁰ ® n ⁰ + e ⁺.

При допущении такой реакции, вышеназванные затруднения в представлениях о b⁺-распаде устраняются.

Мы, конечно, не претендуем на полный охват огромного пласта экспериментальных данных – по физике атомного ядра. Мы постарались, на основе новой модели, объяснить лишь основные свойства ядер.