ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МАТЕРИИ
ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
УСЛОВИЯ КВАНТОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И ЗАРЯДА
СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
УСЛОВИЯ КВАНТОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И ЗАРЯДА
ЗАВИСИМОСТЬ МАССЫ И ЗАРЯДА ОТ СКОРОСТИ
ЗАРЯДОВАЯ НЕЗАВИСИМОСТЬ
РАДИУС И ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЭЛЕКТРОНА
МАССА ПОКОЯ, ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ПРОТОНА
МАССА ПОКОЯ, ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ПРОЧИХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
РАДИУС ПРОТОНА И ДРУГИХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
ЯДЕРНАЯ МИКРОСТРУКТУРА
АТОМНАЯ МИКРОСИСТЕМА
ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Л И Т Е Р А Т У Р А
ПРИЛОЖЕНИЕ
ТАБЛИЦА № 1 .
ТАБЛИЦА № 2
ТАБЛИЦА № 3
ТАБЛИЦА № 4
ТАБЛИЦА № 5
ТАБЛИЦА № 6
РИС № 1
РИС № 2
РИС № 3
Рецензии
ПРЕДИСЛОВИЕ
С «древних» времен физики (и не только физики) пытались понять как «устроена» материя - ее структуру. Многие догадывались о ее сложном строении: что не все, так называемые, элементарные частицы «элементарны», а являются сложными структурными образованиями. Было предложено множество моделей, но из многих, в последнее время получила наибольшую поддержку «партонная» модель. Под точечными образованиями которой стали «подозревать» кварки, с переносчиками взаимодействия между ними глюонами. Этой точке зрения способствовала, бытующая до настоящего времени догма о невозможности нахождения в структуре нейтрона или протона (или любой другой частицы), в качестве составляющих структурных единиц, электрона или позитрона. До настоящего времени существует разделение взаимодействий, связывающих материю Вселенной, на четыре вида сил: гравитационные, электромагнитные, слабые, сильные. Все они описываются при помощи разных уравнений и методов. Еще А.Эйнштейн вел поиск решения задачи по объединению гравитационных и электромагнитных полей. В конце 50-х - в начале 60-х годах В.Гейзенбергом была предпринята попытка создания единой нелинейной теории поля через пси - поле. До сих пор ведутся поиски путей объединения всех четырех сил в единое поле. Абдус Салам ищет возможности подхода к единому полю через калибровочное объединение фундаментальных сил. Стивен Вайнберг создал основы единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий. Шелдон Ли Глэшоу идет по пути к объединению через калибровочную теорию с тремя семействами.
В предлагаемой работе показана возможность объединения всех известных сил (взаимодействий) в Единую Природу Взаимодействия, позволяющую одним уравнением описать любую микроструктуру (от электрона до молекулы).
Брошюра рассчитана на читателей интересующихся проблемами микромира.
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МАТЕРИИ
Материю Вселенной можно разделить на три вида. К первому относится материя, не имеющая массы покоя – электромагнитное излучение. Второй вид представлен материей имеющей массу покоя. К третьему виду относится «Черная материя» - практически не изученная. По мнению астрономов, большая часть массы Вселенной скрыта в «Черных дырах». Расчеты ученого Стивенса Хокинга показали, что Вселенная состоит всего лишь на 4% из обычного вещества, 23% - из «Темной материи». Если это так, то основную роль в формировании и жизни Вселенной играют «Черная материя» и «Черные дыры».
Материя, не имеющая массы покоя, всегда имеет скорость равную скорости света. К этому виду материи относится электромагнитное излучение, элементарной частицей которого является фотон. Фотон - квант электромагнитного излучения, спин которого равен единице, поэтому он относится к бозонам. Излучение электромагнитных волн происходит определенными порциями – квантами, энергия которых может меняться, но принимать лишь дискретный ряд значений, кратный неделимой порции, равной постоянной Планка.
Это послужило предпосылкой для того, чтобы считать электромагнитное излучение одной из форм материи, а фотоны реальными элементарными частицами. Стало ясно, что всем частицам присуща возможность к взаимопревращениям. Так, например, в электромагнитном поле атомного ядра фотон, с энергией более одного МэВ, может превратиться в электрон-позитронную пару, которая несет два электрических заряда (+и-4,803·10-10), а при столкновении электрона с позитроном происходит их аннигиляция на два или три фотона. Следовательно, и фотон является носителем двух разноименных электрических зарядов.
Частицы, имеющие наименьшую массу покоя, электрон и позитрон, имеют и наименьший электрический заряд. В микромире, помимо электрона и позитрона, существует очень большое количество других элементарных частиц. Все эти образования несут то или иное число скомпенсированных электрических зарядов и, как правило, один не скомпенсированный, положительного или отрицательного знака.
ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Рассмотрим некоторые вопросы, относящиеся к образованию микромира. В первую очередь необходимо понять энергетические границы электромагнитного излучения – квантов или фотонов. Приведем несколько цитат: «Классическая теория предсказывает появление произвольно коротких волн» [1], или «частота может быть произвольно мала, а тем самым расстояние, на которое фотон может передать электромагнитное взаимодействие, произвольно велико» [2]. Далее… «По-видимому, физических пределов частот электромагнитных волн не существует – нужно лишь найти подходящий их источник» [3]. В работе [4] приводится пример: «Приведенные выше соотношения справедливы для всех частот, например от частоты ν=1 цикл в 100000 лет (ей соответствует длина волны с/ν в 100000 световых лет), что примерно равно диаметру нашей Галактики, до частот порядка ν = 3∙1025Гц, которым соответствует длина волны порядка 10-15 см или энергии фотона ħν порядка 100 Гэв». На этих примерах делается утверждение, что частота может иметь значение от 0,317∙10-¹² Гц до 3∙1025 Гц и соответствуют длине волны 9,464∙10²² см до 1∙10-15 см, при этих значениях частоты (или длины волны) энергия фотонов составит от 0,208∙10-27 эВ до 19,740∙109 эВ. Подобные примеры для электромагнитного излучения, с точки зрения классической физики, могут быть вполне закономерны. Но, согласившись с ними можно прийти к весьма удивительным выводам. Ничем не ограниченный по энергии фотон, при определенных условиях, может образовать не только электрон-позитронную пару, но и массу покоя достаточную для образования еще одной «планеты». Рассмотренные примеры из классической физики (и, к сожалению, не только классической) в равной степени относятся и к утверждениям о возможности фотона иметь энергии превышающие пороговые. Л.Больцман еще задолго до Планка сделал предположение: «энергия колебаний может быть только целым кратным от частоты». М.Планк полагал: «…механизм передачи энергии допускает только передачу порций энергии, являющихся целым кратным ħν» [5]. В работе [6] Планк в 1900г показал, что излучение испускается телами не непрерывно, но в виде отдельных порций. Энергия каждой такой порции - квант излучения - пропорционален его частоте или обратно пропорционален длине волны:
Е = hν = ħc/λ
В 1905г.А.Эйнштеин предложил рассматривать излучение как поток материальных частиц «квантов излучения» или «фотонов». Корпускулярные свойства он приписал самому излучению «…поглощается (или испускается) только целое число квантов, это следует из законов квантовой механики, применяемых к электромагнитному колебанию» [7]. Из отмеченных выше условий квантования электромагнитного излучения немедленно следует вывод:
Квантование идет только через целое число кванта действия – ħ. Квант действия не может принимать не целочисленные значения: 1/2ħ, 3/2ħ, 5/2ħ… и т.д.
При соблюдении этих условий порция энергии Е = ħν всегда будет целым кратным кванту действия – ħ. Поскольку минимально возможное целочисленное значение частоты излучения равно ν = 1Гц, можно определить минимально возможную энергию одиночного фотона: Е = ħν = 1,054∙10-27 эрг ·с×1Гц = 1.054∙10-27 эрг или минимальную энергию кванта в электронвольтах
Через эту величину квантуется энергия фотона, это квант энергии электромагнитного излучения. Зная минимально возможное значение по частоте, определим максимально возможную длину волны из известного соотношения:
Это значение длины волны численно равно скорости света и является максимально возможной длиной волны для электромагнитного излучения. Величину минимально возможной частоты определим из ниже следующих соображений. Поскольку максимально возможная длина волны численно равна скорости света, то ее обратная величина не может быть меньше минимально возможной короткой длины волны:
Из соотношения ν = с/l определится максимально возможная частота фотона:
Как видим, максимально возможная частота излучения численно равна квадрату скорости света, что находится в согласии с экспериментальными данными [8].
Таким образом, фотоны электромагнитного излучения могут иметь: частоту от ν = 1Гц, до ν = 8,987∙1020 Гц; длину волны от λ = 0,333∙10-10 cм до λ = 2,998∙1010 см; энергию от Е = 1,054∙10ˉ27 эрг до Е = 9,472∙10ˉ7 эрг (или в электронвольтах от Е = 6,582∙10ˉ¹6 эВ до Е = 0,591∙106 эВ). Располагая ключевыми параметрами электромагнитного излучения: граничные условия по частоте, длине волны и энергии одиночных фотонов, можно понять условия квантования по заряду.
УСЛОВИЯ КВАНТОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И ЗАРЯДА
Как было показано выше, минимально возможная энергия электромагнитного излучения определяется минимальной частотой фотона. Численное значение в 1,054∙10ˉ27 эрг, или 6,582∙10ˉ16 эВ, являются квантами энергии. Максимально возможное численное значение частоты излучения может быть равным 8,987∙1020 Гц. При этой частоте энергия излучения составит 9,472∙10ˉ7 эрг, или 0,591∙106 эВ.
Из эксперимента известно, что рождение пар в сильном электромагнитном поле происходит, когда фотон имеет энергию более 1,022∙106 эВ. Поскольку энергия одиночного электрона 0,511∙106 эВ то в 1,022∙106 эВ содержится лишь энергия электрон–позитронной пары без энергии связи, выделившейся при образовании пары. Поэтому уравнение для энергии необходимой при образовании пары с учетом энергии связи запишется в таком виде: Еmax = 2ħν = 1,183∙106 эВ. Энергия, выделившаяся при образовании пары: 1,183∙106 эВ–1,022∙106 эВ = 0,161∙106 эВ. В отношении условий квантования заряда, естественно, напрашивается вопрос: а что квантовать, если фотон не несет заряда? Вполне разумно допустить, что фотон может нести два равных, но разноименных, электрических заряда. В этом случае становится понятным, откуда у вновь образовавшейся из фотона электрон–позитронной пары появляются два «целочисленных» электрических заряда равной величины, но разноименных по знаку.
Как правило, рассматривая рождение пар из фотона, вопрос о генезисе появления зарядов не обсуждается. Но «ниоткуда» они появиться не могут, должен быть реальный (а не виртуальный) источник их появления. Утверждается, что электрон–позитронная пара может быть образована и при столкновении двух фотонов, обладающих для этого достаточной энергией, но в этом случае заряды для вновь образованной пары могут быть переданы только от сталкивающихся фотонов.
Ранее, из соотношения Е = ħν, был определен квант энергии в 6,582∙10ˉ16 эВ. Этому кванту энергии должен соответствовать квант заряда, который может быть определен из следующих соображений. При энергии электрона в 5,110∙105 эВ заряд электрона (позитрона), за минусом энергии связи, составит 4,803∙10ˉ10 ед СГС.
Отношение энергии электрона к заряду электрона 105/10-10 = 1015, следовательно, численное значение кванта заряда электрона в 1015 раз меньше кванта энергии и составит (при частоте равной 1Гц ):
Для количественной оценки энергии и заряда электромагнитного излучения, в зависимости от частоты, необходимо учитывать, что фотон несет удвоенный электрический заряд (положительный и отрицательный). Поэтому уравнения для энергии и заряда будут иметь вид:
Е = 2 ħν ; (1) е = 2 е кв (2)
До настоящего времени существует мнение о том, что электромагнитное излучение и электромагнитное поле не несут электрических зарядов. Вот пара цитат по этому поводу: «…фотон не имеет ни электрического заряда, ни магнитного момента» [9]. «В высшей степени примечательно, что само электрическое поле не имеет электрического заряда и не испытывает поэтому действия электромагнитных сил; в этом отношении оно отличается от переносчиков других типов взаимодействий» [10]. Эта точка зрения существует до настоящего времени, так как нет инструмента и методики распознающей наличие полностью скомпенсированных электрических зарядов, присутствующих в электромагнитном излучении. И, тем не менее, поскольку электромагнитное излучение несет скомпенсированные электрические заряды, в виде квантов, то последние должны подчиняться закону сохранения алгебраической суммы электрических зарядов. В приложении приводится таблица № 1 с результатами количественного расчета электрического заряда и энергии электромагнитного излучения в зависимости от частоты излучения.
СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
В 1969 г Р. Фейнманом была предложена партонная модель, объясняющая различие в характере поведения сечений высоко энергетического упругого рассеяния и глубоко неупругого рассеяния электрона на протоне. Упругий процесс происходит как на протяженном объекте, а не упругий как на точечном. Фейнман объяснил это различие, предположив, что протон состоит из точечных частиц – партонов, которые проявляются лишь при больших переданных импульсах. Это свидетельствует о том, что все адроны состоят из субчастиц, имеющих малые размеры, как минимум на три - четыре порядка меньше размеров самого адрона. «Масса адрона не распределена равномерно по объему, а рассредоточена на отдельные точечные образования» [11]. Природу партонов и их число пока не удалось выяснить. Это могут быть мезоны и кварки или другие образования, но в данном случае важна точечность партонов. Многие исследователи склоняются к партонно–кварковой модели [11,29]. Фейнман и другие исследователи допускают возможность того, что в роли партонов могли бы выступить те или иные из ранее известных субъядерных частиц! Первыми кандидатами на эту роль были мезоны. Однако выяснилось, что партоны не проявляют свойств мезонов. Наиболее подходящими на роль партонов оказались гипотетические кварки [11].
Эксперименты по зондированию нуклонов, начатые в 1968 году, продолжаются до настоящего времени. Зондирование проводится как пучками электронов, так и разного вида нейтрино и антинейтрино различной энергии. Объективно результаты экспериментов приводят к основному выводу о наличии в нуклоне фундаментальных точечных образований (партонов). Число партонов в нуклоне точно установить не удается, но их явно намного больше трех. Детальное изучение глубоконеупругих процессов на нуклонах, вызываемых электронами и нейтрино, позволило установить, что спин партона равен ½ и, наряду с партонами, в нуклоне присутствуют антипартоны [12, 13, 14, 15]. Установлен и верхний предел размеров партона – менее или равным 10-16 см.
Учитывая все выше изложенное, остается допустить, что партоны могут нести единичные целые положительные и отрицательные электрические заряды и массу равную массе электрона или позитрона. Почему в этом случае они не могут являться составными частями любой элементарной частицы? В зависимости от количества составных частей - партонов, элементарная частица будет иметь ту или иную массу покоя, и содержать определенное количество электрических зарядов (скомпенсированных и одного плюс–минус избыточного).
Самой простейшей связанной системой из электрона и позитрона является позитроний, несущий два противоположно заряженных электрических заряда. В зависимости от взаимной ориентации спинов электрона - позитрона существует ортопозитроний с параллельными спинами и парапозитрониий с антипаралельными спинами. Позитроний по существу является первой составной элементарной частицей. Любая элементарная частица состоит из электрон-позитронных пар, причем, если количество электронов равно количеству позитронов электрические заряды компенсируются и о частице говорят «имеет нулевой заряд». В случае неравенства электронов с позитронами
частица получает «избыточный заряд», плюс или минус и в этом случае говорят «частица несет такой то заряд». Все элементарные частицы, за исключением протона, электрона, позитрона и нейтрона (если он находится в ядре) нестабильны. Элементарные частицы в процессе распада через фрагментацию в конечной стадии распада переходят в такие стабильные частицы как электрон, позитрон, а так же в фотоны различной энергии.
Таким образом, вся цепочка распада нестабильной элементарной частицы заканчивается на стабильных частицах - квантах материи имеющей массу покоя и фотонах (квантах электромагнитного излучения).
УСЛОВИЯ КВАНТОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И ЗАРЯДА.
Отмеченная выше цепочка распадов нестабильных элементарных частиц приводит к мысли о высокой достоверности квантования массы покоя (энергии и заряда) через электрон-позитронные пары. Именно этот процесс сможет объяснить, почему физики уже давно верят в квантование заряда. “Однако они не могут объяснить с высот теории, почему все заряды кратны заряду электрона” [15]. Или’’…еще никто и никогда не сумел не только доказать, но даже найти намека на доказательство того, что заряд любой частицы есть квантованная величина, причем такая, что
α = е2 /ħc = 7,297·10-3 [7],
а её обратная величина 1/α = 137,036”.
Далее рассмотрим некоторые вопросы размерности: из Е=U·е можно записать е = Е/U, где: е – заряд, Е – энергия взаимодействия единичного электрического заряда и U – разность потенциалов. Это соотношение обладает свойством: может иметь две размерности. Если Е взять в эргах, а U в единицах СГС, то получим результат в единицах СГС:
1.
Отметим, что «Разные размерности двух величин в рамках одной и той же системы предполагают наличия разного физического смысла величин. Вообще говоря, разные величины могут иметь одинаковые размерности в пределах как одной, так и разных систем» [16]. Так, если теперь разность потенциалов перевести в эрги:
2., т.е. получаем
безразмерную величину или электронвольты. Подобными свойствами обладают выражения:
3.ед. СГС
4.
Квант взаимодействия как для материи, не имеющей массы покоя, так и материи имеющей массу покоя обозначен через ħc/е, численное значение которого может быть выражено, как было показано выше, через единицы заряда (СГС) или в несистемных единицах электронвольтах.
Численное значение кванта взаимодействия, используемое в данном случае в единицах СГС, позволяют понять единство природы всех известных на сегодня четырех видов взаимодействий. Более того, как будет показано ниже, квант взаимодействия будет входить в уравнение, описывающее любое из четырех видов взаимодействий.
Используя свойство иметь двойную размерность, можно записать, для материи имеющую массу покоя, отношение кванта заряда к кванту взаимодействия:
екв/(ћc/e)кв= 7,297·10-3
Здесь екв = 4,803∙10-10 ед.СГС и (ħc/е)кв = 6,582∙10-8 в ед.СГС квант заряда и квант взаимодействия. В результате получим известное безразмерное выражение для постоянной тонкой структуры. Причем, по сути это не намек на доказательство, а прямое доказательство квантования материи, имеющей массу покоя. Соответственно, обратная величина постоянной тонкой структуры составит 137,036. Постоянная тонкой структуры или ее обратная величина, независимо от величины массы покоя, остается постоянной, в отличие от электромагнитного излучения. Так, для электрона или позитрона, у которых на равный заряд приходится равная масса покоя, постоянная тонкой структуры будет равна:
Для электрона и других частиц екв = 4,803∙10-10, (ħc/е)кв= 6,582∙10-8:
(3)
Для протона:
и т.д.
Таким образом, отношение суммы квантов заряда к сумме квантов энергии, содержащихся в любой массе покоя, величина строго постоянная и равна постоянной тонкой структуры.
В предыдущем разделе и здесь были приведены доводы, что как электромагнитное излучение, так и материя, имеющая массу покоя, несут электрические заряды. На сегодняшний день не известен ни один вид материи, который бы не содержал электрических зарядов. Электрический заряд – это основа любой известной на сегодня материи. С этой точки зрения нейтрино, как частицы, не имеющей электрического заряда, не должно существовать, не зависимо от того имеет она массу покоя или нет. Судя по меняющейся энергии нейтрино, вылетая из нейтрона вместе с электроном, оно может иметь разную энергию, но с соответствующей этой энергии скомпенсированным электрическим зарядом. Окончательных экспериментальных подтверждений о наличии у нейтрино массы покоя пока не имеется.
ЗАВИСИМОСТЬ МАССЫ И ЗАРЯДА
ОТ СКОРОСТИ
Наименьшей массой покоя обладают две элементарные частицы: электрон и позитрон. Все прочие элементарные частицы имеют массу больше массы покоя электрона.
Одним из фундаментальных строгих законов природы материи, имеющей массу, является закон сохранения заряда. Он гласит: «Алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой (электрически изолированной) системы остается неизменной, какие бы процессы не происходили внутри этой системы» [17]. В такой редакции закон сохранения заряда позволяет в замкнутой системе находиться любому меняющемуся во времени количеству скомпенсированных по знаку электрических зарядов, но строго сохраняя неизменным во времени количество некомпенсированных по знаку зарядов (избыточных по знаку зарядов). Следовательно, утверждение о квантовании масс через электрон-позитронную пару находится в соответствии с законом сохранения заряда. Оно справедливо и обязательно для любых образований микромира и в первую очередь это относится к элементарным частицам, таким как протон и нейтрон, из которых формируются ядра атомов. Изложенной точки зрения на этот процесс сегодня придерживаются далеко не все физики.
Вот некоторые, но далеко не все цитаты по этому поводу. Так, Г.Бонди в работе «Гипотезы и мифы в физической теории»[18], утверждает: «тела могут иметь любой заряд, который мы им хотим сообщить, масса же тела - его неотъемлемое свойство. Не существует такой вещи, как тело без массы; тел же без заряда сколько угодно.» Или «Масса должна изменяться со скоростью именно так, как, по наблюдениям, изменяется отношение mо/е, эта теория согласуется с совокупностью всех прочих экспериментов»… «таким образом, имеем экспериментальное доказательство того, что зависимость е/mо от скорости обусловлена изменением mо, а не е» [19]. «Имеются исчерпывающие экспериментальные доказательства того, что полный заряд системы не меняется от движения носителей заряда». «Масса не обладает таким свойством инвариантности»[20]. Авторы приведенных выше цитат сходятся в том, что со скоростью меняется (возрастает) только масса тела, но не количество электрических зарядов. Другими словами, как бы мы не ускоряли электрон, какая бы у него не была скорость, у него должен остаться лишь его «избыточный заряд», равный 4,803∙10-10 ед. СГС. Поскольку квантом массы является электрон-позитронная пара, постольку любое приращение массы будет происходить через эту пару. Но масса этой пары несет два элементарных разноименных электрических заряда, поэтому независимо от процесса при котором происходит приращение массы, одновременно будет происходить и приращение, положительно и отрицательно заряженных, элементарных заряда. Если электрон или позитрон ускорить до скорости при которой начинает происходить нарастание массы, то процесс привноса зарядов будет происходить пока идет приращение массы. При разгоне частицы изначально имеющей избыточный заряд, этот заряд будет сохраняться. Разогнанные до скорости достаточной для приращения массы частицы не имеющие избыточного заряда, не зависимо от количества приращенной массы, а следовательно и от количества приращенных скомпенсированных зарядов, будут иметь все тот же скомпенсированный электрический заряд. Но вот еще один факт: «У позитрония, «атомной системы», состоящей из позитрона и электрона, отсутствие электрического заряда обнаружено с огромной точностью» [21]. Или, «Фотоны не несут зарядов» [1]. В действительности же позитроний несет два разноименных электрических заряда, а эксперимент «c огромной точностью обнаруживает отсутствие электрического заряда». Но данный эксперимент «с огромной точностью» доказывает лишь невозможность обнаружить присутствующие в системе два разноименных электрических заряда. А поскольку экспериментально скомпенсированные заряды обнаружить не удается, а фиксируются лишь избыточные, делается вывод, что «заряд системы не меняется от движения носителей заряда», а «зависимость mо/е от скорости обусловлена изменением mо, а не е».
Возникает вопрос: если ускорить электрон или позитрон до скорости необходимой для нарастания массы равной π- мезона, будут ли полученные таким путем мезоны иметь периоды их полураспада равными периодам полураспада мезонов имеющих иной генезис с такими же каналами распада?
Если да, то откуда у них появится необходимое количество зарядов? Так, при распаде π˚ в одном из его каналов распада наблюдаются: е ˉ, е +, е ˉ, е +; и т. д. [22].
Как правило, при распаде любой элементарной частицы в продуктах ее распада наблюдается множественность электрических зарядов в виде электронов, позитронов, электрон-позитронных пар и продуктов аннигиляции их – гамма квантов.
