SUMMARY. In atomic nuclei, quarks neighboring nucleons associated in groups that contain from 2 to 6 quarks (mostly - 3 quark). Nuclear forces binding nucleons in a nucleus, formed by the electrostatic interaction between the quarks that make up these groups.
This paper is based on the following hypothesis regarding the structure of nucleons. Each nucleon has the form of a tetrahedron of size ~ 0.8 fm. In the 3 vertices of a tetrahedron are the quark charges +2/3 and -1/3. In the fourth vertices and edges of the tetrahedron have charges, induced charges, which are located in the remaining 3 vertices.
This model of the nucleon is almost identical to the model of the nucleon in the Standard Model. According to the Standard Model, the quarks are located at the ends of the 3-gluon jets, which are connected at one point. This point corresponds to the fourth vertex of a tetrahedron, while the three gluon jets are 3 edges of the tetrahedron, which connect this vertex with the other three vertices of a tetrahedron, which are the quarks.
The physical reason for the fact that nucleons have the form of a tetrahedron, will be considered in a separate paper (partially, this explanation can be found at http://www.proectiv-cosmology.narod.ru). In general, the reason lies in the fact that nucleons are built on the surface, which in mathematics is called "Boy's surface", and the tetrahedron is a graphic representation of "Boy's surface".
In this paper, a model of the nucleon in the form of a tetrahedron is taken as a hypothesis.
The purpose of the work - to show that each nucleon structure consisting of a number of these tetrahedrons, connected by their vertices. The physical nature of the connection - is the electrostatic attraction of unlike charges.
Paper consists of 2 parts:
I. estimate the energy of interaction vertices of tetrahedrons,
II. model description and explanation of some physical phenomena.
I. Thus, we assume that each nucleon is a tetrahedron, whose edges have the value of a ~ 0.8 fm. In the 3 vertices of a tetrahedron are the quark charges: in the tetrahedron-protons (+2/3, +2/3, -1/3), and tetrahedron-neutrons (+2/3, -1/3, -1/3). The location of the charges at the vertices is symmetric, and the distance from the charge of each of the 3-face is equal to r ~ 0.03 fm.
We estimate the interaction energy of two oppositely charged vertices, when the distance between the charges has a minimum value 2r ~ 0.06 fm. This energy is equal to W ~ 2/3e × 1/3e / 0,06 ~ 5 MeV (e - electron charge).
This connection between two vertices of the tetrahedron will be called 2-node. The charge of 2-node is equal to +1/3. Can also be generated 3-node, which is obtained by combining the 2-node with the vertex, which has charge -1/3. The charge of 3-node is equal to zero.
The interaction energy of charges in a 3-node consists of the energy of the two 2-nodes and negative correction that takes into account the repulsion of charges -1/3 and -1/3. Negative correction has a minimum value when the charges are placed symmetrically with respect to the charge +2/3: in this case, the value of correction will be a 2 × 2 = 4 times smaller than the energy of the 2-node (one of the charges in 2 times smaller, and the charges are 2 times below). As a result, we find the energy of the 3-node: (2 × W - 1/4 × W) ~ 8,7 MeV.
For each quark binding energy of 3-nodes has values 8,7 / 3 ~ 2.9 MeV. However, each nucleon has 3 quarks, so the energy per nucleon is equal to 3 × 2,9 ~ 8,7 MeV. This value is coincident with the nucleus in the middle of the periodic table.
This assessment shows that the electrostatic energy of interaction between quarks belonging to neighboring nucleons, it is sufficient to create sustainable designs. Elements of these designs are fastened as strongly as the nucleons in atomic nuclei.
In this model, the nuclei are the "openwork" structure, composed of these tetrahedrons. Tetrahedrons compound is carried out due to attraction of opposite charges, which are arranged at the vertices of the tetrahedrons. Each structure, which arises as a result of such a compound corresponds to a particular type of atomic nuclei. Similar constructions are used in architecture, which defines the model name.