С точки зрения партонной модели, под партонами понимаются электрон–позитронные пары изначально служащие «кирпичиками» из которых строится любая элементарная частица. Множественность образования электрических зарядов в процессе распадов частиц, в данной модели, объясняется фрагментацией (подобно тому, как это происходит при распаде ядер) и этот факт, сам по себе служит экспериментальным подтверждением образования зарядов совместно и пропорционально нарастанию массы.
По мнению же ортодоксов заряд любой элементарной частицы должен быть единственным, изначально присутствующим (или отсутствующим) у данной частицы. Более того, этот единственный заряд распределен по всему объему. Так, например, появление электрона при распаде нейтрона объясняется его возникновением (образованием) в момент распада нейтрона (до распада нейтрона электрона в нем не могло быть). Однако механизм этого явления не раскрывается. Просто объявляется, что электрон образуется в нейтроне, вылетает из него в сопровождении нейтрино, «дырка» остается в нейтроне и нейтрон переходит в протон. Эксперименты, на которые ссылаются авторы работ [1, 21, 18, 19, 20] фиксируют лишь избыточные электрические заряды, находящиеся в данной изолированной системе, но не в состоянии зафиксировать (определить) количество + и - зарядов в данной изолированной системе.
Партонная модель, а точнее ее следовало бы назвать «электрон-позитронной», позволяет не только определять условия квантования масс покоя и заряда, но и рассчитать количество электрических зарядов того или иного знака содержащихся в данной частице, а также понять, откуда они берутся.
ЗАРЯДОВАЯ НЕЗАВИСИМОСТЬ
Гипотеза зарядовой независимости была выдвинута еще в 1935 году в связи с опытами по рассеянию протонов протонами, нейтронов протонами, нейтронов нейтронами. Эксперименты показали, что взаимодействие этих элементарных частиц между собой одинаковы. Однако, природа этого вида взаимодействия до сих пор остается неясной. Сущность этого вида взаимодействия может быть понятна, если под партонами (составными частями элементарных частиц) понимать электрон-позитронные пары. Именно они являются квантами заряда и энергии материи, имеющей массу покоя. Поскольку элементарные частицы являются квантовыми системами и схемы их энергетических уровней выглядят одинаково по сравнению с энергетическими уровнями ядер или атомов, то на каждом энергетическом уровне элементарной частицы могут быть, согласно принципа запрета Паули, две одинаковых частицы с противоположно направленными спинами. Энергетические уровни, заполняемые электронами, чередуются с энергетическими уровнями, заполняемые позитронами, подобно тому, как это имеет место в ядрах с протонами и нейтронами. Сохраняются и значения квантовых чисел n, ℓ, ml, ms с соблюдением всех закономерностей, присущих квантовой физике. Поскольку электрон и позитрон находятся на разных энергетических уровнях, постольку и расстояние между ними будет определяться расстоянием, в основном между этими уровнями. Заполняя электронные и позитронные энергетические уровни элементарной частицы электрон-позитронные пары, образуют диполи, вернее систему электрических диполей. Отметим, что в природе диполи имеют весьма широкое распространение и являются «изобретением» самой природы. Человек это явление осознал лишь «сегодня», когда в 1888 году Г.Герцем было доказано существование электромагнитных волн (вибратор Герца). Диполи в виде квантов положительных и отрицательных электрических зарядов изначально присутствуют в формировании электромагнитного излучения частотой от 1 Гц до 8,987 ∙ 1020 Гц.
В материи имеющей массу покоя кванты заряда имеют величину численно равную е = + или − 4,803∙10-10 ед. СГС. Еще один вид материи, который на сегодня слабо изучен, так называемая «черная материя» должна так же нести два электрических заряда, равных по величине, но противоположных по знаку. Вероятно, что дипольное строение материи - основа мироздания Вселенной. Каждый электрический диполь, находясь в поступательно-вращательном движении, в окружающем его электромагнитном поле, вносит, в свою очередь, свою лепту взаимодействуя с ним.
Очень важной особенностью природных диполей является свойство последних реагировать на действие внешнего электромагнитного поля. Согласно принятой на сегодня точке зрения, электрический диполь характеризуется своим дипольным моментом, который в электрическом поле обладает потенциальной энергией. Диполь это по сути микроантена, система динамическая Поле в ближайшей зоне диполя (зоне индукции) служат для формирования бегущих составляющих полей, ответственных за излучения Е и Н, убывающих пропорционально 1/ r (вектор Поинтинга~ 1/r2) [17,стр.25] и[57, cтр.371]Это следует непосредственно из закона сохранения энергии, при отсутствии потерь в среде полный поток энергии в пространстве не должен изменяться с расстоянием. «Отпочкование» силовых линий электрического поля Е, создается колеблющимся электрическим диполем. В первую четверть Т колебания ( t =Т/4 ) возникает квазистатическая часть поля, которая при (t=T/2) обращается в нуль, но от поля «отрываются» замкнутые сами на себя силовые линии поля Е, и «сцепленные» c ними кольцевые ортогональные магнитные линии. Вместе они образуют автономную полуволновую тороидальную ячейку сферически расходящейся волны, уносящей электромагнитную энергию» [17].
Полная энергия переносимая электромагнитным излучением диполя остается постоянной, но плотность энергии убывает с увеличением расстояния от диполя пропорционально квадрату расстояния. В справочной литературе приводится несколько уравнений рекомендуемых для расчетов электромагнитных полей излучаемых диполем. Расчеты проведенные по рекомендуемым уравнениям дают результаты по напряженности поля с разбросом в пределах от 2,6∙1012 до 9,91∙1013 эВ и поэтому не вызывает уверенности в достоверности применимости их в данном случае. В силу этого предлагается для расчета потенциальной энергии электромагнитного поля от диполей элементарных частиц (микромира) следующее уравнение:
эВ (4)
где Еd - потенциальная энергия электромагнитного излучения от диполя,
c - скорость света,
ħ – постоянная Планка,
е - элементарный электрический заряд,
Мч – масса частицы,
mо – масса электрона,
α - постоянная тонкой структуры,
r - радиус частицы(равный половине расстояния между зарядами диполя).
Используя уравнение, оценим величину потенциальной энергии электромагнитного излучения от одного диполя, приняв радиус диполя r = 4,06∙10-16см.:
Еd= 6,582∙10-8(2m/2m×½×7,297∙10-3): 4,06∙10-16 = 5,915∙105 эВ
Из Е = ħν, при энергии электромагнитного излучения от диполя в 5,915.105 эВ частота поля составит 8,987∙1020Гц, а при частоте в 1Гц энергия электромагнитного излучения будет минимально возможной в 6,582∙10-16 эВ (см. таблицу № 2). Это минимально возможное значение является квантом энергии для электромагнитного излучения, материи, не имеющей массы покоя. Полная энергия диполь–дипольных взаимодействий для системы диполей является суммой всех парных дипольных взаимодействий. Протон состоит из 1836mо:2=918 диполей (нейтрон из 919), поэтому энергия электромагнитного излучения от диполей этих нуклонов будет во столько же раз выше, чем от одного диполя. Энергия излучения от одного диполя, в соответствии с этим, на расстоянии радиуса протона (равного 0,868∙10-13 см), из уравнения (4) cоставит Еd=2,767∙103 эВ. Излучения от 918 диполей протона на его поверхности согласно (4) составит 2,540∙106 эВ. В таблицу № 2 сведены расчеты по энергии электромагнитного излучения для ряда элементарных частиц. Радиусы частиц приведены в таблице № 2, а также в работе [23].
Поскольку к элементарным частицам относятся не только протон и нейтрон, в таблице приведены результаты расчетов энергии излучения для некоторых, из большого списка, известных элементарных частиц. Несмотря на увеличение количества диполей, в соответствии с увеличением массы частиц, резкого скачка энергии излучения не наблюдается, так как с увеличением массы идет и рост радиусов частиц.
Энергия связи элементарных частиц образуется за счет электрон-позитронных пар, составляющих данную частицу. Так у протона, состоящего из 1836 электронов и позитронов, энергия связи определяется из соотношения:
Е = ħc/e2 ∙ mо = 137,036 ∙ 0,511∙106 эВ = 70,025∙106 эВ.
Полагая, что энергия связи любой элементарной частицы находится в зависимости от ее массы, она может быть определена из соотношения:
Е = ħc∕e2 (Мч // Мр) ∙ m0 [23]
Как было показано в [7] при образовании электрон-позитронной пары из электромагнитного излучения 0,591∙106 эВ∙2 = 1,182∙106 эВ, в массу покоя пары переходит 0,511∙106 эВ∙2 = 1,022∙106 эВ. Дефицит массы электрон-позитронной пары определяет величину энергии связи этой пары:
Есв = 1,182∙106-1,022∙106 = 0,160∙106 эВ,
т. е. энергия связи электрона, равная энергии связи позитрона, составляет по 0,080∙106 эВ. Входя в структуру протона (нейтрона) электрон–позитронная пара за счет энергии связи теряет еще часть своей массы покоя: 70,025∙106 / 918 = 0,076 ∙ 106 эВ на каждую пару (по 0,038∙106 эВ на электрон или позитрон). Таким образом, с момента своего образования (из электромагнитного излучения) электрон и позитрон, входя в структуру протона, теряют на энергии связи в общей сложности по 0,118∙106 эВ каждый. Но и на этом роль электрон-позитронной пары не заканчивается. Входя в состав ядра, каждый нуклон взаимодействия своими электрон-позитронными парами с другими нуклонами ядра, образуют связанные состояния и теряют на энергии связи ядра в общей сложности от 2,22∙106 эВ (дейтрон) до 1907∙106 эВ (фермий). Разделив энергию связи данного ядра на количество электрон-позитронных пар, содержащихся в нуклонах ядра, получим долю энергии связи, приходящуюся на каждую электрон-позитронную пару. Так в ядре дейтрона на такую пару приходится по 1208 эВ, а в ядре ферми 8,078∙103 эВ. Участие электрон-позитронных пар на уровне ядра не ограничивается, оно продолжается и на атомном уровне, в пределах первых десятков электронвольт на диполь. Вероятно предназначение дипольного электромагнитного излучения и состоит в том, чтобы в постоянстве поддерживать энергию связи данного образования. Все сказанное о протоне справедливо для любой элементарной частицы.
Поскольку все элементарные частицы формируются из электрон-позитронных пар, постольку все они являются составными из «частиц» и «античастиц». Поэтому необходимо разделять «истинные частицы и античастицы» от «составных частиц и античастиц». Истинными частицами и античастицами являются лишь электрон и позитрон. Признаком или основным свойством истинных частиц и античастиц является их способность при аннигиляции, на низких скоростях, (медленных электронов и позитронов), перехода всей массы покоя (на 100%) в материю, не имеющую массы покоя, то есть в электромагнитное излучение. Этим свойством обладают лишь электроны и позитроны. У всех остальных частиц при их встрече с античастицами,при низких скоростях, аннигиляции со сто процентным переходом массы покоя в электромагнитное излучение не происходит. Оставшаяся после «аннигиляции» масса покоя разваливается на фрагменты и далее идет их распад. [14, стр.105]. Можно сделать предположение, что на определенной стадии (вероятно, это могло произойти на 10-35 секунды) Большого взрыва, при определенных условиях, из электрон-позитронных пар началось образование различного вида элементарных частиц и «мир», и, «антимир» объединился и стал единым. Здесь же отметим, что если взять отношение массы покоя элементарной частицы к обратной величине постоянной тонкой структуры, то только для протона и нейтрона частное будет равно:
1836 mо:137 = 13,4 mо
Отношение масс любых других элементарных частиц к постоянной тонкой структуры дают большее или меньшее численное значение. Вероятно, эта цифра может служить признаком стабильности, по крайней мере, для этих элементарных частиц.
Здесь также необходимо отметить об «оговорках», повсеместно допускаемых как в устной речи, так и в печати, об «отсутствии электрического заряда» у той или иной частицы. Так «нейтрон не имеет электрического заряда», но он же составлен из 1838 электрических зарядов, то есть несет 919 положительных и 919 отрицательных зарядов! Или, «фотон не имеет ни заряда, ни массы», но и это неверно. Фотон в зависимости от частоты может нести заряды от ± 6,582∙10-31 ед. СГС до ± 5,915∙10-10 ед. СГС, не имея массы покоя, несет энергию. Следует отметить, что нет ни одного вида материи, из слагающих Вселенную, которая не несет электрических зарядов. Все живое и не живое соткано из зарядов электричества и все законы природы должны отражать это. Дипольные образования, природные микроантены для любого вида материи, излучают электромагнитные поля, которые взаимодействуют с окружающими их электромагнитными полями.
РАДИУС И ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЭЛЕКТРОНА
«Опытов, которые позволяли бы определять размеры и форму электронов, пока не существует» [24]. Электрон и его антипод позитрон, являются первыми элементарными частицами, имеющими наименьшую (из всех известных на сегодня элементарных частиц) массу покоя. Электрон и позитрон, как было уже показано, являются основными структурными единицами (кирпичиками) материи имеющей массу покоя. Обычно после слов «имеющий наименьшую массу» добавляют и «наименьший заряд в природе». Однако это не совсем отвечает действительности. Выше, при характеристике фотона было показано, что фотон может нести наименьшую величину электрического заряда, квант заряда равный ± 6,582∙10-31ед СГС. Минимально необходимая энергия фотона для образования электрон-позитронной пары должна распределиться на электрон, позитрон, на отдачу ядра и кинетическую энергию образовавшейся пары. Уравнение, определяющее энергию связи образования пары, запишется:
2ħν = ( ħν + ħν1)+2Eсв, отсюда 2Есв= 2 ħν – (ħν+ħν1) [25]
где ν = 8,987∙1020Гц - максимальная частота фотона, ν1 = 7,764∙1020 Гц - частота за вычетом энергии связи при образовании электрон-позитронной пары.
Численное значение энергии связи электрон-позитронной пары составит:
=
= 1,610∙10-5.
На один электрон (позитрон) приходится 0,0805∙106 эВ энергии связи. Вообще, энергия связи является одним из важнейших параметров, входящих в уравнение для определения радиуса. В общем виде уравнение для определения радиуса любой элементарной частицы, ядра или атома имеет вид [25-27]:
r =ћc/e ( A ∙ Z )∙(n-1)+(l+1)/n (5).
Здесь для электрона А=mо/mо= 1, а эффективный заряд Z, c которым электрон (позитрон) взаимодействует электромагнитным полем равен [23]:
Теперь уравнение для определения радиуса электрона (позитрона) примет вид:
r = ћc/е ( ½ α2 )/Ecв (6).
Подставив численные значения известных мировых постоянных, входящих в уравнение и расчетное значение энергии связи, приходящееся на электрон (позитрон), рассчитаем численное значение радиуса электрона (позитрона):
r = 6,582∙10-8см∙эВ{1/2(7,297∙10-3)2}/0,081∙106эВ = 2,163∙10-17 см.
Полученное значение радиуса электрона (позитрона) совпадает с теоретической оценкой ожидаемого численного значения для электрона – менее n∙10-16см. Может показаться, что принятое численное значение энергии связи электрона мало достоверно из-за ее малости. Действительно, различного рода оценки этого фундаментального, в квантовой физике параметра для различного вида элементарных частиц, как правило, значительно превышают массу покоя этих частиц. Так анализ массовой формулы Гелл-Манна-Окубе определяет нижний предел массы кварка около 10 ГэВ. Из других подходов считается, что для квантовых объектов (к ним относится и кварк, если он действительно существует в природе) верхний предел массы не может превышать 1018 ГэВ [28]. Однако каких-либо экспериментальных подтверждений этому не имеется. О величине, точнее, об удельном весе энергии связи, отнесенной к массе покоя электрона при образовании электрон-позитронной пары можно судить по следующему сравнению. Энергия связи при образовании пары составляет 0,162∙106 эВ, т.е. 0,081∙106 эВ на электрон. От массы покоя электрона это составляет 15,85%. Энергия связи, выделяемая при образовании протона равна 70,026∙106 эВ [23], т.е. 7,46%.
Эта оценка показывает, что энергия связи электрона оценивается достаточно достоверно. В уравнении для расчета радиуса электрона значение А= М ч/mо для электрона (позитрона) равно единице. Это говорит о том, что электрон (позитрон) не имеют (не содержат) в своей внутренней структуре составных частей. Ни электрон, ни позитрон невозможно разделить на составные части – это истинно элементарные частицы.
В силу этого они не могут иметь возбужденных состояний (внутренних возбуждений), поэтому значение их квантовых чисел всегда постоянно: n = 0, ℓ = 0, ml = 0, ms = 1/2. Электрон и позитрон по отношению друг к другу являются истинными частицей и античастицей. Все прочие элементарные частицы являются составными, то есть, имеющими внутреннюю структуру в виде составляющих их «партонов». Поэтому в уравнениях, описывающих взаимодействие составных частей, значение А равно отношению массы этих частиц, к массе электрона, т.е. равно количеству составляющих ее частей.
Естественно, это является одним из основных признаков элементарности или отсутствия таковой у данной частицы.
Еще раз подчеркнем, что электрон и позитрон являются единственными частицами, имеющими массу покоя, которые могут одноактно осуществлять переход из электромагнитного излучения, не имеющего массы покоя, в материю, обладающую массой покоя и наоборот, в процессе аннигиляции электрон-позитронной пары в сто процентный переход в материю, не имеющую массы покоя, т.е. в электромагнитное излучение. Причем, это единственный процесс аннигиляции элементарных частиц, при котором происходит полный переход массы покоя в излучение. Аннигиляционные реакции других элементарных частиц с их античастицами заканчиваются частичным переходом материи покоя в излучение с обязательным остатком фрагментов, имеющих массу покоя. Условия квантования энергии и заряда электромагнитного излучения определяются частотой излучения. Для материи, имеющей массу покоя, квантом энергии и заряда является электрон-позитронная пара. Если принять за основу этот принцип квантования, то квант энергии для массы покоя определится:
2Екв = 2е/α = 2×4,803∙10-10ед СГС / 7,297∙10-3 = 2 × 6,582∙10-8 (7)
Квант заряда равен удвоенному заряду (заряду электрона и позитрона):
2екв = 2Екв × α = 2×6,582 10-8 ×7,297∙10-3 = 2×( ± 4,803∙10-10 ) (8)
Отсюда определится и величина тонкой структуры:
α=екв/Екв=7,297·10-3
α-1 = Екв/ е кв = 6,582∙10-8/ 4,803∙10-10 = 137,039.
МАССА ПОКОЯ, ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ПРОТОНА
Исследования в области микромира приводят к открытию новых элементарных частиц, но все они, как правило, нестабильны. Из всех известных на сегодня элементарных частиц стабильны лишь протон, электрон, позитрон, и нейтрон,(последний в свободном состоянии имеет среднее время жизни порядка 15,3 минуты). Каждая частица имеет характеризующие ее параметры: массу покоя, энергию связи и необходимую для ее образования энергию. Из перечисленных параметров для элементарных частиц достаточно надежно определяются в основном массы покоя. Имеющиеся теоретические оценки по остальным параметрам имеют расхождения между собой в довольно широком диапазоне. Для образования любой элементарной частицы изначально требуется минимально необходимая энергия, из которой может быть образована та или иная частица.
Причем этой энергии должно быть достаточно для образования массы покоя частицы и на ее энергию связи:
Емн = Мч×с2 + Е
Максимальная энергия может быть получена при частоте излучения в 8,987∙1020Гц:
Емв = ħ ν =5,913∙105 эВ.
Используя это, запишем уравнение, через которое можно определить минимально необходимую энергию для образования протона, а также энергию связи и массу протона:
(9)
где Мр – масса покоя протона (антипротона) в эВ,
ν - максимальное значение частоты излучения,
с - скорость света в см /c,
v – скорость, при которой приращением массы можно пренебречь (1·108 cм /с)
mо - масса покоя электрона в эВ,
ħ - постоянная Планка в эрг.с,
е - заряд электрона в ед. СГС.
Отметим, что ħν/1,602∙10-12 как и ħc/е2 и v/c, безразмерные величины. Первый член уравнения определяет минимально необходимую, для образования протона, энергию, второй – энергию связи протона. Подставив в уравнение численные значения, и решив его, определим теоретическое значение массы покоя протона и его энергию связи:
Мр = 938,320∙106 эВ; Есв = α-1× mо = 70,026∙106 эВ;
Более привлекательным (и осмысленным) выглядит уравнение в записи:
(10)
Экспериментальное значение массы покоя протона: 1836,1515 mо = 938,279 ∙106 эВ.
Теоретически рассчитанное из уравнения (9 или 10):1836,230 mо = 938,320 ∙ 106 эВ. Теоретически рассчитанная масса покоя протона на 0,0044% выше экспериментального значения. Это говорит о весьма высокой достоверности уравнения. Одновременно уравнением определяется и энергия связи выделившаяся в процессе образования протона:
Есв = α-1.mо = 70,026∙106 эВ. (11)
Определяется и теоретическое значение энергии необходимой для образования протона:
=1008,346.106 эВ (12
Сравнить полученные из уравнения численные значения энергии связи и минимально необходимой энергии для образования протона с экспериментом не представляется возможным (из-за отсутствия последних). Теоретические оценки различных авторов по энергии связи имеют разброс в весьма широком диапазоне, иногда во много раз превышающую массу покоя протона (кварки, бидструпы, планкионы и т.д.) [29,30].
МАССА ПОКОЯ, ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ПРОЧИХ
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
К оценке правильности численных значений энергии связи протона и других элементарных частиц вернемся ниже, так как этот параметр будет входить в уравнение для оценки радиуса элементарных частиц. Здесь же отметим весьма примечательный факт – энергию связи определяет величина обратная постоянной тонкой структуры, естественного параметра, характеризующего “силу” электромагнитного взаимодействия. Это обстоятельство является непосредственным прямым доказательством электромагнитной природы взаимодействия между составными частями, образующими протон и прочие элементарные частицы (ныне этот вид взаимодействия приписывают электрослабому). К настоящему времени, вероятно, известно уже около тысячи, если не более, так называемых элементарных частиц. Для всех, как правило, известно экспериментальное значение масс и избыточного заряда. Полагая, что минимальная для образования частицы энергия и энергия связи будет, в какой-то степени приближенно пропорциональна их массе покоя, можно использовать уравнение для протона применительно и для прочих элементарных частиц:
(13)
Мч –масса покоя частицы, Мр - масса покоя протона.
Это уравнение позволяет приближенно оценить энергию связи и минимально необходимую энергию образования данной элементарной частицы:
Есв = Мч/Мр (α-1×mо) (14)
Емн = Мч /Мр{(ħν/4,803∙10-10)mо} (15)
Результаты расчетов по некоторым элементарным частицам сведены в таблицу № 3. Все расчеты проведены для частиц находящихся в основном состоянии.
РАДИУС ПРОТОНА И ДРУГИХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ
ЧАСТИЦ
Теперь, имея возможность вычислять энергию связи элементарных частиц, необходимо найти уравнение, которое позволило бы рассчитать радиусы их. В работах [25, 26] было использовано уравнение для теоретического расчета радиусов атомной и ядерной систем:
R = ħ c/e {А∙Zэф ∕Есв}×[(n-1)+(ℓ+1)/n],
где для атома А = Мя/Мн - количество нуклонов в ядре, Zэф – количество электронов электронной оболочки атома, для ядра значение А = Мя /Мн - количество масс нуклонов, а Zэф = 1/8 α-1 – эффективный заряд.
Для элементарных частиц уравнение можно преобразовать приняв А=Мч /mо, а Zэф = 1/2 α
В этом случае уравнение запишется:
R = ħc/е {[(Мч/mо)(1/2 α)/ Есв]×[(n-1)+(ℓ+1)/n]} (16 )
где R - радиус объема, в котором находятся электрон-позитронные пары,
mо - масса электрона (позитрона),
Мч – масса частицы,
Есв - энергия связи частицы,
ħ - постоянная Планка,
с - скорость света,
е - заряд электрона,
n -главное квантовое число,
ℓ - орбитальное квантовое число.