II. In accordance with this model, the nucleus is a structure composed of the tetrahedrons bonded 3-nodes (part 2-nodes and nodes that contain 4, 5 or 6 vertices). Nodes form a spherical (like a sphere) surface, which have a common center. Consequently, the nucleons are also arranged in concentric layers (shells). According to this model, the nuclei have a layered (shell) structure. 3D-modeling must show that the number of tetrahedrons in each shell corresponds to the magic numbers. For the first shell containing 2 tetrahedron of one type and 2 of the tetrahedron of another type, this conclusion shown in http://proectiv-cosmology.narod.ru/12.htm
Tetrahedrons can be regarded as complex ions, each of which has 3 charges. Three-dimensional lattice constructed from these ions is similar to the crystal lattice, composed of 2 types of unit cells, which are 2 kinds of tetrahedrons. Certain parts of the grille are mobile relative to each other, and therefore have the property nuclei liquid crystal. Each nucleus can be represented in the form of drops of liquid crystal layers of which have spherical symmetry. Accordingly, this model can be described as a liquid crystal model.
Use this model of the nucleus for a qualitative explanation of 2 effects:
1. moment of inertia of complex nuclei (2-2,5) times smaller than the moment of inertia of a solid with the same volume and shape,
2. moment of inertia of complex nuclei increases jumpwise with increasing angular momentum («backbending»).
These effects are due to the fact that in complex nuclei has one or more "of the nucleoli", which are separated from the outer layers (eg, the kernel in a nut shell). Nucleoli have spherical symmetry and do not participate in the rotation, when momentum outer layers is small. This explains the first of these phenomena. However, when the moment of inertia of the outer layers becomes large enough, these layers are associated with nucleoli. As a result, the moment of inertia is increased to a value that characterizes the entire nucleus as a whole.
I stress that this explanation does not use the hypothesis of superfluidity of nuclear matter. This hypothesis is not required to explain the pairing of nucleons too. Pairing effect due to the fact that the structure, containing an even number of tetrahedrons of each type is more stable than the structures in which the number of one (or both) type of tetrahedrons is odd. Because of this, in even-even nuclei is required to expend more energy to separate one nucleon than in the odd nuclei.
In this model, 3-nodes are as important structural elements of the nucleus, as protons and neutrons. Each 3-node is similar to the neutron: it includes the same structure of quarks, which has a neutron. However, there are two differences:
1. quarks that make up the 3-node belong to different nucleons,
2. the distance between the quarks is 10 times smaller than a neutron.
Thanks to the latter reason, the electrostatic interaction between these quarks reaches a level that is sufficient to connection the nucleons. That 3-nodes serve as the primary holder of the nucleons in nuclei.
Under the proposed model, the properties of nuclei (in particular, the magnetic moment) are determined not so much the properties of nucleons, as the properties of 3-knots.
The main differences of the proposed model, the nuclei of well-known models are the following:
1. in the nuclei have the connection of neighboring nucleons quarks to form a 3-node
2. binding energy of quarks in a 3-node represents the energy of the nucleons in nuclei,
3. the fields of connection quarks (3-node) are located in the nucleus is quasiregular,
4. quarks with charge +2/3, which are not included in the 3-node are located on the surface of the nuclei.
It is the fourth property causes the large value of the electric quadrupole moment of the deformed nuclei: this value is determined not only by the degree of deformation, but also the fact that the positive charges are located mainly near the surface of the nuclei.
The proposed model takes into account the orientation of the nucleons relative to each other. At a certain orientation, the quarks, having opposite charge, are in close proximity to each other. In this case, the electrostatic energy of interaction of the quarks increases sharply and reaches 8 MeV. Thanks to this energy, the nucleons together in atomic nuclei.
Our main result is that the energy of the nucleus is electrostatic in nature. Strong interaction provides a link quarks inside nucleons (makes the edges of the tetrahedrons "hard": the excitation of edges occurs at energies of 100 MeV). In contrast to the Standard Model, a strong interaction not only keeps the quarks inside the nucleons, but also fixes them in certain areas of the surface nucleons (at the vertices of tetrahedrons). Electrostatic attraction of these areas (vertices) forms the structure of the nucleus.
The next article will be presented 3D-images of architectural constructions of the most characteristic of the nucleus. Through this proposed model will be extremely visible. There will also quantitative estimates of the basic nuclear effects, so it will be experimental verification of the proposed model.
In conclusion, we consider the main objection to the proposed model. Electromagnetic interaction can not provide a link to the nucleons in nuclei, since neutrons have no electric charge, while the positive charges of the proton only contribute to the destruction of the nuclei (in addition, the energy of electrostatic interaction between protons and an order of magnitude smaller than the experimentally observed binding energy nucleons). However, this objection does not take into account the quark structure of nucleons, and the fact that the quarks in nucleons are spatially separated, and the distance between quarks is comparable to the size of the nucleon. Because of this, the neighboring nucleons can be positioned relative to each other so that the distance between oppositely charged quarks belonging to different nucleons, would be 10 times smaller than the distance between the quarks in each nucleon. Electrostatic interaction energy of quarks, which are at such a short distance, reaches a value characteristic of the nuclear binding energy, and provides the connection of the nucleons in the nucleus.
Исходный вариант (Original version)
Дополнение № 25 (19 апреля 2011 г.)
Архитектурная модель атомного ядра.
РЕЗЮМЕ. В атомных ядрах кварки соседних нуклонов объединены в группы, которые содержат от 2-х до 6 кварков (чаще всего – 3 кварка). Ядерные силы, связывающие нуклоны в ядра, образуются за счет электростатического взаимодействия кварков, составляющих данные группы.
В основу данной работы положена следующая гипотеза строения нуклонов. Каждый нуклон представляет собой тетраэдр размером а ~ 0,8 Фм. В 3-х вершинах основания тетраэдра имеются кварковые заряды +2/3 и -1/3. Четвертая вершина и ребра тетраэдра имеют заряды, индуцированные зарядами, которые расположены в остальных 3-х вершинах.
Данная модель нуклона практически совпадает с моделью нуклона в Стандартной модели. Согласно Стандартной модели, кварки располагаются на концах 3-х глюонных струн, которые связаны в одной точке. Данная точка соответствует четвертой вершине тетраэдра, а 3 глюонные струны представляют собой 3 ребра тетраэдра, которые связывают эту вершину с тремя остальными вершинами тетраэдра, в которых располагаются кварки.
Физическая причина того, что нуклоны обладают формой тетраэдра, будет рассмотрена в отдельной работе. В общих чертах, причина заключается в том, что нуклоны построены на основе поверхности Боя, а тетраэдр является графическим изображением поверхности Боя. Использование поверхности Боя для описания нуклона изложено на сайте http://www.proectiv-cosmology.narod.ru.
В данной работе модель нуклона в виде тетраэдра принимается в качестве гипотезы.
Цель работы – показать, что каждое ядро представляет собой конструкцию, составленную из определенного числа указанных тетраэдров, соединенных своими вершинами. Соединение осуществляется за счет электростатического притяжения зарядов противоположного знака.
Содержание работы состоит из 2-х частей:
I. оценка энергии взаимодействия вершин тетраэдров,
II. описание модели и объяснение некоторых физических явлений.
I. Итак, будем исходить из того, что каждый нуклон представляет собой тетраэдр, ребра которого имеют величину а ~ 0,8 Фм. В 3-х вершинах тетраэдра расположены кварковые заряды: в тетраэдрах-протонах (+2/3, +2/3, -1/3), а в тетраэдрах-нейтронах (+2/3, -1/3, -1/3). Заряды в вершинах расположены симметрично, и расстояние от заряда до каждой из 3-х граней равно r ~ 0,03 Фм.
Оценим энергию взаимодействия двух противоположно заряженных вершин, когда вершины соприкасаются гранями, и заряды располагаются напротив друг друга. В этом случае расстояние между зарядами имеет минимальную величину 2r ~ 0,06 Фм, и искомая энергия имеет величину W ~ 2/3е × 1/3е / 0,06 ~ 5 Мэв (е – элементарный заряд).