Уравнение (16), описывающее взаимодействие составных частей элементарных частиц, можно записать в таком виде:
Есв = ħc/е {[(Мч/2mо)( α )/R]×[(n -1)+(ℓ+1)/n]
В этой записи можно говорить, что взаимодействие между электрон-позитронными парами составляет величину равную постоянной тонкой структуры 7,29735∙10-3
При этом нужно иметь в виду, что пара состоит из «частицы» и «античастицы», несущими соответствующие по знаку единичные заряды и имеющие каждый массу (энергию) равную массе электрона (позитрона). Решая уравнение, можем определить радиус для любой элементарной частицы. Ниже (табл. №4) приводятся в качестве примеров расчеты по определению радиуса для нескольких элементарных частиц. Для протона из уравнения (9) известна его теоретически рассчитанная масса покоя и отношение: Мр / mо = 1836,251, из этого же уравнения (9) определена и энергия связи протона:
α-1× mо= 70,026∙106 эВ.
Количество занятых электрон–позитронными парами энергетических уровней протона составит: Мр/2mо = 918.
Полагая, что энергетические уровни заполняются не подряд, а с пропусками, наиболее удаленных от центра уровней (подобно тому, как это происходит в атоме или ядре), значения квантовых чисел n и ℓ определяется с учетом спина и четности последнего (из заполняемых) энергетического уровня. В силу отмеченного обстоятельства, для определения значений n и ℓ необходимо учитывать незаполняемость некоторых из последних энергетических уровней. Так для протона при заполнении всех энергетических уровней подряд, без пропуска, значение квантовых чисел определялось бы n =14 и ℓ=9 и, в этом случае, энергетический уровень имел бы спин равный 33/2ˉ, но поскольку спин протона равен ½ с положительной четностью, то последний уровень должен иметь значение n=14 и ℓ=10. Значение спина и четности этого уровня соответствует ½ +.
Теперь, поскольку все параметры уравнения (16) известны, кроме радиуса протона, подставим численные значения и решим его:
R= 6,582·10-8 (1836,251×3,649·10-3)/70,026·10-6 [(14-1)+(10+1)/14] = =0,868.10-13 cм.
Подобным образом могут быть определены радиусы и других элементарных частиц.
Для этого из уравнений (9, 13, 14, 15 ) определяются численные значения параметров входящих в уравнение (16) и, подставив эти численные значения в уравнение (16), определим радиусы любых элементарных частиц. В таблице №4 приведены радиусы частиц находящихся в основном состоянии. Экспериментальные и из различных подходов теоретические оценки численного значения радиусов нуклонов лежат в пределах 0,35-0,85∙10-13 см [1, 22, 11, 31, 12, 13]. Расхождение рассчитанных радиусов из уравнения (16) от максимального значения составляет 2,11%. Хорошее согласие численных значений радиусов, рассчитанных из уравнения (16) с экспериментом говорит так же и о достоверности теоретических оценок по массе покоя и энергии связи для нуклонов и других элементарных частиц, рассчитанных из уравнений (9–15). Для мюона определена энергия связи, равная 7,885∙106 эВ. Количество занятых энергетических уровней для мюона 206,769/2=103,4. Наиболее удаленный от центра занятый энергетический уровень мюона должен иметь спин ½+. Если бы заполнение уровней шло подряд, без пропуска, то последним должен был заполняться уровень с n =7 и ℓ = 3, спин которого равен 3/2+, что не соответствует экспериментальному значению. Ближайший уровень, имеющий спин 1/2+ имеет n=7 и ℓ =4. Теперь, подставив в уравнение численные значения, определим радиус объема занимаемого диполями мюона:
см.
Далее, проведем расчет по определению радиуса пиона+ (мезона). Его энергия связи равна 10,416∙106 эВ. Количество занятых энергетических уровней: 273,13 /2 = 137.
Наиболее удаленный занятый энергетический должен иметь отрицательную четность.
Таковым может быть уровень с n = 8 и ℓ = 3, или возможно, учитывая вероятность большего количества незаполненных энергетических уровней, это может быть и n =8, ℓ =7. Для расчета примем среднее n =8, ℓ =5.
Подставим численные значения в уравнение и решив его определим радиус положительного заряженного пиона:
см.
Экспериментальные значения радиусов пи-мезонов имеют довольно значительный разброс: от 0,3∙10-13 до 0,78∙10-13 см [22, 11]. Расхождение в оценке численного значения экспериментальных оценок радиуса пи-мезонов довольно значительно, что затрудняет объективность сравнения с расчетными значениями (0,488∙10-13см).
В таблице 4 сведены результаты расчета радиусов по 27 различного типа элементарным частицам. При необходимости подобные расчеты можно провести для любой элементарной частицы, используя уравнения (9-16). Эти уравнения однозначно указывают, что составными частями любой элементарной частицы являются «партоны» с массой электрона (позитрона), несущие разнополярные единичные электрические заряды и имеющие спин равный 1/2 с положительной четностью. По совокупности всех перечисленных выше признаков эти «партоны» могут быть электронами и позитронами. В каком состоянии находятся эти составные части («партоны») в элементарной частице (возможно и в виртуальном) предстоит выяснить, но их явное присутствие в структуре элементарных частиц не вызывает сомнений и подтверждается согласием теоретически рассчитанных параметров с экспериментальными данными.
Неожиданным, но очень важным и весьма убедительным доводом в пользу высказанного выше, является отсутствие антимиров во Вселенной. Это можно объяснить тем, что уже на уровне элементарных частиц «мир совмещен с антимиром» и антимиров по этой причине недолжно быть, а электрон и позитрон единственные «истинно» частица и античастица. Все отмеченное выше требует пересмотра некоторых современных представлений не только в микромире, но и в астрофизике.
ЯДЕРНАЯ МИКРО СТРУКТУРА
Атомное ядро – квантовая система, состоящая из нуклонов (протонов и нейтронов). Отсутствие же фундаментальной теории внутриядерного (сильного) взаимодействия не позволяет последовательно описать взаимодействие даже между двумя нуклонами, не говоря уже о трудностях, возникающих при рассмотрении задачи трех и более взаимодействующих частиц. Эти трудности пытаются обойти путем введения различного рода потенциалов. Одним из таких методов, например, является метод Хартри-Фока-Боголюбова. Этот метод, по сравнению с другими, является наиболее фундаментальным методом приближенного решения ядерной задачи многих тел. Однако применение этого метода, как и других, встречает большие математические трудности, а также трудности в получении одновременно правильных значений энергии связи и радиуса ядра. Многими авторами [31, 33, 34, 35] размеры ядер связываются с количеством нуклонов, находящихся в нем и радиус определяется формулой:
R = r0 А1/3
где r0 – принимает значения от 1,17∙10-13 до 1,5∙10-13 см.
Экспериментальное значение радиуса ядер обычно связывают с плотностью составляющих его нуклонов. При этом используется зависимость плотности от расстояния r0 до центра ядра:
(r) =
Значение эффективного радиуса ядра принимается равным Rэф = Rо+в, где в - характеризует размытость границы ядра, различную для легких, средних и тяжелых ядер. В среднем значение (в) принимает порядка 0,5∙10-13см.
Возможно, на сегодня имеются и другие подходы к определению радиусов ядер, но в силу информационного «вакуума», авторам они неизвестны. Многовариантность и неоднозначность решений для многочастичной ядерной системы заставляет вести поиск для решения этой задачи более простым и надежным методом. Для многочастичной системы атома, как было показано в работе [25], эта задача успешно решена здесь уравнениями (16), (17) и т.д. Поскольку подобными параметрами характеризуется и ядерная система, запишем: А = Мя/Мн; Zэф = 1/8 α-1; Условия квантования как и для элементарных частиц или для атома выражаются через квантовые числа n, ℓ. [1, 36, 11]. C учетом сказанного, уравнение, описывающее ядерную систему, запишется:
Есв = ħc/e {[(Мя/Мн×1/8 α-1)/R]} [(n-1)+(ℓ+1)/n] (17)
Заметим, что приводимые выше и в работе [25] рассуждения, в обоснование уравнений для атомной и ядерной систем, не являются выводами их, а лишь помогают понять путь, приводящий к ним. По существу уравнения имеют феноменологический характер. Необходимо подчеркнуть, что заполнение нуклонами ядра наиболее удаленных от центра энергетических уровней определяется по экспериментальным данным спина и четности ядра. По ним же определяется и значение квантовых чисел n и ℓ [11, 37, 38]. На порядке заполнения нуклонами энергетических уровней ядра сказывается явление спаривания нуклонов [39]. Энергетический уровень, на котором находится нечетный протон, как уже отмечалось, определяется по экспериментальному значению спина и четности ядра. Как правило, нечетными протонами заполняются энергетические уровни не последовательно, по мере заполнения всех энергетических уровней, а с пропуском нескольких из них. При заполнении этого же энергетического уровня последующим четным протоном, образовавшаяся пара нуклонов немедленно переходит на свободный ниже лежащий энергетический уровень. Освободившийся энергетический уровень может вновь принять нечетный протон, образуя ядро последующего элемента. На то, что так происходит в действительности, четко указывают экспериментальные данные по определению спина и четности. Например, уже у легких ядер лития и бора спин и четность совпадают и равны 3/2ˉ. Это можно интерпретировать так: третий нечетный протон, присоединяясь к ядру гелия, начинает заполнять энергетический уровень 2 р, образуя ядро лития со спином и четностью 3/2ˉ. К третьему протону лития может присоединиться четвертый (четный) протон, образуя ядро бериллия, спин которого равен нулю. Если бы эти протоны (третий и четвертый) оставались в ядре бериллия на этом же 2р-уровне, то пятый (нечетный) протон бора не мог бы находиться на этом 2 р-энергетическом уровне. Однако, эксперимент дает значение спина и четности для бора равным 3/2ˉ, что соответствует уровню 2р. Такие же значения спина и четности имеют выше лежащий уровень 3р, но если бы протон заполнял этот энергетический уровень, то прирост энергии связи ядра был бы значительно меньшим, а радиус ядра большим. Подобная картина, подтверждающая явление спаривания, наблюдается, например, у скандия с ванадием. Нечетные протоны, у которых заполняет внешний энергетический уровень 4f со спином и четностью 7/2ˉ. Такое же явление отмечено для калия и мышьяка (4f, 3/2-), и, в свою очередь, у мышьяка и брома (4f, 3/2ˉ). Подобная картина наблюдается у родия, серебра (5р, 1/2ˉ), у лютеция и тантала (5g,7/2+) и так далее [38]. Все это убедительно показывает на существование эффекта спаривания и что спаренные протоны переходят на не занятый нижележащий энергетический уровень [33]. Этим можно объяснить несколько больший радиус ядер с нечетным числом протонов по сравнению с радиусом соседних ядер с четным числом протонов. Эта разница составляет (от 0,2 до 0,5)∙10-13cм. По мере формирования ядер образуется как бы «остов» ядра, (имеющий постоянную плотность) и периферийная часть ядра, где плотность постепенно спадает до нуля. Многие исследователи на основании экспериментов действительно считают, что распределение нуклонов в ядре, в его центральной части, имеет объем с постоянной плотностью нуклонов, окруженный наружной областью, на протяжении которой падает плотность до нуля [2, 31, 33]. Оговорив изложенные выше особенности строения ядра приведем несколько примеров расчета радиусов для ядер, находящихся в основном и возбужденном состоянии.
Расчет радиуса ядра удобно начать с атомного ядра гелия, содержащего два протона и два нейтрона. Протоны, по которым рассчитываются радиусы ядер (т.е. зарядовые радиусы) у гелия занимают энергетический уровень 1 s. Следовательно, квантовые числа будут иметь значение n=1, а ℓ=0. Энергия связи нуклонов в ядре гелия составляет 28,296∙106 эВ [38, 39]. Подставив эти данные в уравнение проведем расчет радиуса ядра гелия (при Zэф=1/8 α-1=17,129):
R = 6,582∙10-8(4×17,129/28,296∙106)∙1 = 1,594∙10-13cм.
Экспериментальное значение ядра гелия определены в пределах (1,61–2,08)∙10-13см. Таким образом, расчетное значение радиуса ядра гелия соответствует минимальному значению экспериментального радиуса. Экспериментальные значения радиусов ядер, здесь и далее, взяты из работ [36, 11, 39, 31, 34, 28, 35, 40], энергия связи из работ [38, 39].
Продолжим примеры расчета по определению радиуса из уравнения.
Для ядра 9F17, поскольку для него же будет рассмотрен пример расчета радиуса для возбужденных ядер.
В нормальном (основном) состоянии ядро изотопа фтора имеет энергию связи Есв = 128,22∙106 эВ, девятый протон ядра находится на энергетическом уровне 3d спин и четность которого 5/2+. Значение квантовых чисел для этого уровня: n=3, ℓ=2. Подставив в уравнение эти численные значения, решим уравнение относительно радиуса ядра:
R = 6,582∙10-8(17×17,129/128,22∙106)×3,000 = 4,484-13 см.
Рассмотрим решение уравнения для радиуса возбужденного ядра 9F17 при энергии возбуждения в 0,5∙106 и 5,1∙106 эВ. При энергии возбуждения в 0,5∙106эВ нечетный, девятый, протон ядра переходит с энергетического уровня 3d (n=3, ℓ=2) на энергетический уровень 4s (n=4, ℓ=0) со спином 1/2+. Энергия связи такого ядра составит: 128,22∙106 - 0,5∙106 = 127,72∙106 эВ. Для него радиус определится:
Rв= 6,582∙10-8(17×17,129/127,72∙106)×3,250 = 4,877∙10-13см.
При возбуждении ядра 9F17 на 5,1∙106 эВ девятый протон фтора переходит на уровень 4d c 3/2+, энергия связи ядра с таким возбуждением равна 123,21∙106 эВ, а радиус:
Rв=6,582∙10-8(17×17,129/123,21∙106)×[(4-1)+(2+1)/4]=5,833∙10-13
Данные по энергии возбуждения и энергетическим уровням взяты из работы [36].
У изотопа 9F19 в нормальном (в основном) состоянии энергия связи ядра равна 147,8∙106 эВ, протон находится на энергетическом уровне с n=3 и ℓ=0 со спином 1/2 +.
Из уравнения радиус такого ядра определится:
R=6,582∙10-8(19×17,129/147,8∙106)×2,333 = 3,381∙10-13см.
Рассчитанный радиус этого изотопа фтора вписывается в вилку экспериментальных значений радиуса от 2,76∙10-13 до 3,69∙10-13см.
На рис. 1, в виде вставки, приведен график радиусов изотопов ядра фтора и вынесены значения радиуса для возбужденных состояний семнадцатого изотопа фтора.
Рассмотрим еще один расчет радиуса для ядра урана 92U238. Энергия связи ядра Есв = 1801,74∙10 эВ, спин ядра равен нулю, четность положительная. Два внешних протона находятся на энергетическом уровне 5g (n=5, ℓ=4)
R=6,582∙10-8(238×17,129/1801,74∙106)×[(5-1)+(4+1)/5] = 7,446.10-13см.
Экспериментальное значение радиуса ядра урана определено в пределах от (7,34–7,60)∙10-13см.
Примеры расчетов радиусов можно было бы продолжить, но это ничего принципиально нового к методике не добавит. Из 58 ядер, для которых известны, из различного рода источников, экспериментальные данные по численным значениям радиусов ядер, расчетные значения попали в вилку экспериментальных значений в 14 случаях (24%), в 27 случаях отклонения имели место ±5%, в 12 случаях до ±10% и более 10 % в 5 случаях. Таким образом, подавляющее большинство расчетных численных значений ядерных радиусов имеют расхождения не более чем на 10 %, от экспериментальных, в 53 случаях из 58. Безусловно, это говорит о довольно высокой надежности уравнения.
Результаты расчетов по радиусам ста трех атомных ядер таблицы Менделеева вынесены на график (рис.1) и сведены в таблицу 5. Отметим, что радиусы ядер определялись разными экспериментальными методами: альфа и бета распадам, по рассеянию быстрых нейтронов и электронов, по спектрам мюонных атомов. По результатам различных экспериментов многими авторами [31, 33, 35, 39] было признано, что объем ядра пропорционален числу нуклонов образующих ядро:
R= r0 А1/3.
Численное значение r0 для каждого метода имеет своё значение (1,2-1,5)∙1013cм. Расчеты радиусов изотопов из уравнения показывают, что формула А1/3 независимо от численного значения r0, не является справедливой для радиусов изотопов. К подобному выводу пришли и некоторые исследователи, в частности это четко изложено в работе [34].
Далее, на чем необходимо остановиться, это на проявляемой периодичности в поведении расчетных радиусов ядер. В отличии от плавной кривой увеличения численных экспериментальных значений радиусов, по мере роста заряда ядра, расчетные радиусы ядер имеют четко выраженный ступенчатый характер. Каждый период начинается небольшим скачкообразным увеличением расчетного радиуса. Кроме того, для нечетных по протонам ядер наблюдается увеличение радиусов по сравнению с четными по протонам ядрами.
В заключение этого раздела отметим, что уравнение позволяет получать аналитическое решение для любого из шести параметров ядра, независимо от количества содержащихся в нем нуклонов и состояния ядра. Для уравнения не существует проблемы многочастичности.
Более того, показана возможность одним уравнением описать как систему элементарных частиц, относимых к слабому взаимодействию, так и ядерную, относимую к сильному взаимодействию, а так же, как будет показано ниже, и атомную систему, относящуюся к электромагнитному взаимодействию. При этом, общим для всех этих систем в уравнении была постоянная взаимодействия ħc/e и эффективный заряд.
Примечательно и то, что эффективный заряд для ядра, представителя сильного взаимодействия, равен обратной величине постоянной тонкой структуры, которая характерна для электромагнитного взаимодействия, а заряд для элементарных частиц – постоянная тонкой структуры.
Впервые ядерные силы описаны с применением параметров, относящихся к электромагнитному взаимодействию, что может указывать на изначальную электромагнитную природу взаимодействия, носящего название сильного.
АТОМНАЯ МИКРОСИСТЕМА
Рассмотрим возможности уравнения записанного ранее, в разделе «Радиус протона и других элементарных частиц» применительно к атомной микросистеме.
Взаимодействие между ядром атома с электронами электронной оболочки атома происходит с выделением энергии связи. Численное значение энергии связи из экспериментов известно для любого атома. Поэтому, для теоретического расчета атомного радиуса можно применить, выше упомянутое, уравнение для определения радиуса атома, в пределах объема которого находятся составляющие атом части:
Rа= ħc/e (А ∙ Zэф /Есв) × [(n – 1) + (ℓ + 1)/n)] (18)
где Rа – радиус объема, в котором находятся все составные части атома, см;
ħ - постоянная Планка;
с - скорость света;
е - элементарный заряд;
А= Мя ∕Мн - масса ядра к массе нуклона;
Zэф – количество электронов в электронной оболочке атома;
Есв - энергия связи электронов с ядром;
n - главное квантовое число;
ℓ - орбитальное квантовое число.
Записанное уравнение справедливо для любого атома: нейтрального, находящегося в нормальном состоянии, находящегося в возбужденном состоянии, для иона любой зарядности или степени ионизации, а так же входящего в молекулу или в кристаллическую решетку.
Ниже приводятся примеры решения уравнения для различных состояний атомов.
Рассмотрим решение уравнения для свободного нейтрального, находящегося в нормальном состоянии, атома олова (50Sn120).
Энергия связи электронов данного изотопа олова с его ядром, по данным работы [44], составляет 103 488 эВ. Последний, наиболее удаленный от центра (ядра), заполняемый электронами энергетический уровень (5 р2) имеет значение n=5 и ℓ=1. Количество составных частей ядра (нуклонов):
А = Мя /Мн = 120, а Zэф = 50.
Располагая этими параметрами, решим уравнение относительно радиуса олова:
Rа=6,582∙10-8эВ см (120×50∕103 488 эВ)[(5–1)+(1+1)/5] =
=1,679∙10-8см.
Для нейтрального, но возбужденного, атома энергия связи уменьшается на величину энергии возбуждения, а значения квантовых чисел n и ℓ определяются по электрону (электронам), находящемуся на возбужденном (наиболее удаленном от ядра) энергетическом уровне [42].
Пример для возбужденного атома удобно рассмотреть на атоме водорода. Для перехода электрона атома водорода с основного энергетического уровня 1s на энергетический уровень 2р требуется энергия возбуждения в 10,2 эВ. При этом энергия связи возбужденного электрона с ядром атома составит 13,595 эВ – 10,2 эВ = 3,4 эВ, а значения квантовых чисел энергетического уровня 2р будет соответственно n = 2, а ℓ = 1 [1]. Решая уравнение, определим радиус возбужденного атома водорода:
Rвоз = 6,582∙10-8 эВ см (1×1 ∕3,4эВ)×2 = 3,872∙10-8 см.
Сравнить расчетные значения свободных нейтральных, не связанных в какое-либо соединение, атомов с экспериментом не представляется возможным из-за отсутствия последних. (Это же относится к свободным нейтральным, но возбужденным атомам). Поэтому полученные для них расчетные значения радиусов можно отнести к теоретическим предсказаниям.
Как правило, экспериментальные определения радиусов производятся по межъядерным расстояниям в молекулах или кристаллических решетках. Проведем расчет межъядерного расстояния для SnCι4, используя уравнение (18)
Энергия атомизации для соединения SnCl4 равна 4,28 эВ, а длина связи (межъядерное расстояние) по разным источникам (2,28 - 2,42)∙10-8 см [48]. В большинстве соединений олово находится в четырех валентном состоянии, а хлор, имея весьма широкий диапазон валентности (от 1 до 7), в этом соединении одновалентен. Атом олова в соединении с хлором четырехвалентен, а его четыре валентных электрона занимают энергетические уровни с n=5, а не валентные электроны энергетический уровень с n=4, ℓ=2 и все нижележащие, образуя как бы остов.
Энергия связи электронов атома олова с ядром равна 103 488 эВ плюс приходящаяся на атом олова энергия атомизации равная 4,28 эВ деленная на пять образующих молекулу атомов, то есть 103 488 эВ+ 0,86 эВ = 103 489 эВ.
Радиус остова из не валентных электронов атома олова из уравнения (18):
Rост = 6,582∙10-8 (120×46∕103489) × [(4-1)+(2 +1) ∕4] = 1,316∙10-8 эВ.
Напомним, что радиус нейтрального, находящегося в нормальном состоянии атома олова, из того же уравнения (18), равен 1,679∙10-8см. У хлора один валентный электрон находится на энергетическом уровне с n=3 и ℓ=1. Оставшиеся не валентные электроны (остов) так же занимают этот энергетический уровень. Энергия связи электронов атома хлора с ядром увеличивается так же на 0,86 эВ и составляет 7 459 эВ+0,86 эВ = 7 460 эВ. А=35, Zэф=16.
Подставив исходные параметры в уравнение (18) получим:
Rост= 6,582∙10-8(35 × 16 ∕7 460) × [(3- 1)+(1 + 1)/3)] =
=1,317∙10-8 см.
Суммируя расчетные радиусы остовов олова и хлора, определим расчетное значение межъядерного расстояния в этой молекуле:
1,079∙10-8 см + 1,317∙10-8 см = 2,396∙10-8 см,
что на 0,024∙10-8см. меньше максимального экспериментального значения межъядерного расстояния равного 2,42∙10-8 см (или на 1%).
В качестве еще одного примера определения межъядерного расстояния рассмотрим молекулу PH3. Из эксперимента известно, что энергия связи трех атомов водорода с атомом фосфора равна 3.55 эВ, а межъядерное расстояние между ядром атома фосфора и ядром атома водорода составляет 1,43.10-8 см [44].
Из уравнения (18) оценим значение радиуса водорода: (зная, что Есв для РН3 равна 14,482 эВ).
Rн = 6,582∙10-8(1 × 1/ 14,482)×1 = 0,454∙10-8 cм.
Радиус трех валентного фосфора при: Есв = 5 548 эВ+0,89 эВ = 5,549, А=31, Zэф = 15-3 =12 и n = 3, ℓ = 0, составит:
Rр = 6,582∙10-8(31×12/5549)[(3-1)+(0+1)/3] = 1,029∙10-8 см.