Данное соединение 2-х вершин тетраэдров будем именовать «2-узел». Заряд 2-узла равен +1/3.
Наряду с 2-узлом, может быть образован 3-узел, который получается в результате присоединения к 2-узлу еще одной вершины, обладающей зарядом -1/3. Заряд 3-узла равен нулю.
Энергия взаимодействия зарядов в 3-узле складывается из энергии двух 2-узлов и отрицательной добавки, учитывающей отталкивание зарядов -1/3 и -1/3. Эта добавка имеет минимальную величину, когда заряды располагаются симметрично относительно заряда +2/3: в этом случае величина добавки будет в 2×2 = 4 раза меньше энергии 2-узла (один из зарядов в 2 раза меньше, и заряды расположены в 2 раза дальше). В итоге, находим искомую величину энергии связи 3-узла: (2×W - 1/4×W) ~ 8,7 Мэв.
В расчете на каждый кварк, энергия связи 3-узла имеет величину 8,7/3 ~ 2,9 Мэв. Однако каждый нуклон имеет 3 кварка, поэтому в расчете на один нуклон энергия связи будет равна 3×2,9 ~ 8,7 Мэв. Эта величина совпадает с энергией связи ядер в средней части таблицы Менделеева.
Данная оценка показывает, что электростатическая энергия взаимодействия кварков, принадлежащих соседним нуклонам, вполне достаточна, чтобы создать устойчивые конструкции, элементы которых скреплены столь же сильно, как нуклоны в атомных ядрах.
В данной модели, ядра представляют собой «ажурные» конструкции, составленные из указанных тетраэдров. Соединение тетраэдров осуществляется благодаря наличию в вершинах тетраэдров зарядов противоположных знаков: притяжение этих зарядов служит «креплением», посредством которого тетраэдры фиксируются друг относительно друга. В результате получаются жесткие конструкции, каждая из которых соответствует определенному типу атомных ядер.
Подобные конструкции используются в архитектуре, что и определило название модели.
II. В соответствие с данной моделью, ядра представляют собой конструкции, составленные из описанных тетраэдров, скрепленных 3-узлами (частично, 2-узлами и узлами, которые содержат 4, 5 или 6 вершин). Узлы образуют сферические (подобные сферам) поверхности, которые имеют общий центр. Вследствие этого нуклоны также располагаются в виде концентрических слоев (оболочек).
Таким образом, из данной модели следует, что ядра обладают слоистой (оболочечной) структурой. 3D-моделирование должно показать, что количество тетраэдров, заполняющих данные оболочки, соответствует магическим числам. Для первой оболочки, содержащей 2 тетраэдра одного типа и 2 тетраэдра другого типа, это показано в работе http://proectiv-cosmology.narod.ru/12.htm
Тетраэдры можно рассматривать как комплексные ионы, каждый из которых имеет 3 заряда. Трехмерная сеть, построенная из таких ионов, подобна кристаллической решетке, составленной из 2-х типов элементарных ячеек, которыми являются 2 вида тетраэдров. Отдельные части решетки подвижны друг относительно друга, поэтому ядра обладают свойством жидкого кристалла. Каждое ядро – это капелька жидкого кристалла, слои которого обладают сферической симметрией. Соответственно, данную модель можно именовать также жидкокристаллической моделью.
Используем данную модель ядра для качественного объяснения 2-х эффектов:
1. момент инерции сложных ядер в (2-2,5) раза меньше момента инерции твердого тела, имеющего тот же самый объем и форму,
2. момент инерции сложных ядер испытывает скачкообразное увеличение при увеличении момента количества движения («backbending»).
Данные эффекты обусловлены тем, что в сложных ядрах совокупность нескольких центральных слоев образуют одно или несколько «ядрышек», которые отделены от внешних слоев (подобно ядрам ореха в скорлупе). Ядрышки обладают сферической симметрией и при малых моментах вращения внешних слоев не участвуют во вращении. Это объясняет первое из указанных явлений. Однако по мере увеличения момента вращения внешних слоев, их эллипсоидальная форма становится все более вытянутой, и эти слои «зацепляют» ядрышки. В результате, момент инерции возрастает до величины, которая характеризует все ядро, как единое целое.