Расчетное межъядерное расстояние между ядром атома фосфора и ядром атома водорода в этой молекуле будет равно 1,029∙10-8 cм + 0,454∙10-8 см = 1,483∙10-8 см.
Разница между расчетом и экспериментом составила 1,483∙10-8см – 1,430.10-8 см = 0,053.10-8 см, или это составит 0,012 %
В качестве следующего примера приводится расчет радиуса ионизированного атома.
Для семикратно ионизированного атома фтора (F7+) эффективный заряд равен 9–7=2. Энергия связи оставшихся на энергетическом уровне 1s двух электронов, согласно [45], составит 935 эВ×2=1 870 эВ, А=19, n=1, ℓ=0:
Rион = 6,582∙10-8 (19 × 2 ∕1 870) × 1 = 0,134∙10-8 см.
По данным различных литературных источников, радиус этого иона определен от 0,07∙10-8 cм до 0,19∙10-8см [45, 46, 22].
Как видим значение 0,134∙10-8 см. лежит в пределах экспериментально определенных значений радиуса F7+. Подобным образом могут быть рассчитаны радиусы отрицательно заряженных ионов. Так, для однозарядного отрицательно заряженного иона хлора, избыточный электрон (18-й) которого находится на энергетическом уровне 4s (n = 4, ℓ = 0 ), А = 35, Zэф = 18, Есв= 7 478 эВ радиус иона:
Rион = 6,582.10-8(35×18 ∕ 7 478)[(4–1)+(0+1)∕4] = 1,802∙10-8эВ,
что численно совпадает с экспериментальным значением радиуса для этого иона, равным 1,81∙10-8см [22].
Необходимо отметить, что наряду с хорошей сходимостью подавляющего большинства расчетных значений атомных радиусов с экспериментом, имеются и расхождения с расчетными. Это относится к щелочным и щелочноземельным атомам: K, Rb, Cs, Fr и Cа, Bа, Rа. Эти расхождения составляют от 13 до 36 %. Если для этих атомов применить «правило» увеличения главного квантового числа на единицу, то эти расхождения резко уменьшаются до 8 %.
Численное увеличение главного квантового числа в этом случае может означать:
а) наличие лишнего электрона в электронной оболочке атома,
б) неверно определено значение n,
в) атом находится в возбужденном состоянии.
Было проведено 469 расчетов по определению радиусов атомов, находившихся в различных состояниях и межъядерных расстояний в различных молекулах. Сравнение вычисленных теоретических значений с экспериментальными, показало, что в 398 случаях (84,9%) вычисленные теоретические значения совпадают, или, имеют расхождения с экспериментом до 5%. В 48 случаях эти расхождения составляют от 5 до 10 %. В 13 случаях от 10 до 15%, а если принять «правило» о котором говорилось выше, то лишь в семи случаях расхождения доходили до 8%.
На графике (рис.2) и на рис.3 вынесены эмпирические значения радиусов из различных литературных источников [44-53]. Как правило, численные значения радиуса для одного и того же атома (элемента), имеют довольно значительный разброс, поэтому эмпирические радиусы изображены на графике (рис.2) и рис.3 в виде сплошной линии, от минимального до максимального численных значений. На графике (рис.2) вынесены также рассчитанные из уравнения (18) радиусы свободных, находящихся в нормальном состоянии, нейтральных атомов. Здесь же вынесены и радиусы необобществленных (невалентных) электронов атомов, рассчитанные для различных валентных состояний. Результаты расчетов радиусов, как для свободных, так и для валентных атомов, сведены в таблицу 6. При этом необходимо отметить, валентные радиусы по существу являются радиусами объема, внутри которого находятся все необобществленные в молекулу электроны атома, так называемый «остов» из невалентных электронов. Рассчитанные из уравнения радиусы атомов различной валентности также вынесены на график (рис.2) и очень хорошо отражают характер поведения эмпирических радиусов, что очень убедительно подтверждает надежность уравнения.
Заключая, отметим, что результаты, изложенные выше, по количественным и качественным сравнениям, позволяют с большой уверенностью говорить о высокой степени достоверности уравнения в описании квантовой атомной микросистемы, имеющей электромагнитную природу взаимодействия между ядром и электронами, находящимися в электронной оболочке атома.
Следует отметить также, что уравнение (18) имеет аналитическое решение для любой многочастичной атомной микросистемы.
Таким образом, снята проблема приближенного решения многочастичной задачи для этого класса микроструктур.
ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
Кроме электромагнитного излучения, не имеющего массы покоя, принято считать, что существует ещё одно не имеющее массы покоя – гравитационное. Все эксперименты по гравитации и расчеты конкретных гравитационных эффектов относятся к слабому гравитационному полю макросистем. Поэтому, совершенно очевидно, что для любого варианта теории гравитации эти хорошо установленные результаты, применяются в качестве экспериментальной основы. У теории гравитации нет такой богатой экспериментальной основы, как у других теорий. Причина этого в малой интенсивности гравитационного взаимодействия. Особенно это относится к микросистемам. Ни для атома, ни для ядра, ни тем более, для элементарных частиц экспериментальных данных по гравитационному взаимодействию между их составными частями не имеется.
Это и понятно, так как по существу квантовая теория гравитации, для квантовых микросистем, окончательно не создана и носит чисто теоретический характер, не опирается на лабораторные исследования и астрономические данные [14]. Несмотря на это обескураживающее обстоятельство, предпринимается попытка продвинуться в описании гравитационного взаимодействия для квантовых микросистем - атома, ядра и элементарных частиц.
Прежде всего, проведем сравнение свойств присущих гравитационному и электромагнитному излучениям. На сегодня известно:
1. Скорость распространения этих излучений равны и составляют 2,998.1010 см/сек. Поэтому ни фотон, ни гравитон не имеют массы покоя[55].
2. Численное значение гравитационной постоянной G = 6,672∙10-8 практически совпадает с численной постоянной ħc∕e = 6,582∙10-8 электромагнитного излучения.
3. Гравитационные волны поперечны, как и электромагнитные.
4. Гравитационные волны переносят энергию и импульс, как и электромагнитные.
5. Не существует вида материи, который бы имел нулевой гравитационный «заряд», как не существует и вида материи, который бы имел подобный нулевой электромагнитный «заряд» [14]
6. Гравитационный заряд пропорционален массе тела, как и электромагнитный заряд (c учетом дипольного строения материи).
7. Обязательное наличие гравитационного заряда в материи обеспечивает гравитационное взаимодействие, как и наличие электромагнитного заряда, обеспечивает электромагнитное взаимодействие:
е2гр= G × mо = 6,672·10-8 × 1,109·10-28 = 7,399.10-36.
После извлечения квадратного корня егр = 2,72.10-18
е2эм = (ħc/е)×mо = 6,582∙10-8 × 1,109·10-28 = 7,299.10-36.
После извлечения квадратного корня еэм = 2,70.10-18.
Здесь необходимо отметить, что хотя численное значение «гравитационного заряда» равно «заряду электромагнитному», но по энергии взаимодействия каждый в своей области, они значительно отличаются, как 1 к 10 39.
8. Выводы общей теории относительности однозначно указывают на то, что переменное электромагнитное поле в определенных условиях способно излучать гравитационную радиацию в такой же мере, как и вещество. «Этот процесс трансформации энергии обратим, то есть гравитационные волны способны генерировать волны электромагнитной природы» [55]
9. «Естественным следствием взаимодействия гравитационных и электромагнитных полей, является процесс превращения фотонов в отдельные гравитоны во внешних электромагнитных и гравитационных полях, то есть фотон участвует и в гравитационном взаимодействии» [55].
10. «Существуют и другие физические процессы, которые в принципе способны давать гравитационное излучение. К ним относятся, например, процесс аннигиляции, при котором могут рождаться свободные гравитоны» [55].
11. И, наконец, еще один очень серьезный довод, который невозможно игнорировать. По мнению известного специалиста по общей теории относительности Меллера: из-за того, что полный поток энергии, переносимый гравитационными волнами, равен нулю, «гравитационная волна как физическое явление в природе вообще, возможно, отсутствует».
12. Тяжелая гравитационная масса строго пропорциональна инертной не только по массе, но и по содержанию в той и другой массах электрических зарядов, как по количеству, так и по полярности (+ и –). Таким образом, закон пропорциональности справедлив не только по равенству масс, но и по равенству содержащихся в них элементарных электрических зарядов. А это характерно и для электромагнитного взаимодействия.
13. Пожалуй, единственно, в чем не совпадают свойства кванта гравитации с квантом электромагнитного взаимодействия, так это в спинах, переносчиков взаимодействий. Фотон – квант электромагнитного взаимодействия (поля), масса покоя его равна нулю, спин равен ±1. Гравитон - квант гравитационного взаимодействия (поля), масса покоя равна нулю, но спин равен ±2.
Следует заметить, что экспериментально гравитон не обнаружен и спин определен из чисто теоретических соображений.
Обобщая отмеченные выше свойства гравитационного излучения и сравнивая с электромагнитным, неизбежно приходим к выводу о единой электромагнитной природе «гравитационного взаимодействия». К тому же добавим, что универсальная постоянная, используемая в уравнениях для сильного, электромагнитного и слабого взаимодействий: ħc/e = 6,582·10-8 по численной величине практически равна постоянной гравитационного взаимодействия G = 6,673·10-8.
Это обстоятельство подтверждает единство природы всех взаимодействий. Безусловно, эта универсальная постоянная должна присутствовать в уравнении, описывающем гравитационное взаимодействие, как макромира, так и микромира. Более того, сравнение свойств двух видов взаимодействий показало полную идентичность их, за исключением спина (теория предсказывает гипотетический спин 2 для гравитационного взаимодействия). Однако, великий гений Ньютона создал уравнение, отражающее именно электромагнитную природу гравитации:
Fгр = G дин см2 г-2 × (m¡·mj)/r2.
Но если вместо экспериментального значения G принять теоретическое значение равное ħc/e = 6,582·10-8с размерностью дин см2 г-2, оставив остальные параметры в уравнении без изменений, то уравнение примет вид:
Егр = (ħc/e) дин см2 r-2×(m¡ × mj)/r- (19 )
Отличие численного значения гравитационной постоянной G от значения, получаемого от ħc/е можно объяснить неточностью экспериментального определения гравитационной постоянной. Но не надо сбрасывать со счета неточности в определении значений ħ, c, е, что также может сказаться на несовпадении численных значений. Но, вероятно, разумнее использовать чисто теоретическое (точное) значение равное 6,582·10-8 вместо 6,673·10-8 [27,54].
Как отмечалось ранее, квантом энергии электромагнитного излучения является величина в 6,582·10-16 электронвольт. Поскольку скорость распространения гравитационных волн равна скорости электромагнитной волны, то эта величина является наименьшим значением энергии и для нее. Например, гравитационное взаимодействие возникает в том случае, если две массы весом по 2,83·10-14 г каждая приблизится друг к другу на расстояние 5∙10-8 cм.
Есв=6,582∙10-8дин см2г-2×(2,83∙10-14г ×2,83∙10-14г)/5∙10-8см=
=10,543·10-28эрг/1,602∙10-12эрг = 6,581∙10-16эВ.
Наоборот, гравитационное взаимодействие между массами прекращается, если расстояние между ними становится таковым, что энергия связи становится меньше кванта энергии (6,582·10-16 эВ). Например, две массы по 5 грамм (каждая) находятся на расстоянии 3·1022 сантиметров. На этом расстоянии энергия связи между ними составит:
Есв= 6,582·10-8дин см2 г-2×(5г×5г)/3·1022см =
54,85∙10-30эрг/1,602∙10-12эрг = 3,424 · 10-17 эВ.
Поскольку энергия гравитационного взаимодействия между этими телами менее кванта энергии, поэтому оба тела находятся в свободном состоянии (не связанными силами гравитации). Зная численное значение кванта энергии электромагнитного излучения можно точно рассчитать (зная массы взаимодействующих тел, систем и т.д.) расстояние, на котором эти массы начнут взаимодействовать между собой или, наоборот, перестанут взаимодействовать. Напомним, численное значение кванта электромагнитного взаимодействия (энергии) определяется через:
Екв= ħ· при = 1Гц
Приведенные примеры показывают, в каком диапазоне действуют гравитационные силы, но точнее эти силы можно называть «гравитационные силы», имеющие единую природу взаимодействия. Как уже отмечалось, энергия электромагнитного излучения квантуется через 6,582·10-16 эВ. Имея ограничение энергии излучения снизу, она не имеет ограничений сверху. Поскольку фотон ( гравитон ) является бозоном, он может находиться в данном ограниченном объеме в любом количестве, так трактует квантовая физика. А это значит, что энергия суммы фотонов может быть неограниченно велика, следовательно, и энергия «гравитационного» взаимодействия между ними может быть также неограниченно большой. В этом случае появляется возможность образования «черной материи», «черной дыры», сингулярности в отдельной Галактике с последующим «Большим взрывом» этой сингулярности. Подобное в настоящее время, вероятно, происходит с галактикой NGC 3034.
Диффузионная материя, связанная с ядром галактики, распространилась во все стороны от ядра до 3 кпс, со скоростью порядка 1000 км/с. Это позволяет прийти к заключению, что в ядре произошёл взрыв около полутора миллионов лет назад. Общая масса выброса материи составила порядка 5-6 млн. солнечных масс. Через десять-пятнадцать млн. лет исчезнут последние признаки взрыва ядра этой галактики. Общие черты с галактикой NGC 3034 наблюдаются у многих ей подобных. Все они, как правило, содержат много темной материи. Имеются все основания считать, что у некоторых из них могут быть обнаружены гигантские взрывы, исходящие из ядра (сингулярности) [58].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе предложены уравнения имеющее аналитическое решение для многочастичных квантовых микросистем находящихся в любых, возможных для них, состояниях (атома, ядра, элементарной частицы), это уравнения (4-18). Этими же уравнениями решена проблема многих тел, в то время как она не решена в классической механике. Поставленная строго в квантовой механике, она до сих пор не допускала численного решения.[56].
Предложены уравнения, решения которых позволяют определять теоретические массы покоя и энергии связи для протона и электрона, а также возможные значения этих параметров для других элементарных частиц.
Достоинством предложенных уравнений является то, что они одинаково хорошо применимы для атома, ядра или любой другой элементарной частицы. Все виды взаимодействий описываются через “квант взаимодействия” и “эффективный заряда”, выражаемый через постоянную тонкой структуры. Это позволяет однозначно утверждать о единой природе взаимодействия, лежащей в основе всех видов взаимодействий. Как следствие напрашивается вывод: составными частями элементарных частиц (протона, нейтрона, мезона и т.д.) являются электрон-позитронные пары, с присущими им элементарными электрическими зарядами.
Количество элементарных зарядов в данной массе покоя определяется соотношением массы данной частицы к массе покоя. Не существует массы покоя без электрических зарядов. Масса покоя может нести равное количество элементарных положительных и отрицательных зарядов и, в этом случае, заряды будут скомпенсированы. При избытке того или иного знака заряда, масса покоя будет иметь избыточный заряд.
Электромагнитное излучение, не имеющее массы покоя, также несет кванты скомпенсированных электрических зарядов, величиной зависящей от частоты излучения. Утверждения, что та или масса покоя или электромагнитное излучение не несут электрического заряда, по крайней мере, не точны. В этом случае можно говорить лишь о том, что заряды этой массы или данного излучения скомпенсированы и не могут, пока, экспериментально подтверждены.
Установлена структурная причина равенства элементарных электрических зарядов электрона и позитрона в любом образовании микро - и макромира.
Поскольку все элементарные частицы, имеющие массу покоя, состоят из электрон-позитронных пар, можно утверждать о квантовом характере массы покоя через квант численно равный массе покоя электрона, а также и о квантовании электрического заряда через элементарный заряд (е) сопутствующий массе покоя электрона(позитрона).
Отсутствие антимиров можно объяснить тем, что уже на ранней стадии Вселенной особую роль играло рождение электрон-позитронных пар, и в этот период, после раскрытия сингулярности была симметрия между электронами и позитронами. На последующих стадиях развития из электрон-позитронных пар образовались элементарные частицы, объединив в себе «мир» и «антимир». В силу этого нет смысла искать галактики или другие образования из антиматерии.
В определенном смысле доказательством, что электрон-позитронные пары являются «строительным кирпичиком» элементарных частиц, служит факт распада всех нестабильных частиц, в конечной цепочке распада на электрон, позитрон, нейтрино (антинейтрино) и гамма-кванты.
В работе показана применимость гравитационного уравнения Ньютона в условиях электромагнитной природы взаимодействия (условия применимости).
В заключение отметим, что основную роль в структуре мироздания берут на себя электрон-позитронные пары, как первичный строительный материал материи имеющей массу покоя. По образному сравнению: по сути дела, эти кирпичики сами для себя вырабатывают еще и цемент скрепляющий их. Отношение плотности электромагнитного излучения к плотности материи, имеющей массу покоя, составляет десять в девятой степени к единице и надо полагать, что энергия связи у этой составляющей мироздания будет не менее чем «цемента» у материи с массой покоя.
Очень краткую, но наглядную информацию несет запись в таком виде:
Есв = ħc/е [(А × Zэф)/R][(n – 1) + ( ℓ + 1)/n ],
где для электрона: А= mо/mо; Zэф=1/2α2
для диполя: А =2mо/mо; Zэф = 1/4α
для элементарных частиц: А =Мч/mо; Zэф = 1/2α
для ядра: А = Mя/Mн; Zэф= 1/8α-1
для атома: А = Мя/Мн; Zэф= Z
для гравитации: А =Мi× Мj ; Zэф= 1
Анализ уравнения приводит к следующим выводам:
1. Постоянная ħc/e = 6,582·10-8 эВ·см – “квант взаимодействия”, численная величина которого постоянна, независимо от вида взаимодействия (слабого, сильного, электромагнитного или гравитационного). Численное значение кванта взаимодействия не зависит и от других параметров, входящих в уравнение (R, М, mо,Zэф, Есв, квантовых чисел n и ℓ).
2. Zэф- “эффективный заряд”, определяется через постоянную тонкой структуры или через её обратную величину, независимо от вида взаимодействия, характеризуя единство “CИЛ” любых взаимодействий. Численное значение эффективного заряда зависит от радиуса объёма, в котором находятся взаимодействующие составляющие данной микроструктуры – от объемной плотности заряда.
Обобщая: ПРИРОДА ВСЕХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ЕДИНА.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Вихман Э. Квантовая физика. Том 4. – М.: Наука, 1977.
2. Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. – М.: Мир, 1979.
3. Мэрион Дж. Б. Физика и физический мир. – М.: Мир, 1975.
4. Крауфорд Ф. Волны. – М.: Наука, 1976.
5. Джеммер Д. Эволюция понятий квантовой механики. – М.: Наука, 1985.
6. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. Т.3. – М.: Наука, 1970.
7. Компанеец А.С. Что такое квантовая механика? – М.: Наука, 1977.
8. Ленг К. Астрофизические формулы. –М.: Мир. Т.2, 1978.
9. Советская энциклопедия. Т.5. – М.: Наука, 1966.
10. Кампфер Ф. Путь в современную физику. – М.: Мир, 1972.
11. ШироковК.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. – М.: Наука, 1980.
12. Кендалл Г.В., Пановский В.К.Г. Структура протона и нейтрона // Сборник переводов «Над чем думают физики». – М.: Наука, 1973.
13. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Т.2. Физика элементарных частиц. – М.: Атомиздат, 1974.
14. Физическая энциклопедия. Т. 1 – М.: Советская энциклопедия,1988.
15. Большая Российская энциклопедия. – М.: ФЭ. Т.3, 1992.
16. Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. – М.: Наука, 1977.
17. Советская энциклопедия. – М.: ФЭС, 1983.
18. Бонди Г. Гипотезы и мифы в физической теории. – М.: Мир, 1972.
19. Cпроул С. Современная физика. – М.: Наука, 1974.
20. Парселл Э. Электричество и магнетизм. – М.: Наука. БКФ. Т.2, 1975.
21. Смородинский А.Я. Родственники фотона. – М.: Знание. Серия физика, 1986.
22. Таблицы физических величин. Справочник. – М.: Атомиздат, 1976.
23. Иванов Ю.А., Иванов О.Ю. Массы покоя, энергия связи и радиусы элементарных частиц // Сборник Депонированные научные работы. – Алматы, 2000. Выпуск 1.
24. Спроул Р. Cовременная физика. –М.: Наука, 1974.
25. Иванов Ю.А., Иванов О.Ю. Уравнение взаимодействия ядра с электронами атома // Сборник «Депонированные научные работы». – Алматы, 1995. Выпуск 3.
26. Иванов Ю.А., Иванов О.Ю. Феноменологическое уравнение для энергии связи и радиуса ядра на основе эффективного заряда. // Сборник «Депонированные научные работы». – Алматы, 1999. Выпуск 5-6.
27. Иванов Ю.А., Иванов О.Ю. Уравнение гравитационного взаимодействия для квантовых микросистем // Сборник «Депонированные научные работы». – Алматы, 2000. В 2.
28. Айзенберг И., Грайнер В. Модели ядер. Коллективные и одночастичные явления. – М.: Атомиздат, 1975.
29. Новожилов Ю.В. Элементарные частицы. – М.: Наука, 1974.
30. О систематике частиц. Атомы, ядра, элементарные частицы. – М.: Атомиздат, 1969.
31. Элтон Л. Размеры ядер. – М.: ИЛ, 1962.
32. Гулькаров И.С. Исследование ядер электронами. – М.: Атомиздат, 1977.
33. Айзенберг И., Грайнер В. Модели ядер. Коллективные и одночастичные явления. – М.: Атомиздат, 1975.
34. Гулькаров И.С. Исследование ядер электронами. – М.: Атомиздат, 1977.
35. Лукянов Б.К., Поль Ю.П. Упругое и не упругое рассеяние электронов. – М.: Атомиздат. ЭЧАЯ. Т.5.Выпуск 4, 1974.
36. Бор О., Миттельсон Б. Структура атомных ядер. – М.: Мир, 1971. Т.1.
37. Валантен Л. Субатомная физика. Ядро и частицы. 1. Элементарный подход. – М.: Мир, 1986.
38. Немец О.Ф., Гофман Ю.В. Справочник по ядерной физике. – Киев: Наукова думка,1975.
39. Валантен Л. Субатомная физика: ядра и частицы. 2. Дальнейшее развитие. – М.: Мир,1986.
40. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Т.1.Физика атомного ядра. – Москва. Атомиздат, 1974.
41. Зигбан К., Нордин К. и др. Электронная спектроскопия. – М.: Мир. 1971.
42. Борн М. Атомная физика. – М.: Мир, 1970.
43. Периодическая таблица Д.И. Менделеева. – М., 2006.
44. Лидин Р.А. Справочник по неорганической химии. – Ленинград: Химия, 1987.
45. Свойства элементов. Ч.1. Физические свойства. – М.: Металлургия, 1976.
46. Краткий справочник физико-химических величин. – Ленинград: Химия, 1972.
47. Щербина В.В. Геохимическая таблица. – М.: Недра, 1973.
48. Татевский В.М. Строение молекул. – М.: Химия, 1977.
49. Дей К., Селбин Д. Теоретическая неорганическая химия. – М.: Химия, 1976.
50. Cайто К. Химия и периодическая таблица. – М.: Мир, 1982.
51. Князев Д.А. Неорганическая химия. – М.: Высшая школа. С.149-400.
52. Соколовская Е.М. Общая химия. – М.: МГУ, 1980.
53. Лучинский Г.П., Семешин А.И. Курс химии. Ч.2. – М.: Высшая школа, 1972.
54. Иванов Ю.А., Иванов О.Ю. Единое электромагнитное взаимодействие // Сборник «Депонированные научные работы» Выпуск 4. – Алматы, 2001.
55 Писарев А.Ф. Гравитационные волны. – М.: Знание, 1976.
56.Компанеец А.С. Что такое квантовая механика. – М.: Наука,1977.
57.Дж.Орир.Физика. Т.2.– М.: Мир, 1981.
58.Агекян Т.А.Звезды Галактики Метагалактики. – М.: Наука, 1982.