Подчеркну, что данное объяснение не использует гипотезу сверхтекучести ядерной материи. Данная гипотеза не требуется и для объяснения спаривания нуклонов. Эффект спаривания объясняется тем, что конструкция, содержащая четное число тетраэдров каждого типа, является более устойчивой, чем конструкции, в которых количество одного (или обоих) типа тетраэдров является нечетным. Вследствие этого, в четно-четных ядрах требуется затратить больше энергии для отделения одного нуклона, чем в нечетных ядрах.
В данной модели 3-узлы являются столь же важными структурными элементами ядра, как протоны и нейтроны. Каждый 3-узел подобен нейтрону: он включает в себя тот же самый состав кварков, которым обладает нейтрон. Однако имеется 2 отличия:
1. кварки, которые составляют 3-узел, принадлежат разным нуклонам,
2. расстояние между данными кварками в 10 раз меньше, чем в нейтроне.
Благодаря последней причине, электростатическое взаимодействие данных кварков достигает величины, которая достаточна для удержания нуклонов. Именно 3-узлы служат основным креплением нуклонов в ядрах.
Согласно предлагаемой модели, свойства ядер (в частности, магнитный момент) определяются не столько свойствами нуклонов, сколько свойствами 3-узлов.
Основные отличия предлагаемой модели ядер от известных моделей состоят в следующем:
1. в ядрах происходит обобществление кварков соседних нуклонов с образованием 3-узлов,
2. энергия связи обобществленных кварков представляет энергию связи нуклонов в ядрах,
3. области обобществления кварков (3-узлы) располагаются в ядре квазирегулярно,
4. кварки с зарядом +2/3, которые не входят в 3-узлы, располагаются на поверхности ядер.
Именно четвертое свойство обуславливает большую величину электрического квадрупольного момента деформированных ядер: эта величина определяется не только степенью деформации, но и тем, что положительные заряды располагаются, преимущественно, вблизи поверхности ядер.
Предлагаемая модель учитывает ориентацию нуклонов друг относительно друга. При определенной ориентации, кварки, имеющие противоположный заряд, оказываются в непосредственной близости друг от друга. В этом случае, электростатическая энергия взаимодействия данных кварков резко увеличивается и достигает 8 Мэв. За счет этой энергии и осуществляется связь нуклонов в атомных ядрах.
Основной результат работы заключается в том, что энергия ядра имеет электростатическую природу. Сильное взаимодействие обеспечивает связь кварков внутри нуклонов (делает ребра тетраэдров «жесткими»: возбуждение ребер происходит при энергиях порядка 100 Мэв). В отличие от Стандартной модели, сильное взаимодействие не просто удерживает кварки внутри нуклонов, а фиксирует их в определенных участках поверхности нуклонов (в вершинах тетраэдров). Электростатическое притяжение этих участков (вершин) формирует структуру ядра.
В следующей работе будут представлены 3D-изображения архитектурных конструкций, соответствующих наиболее характерным ядрам. Благодаря этому предлагаемая модель станет предельно наглядной. Кроме того, будет получена количественная оценка основных ядерных эффектов, благодаря чему станет возможной экспериментальная проверка предлагаемой модели.
В заключение рассмотрим основное возражение против предлагаемой модели. Общепризнано, что электромагнитное взаимодействие не способно обеспечить связь нуклонов в ядрах, поскольку нейтроны не обладают электрическим зарядом, а положительные заряды протонов способствуют лишь разрушению ядер (кроме того, энергия электростатического взаимодействия протонов на порядок меньше экспериментально наблюдаемой энергии связи нуклонов в ядрах). Однако данное возражение не учитывает кварковую структуру нуклонов, а также то обстоятельство, что кварки в нуклонах пространственно разделены, и расстояние между кварками сравнимо с размером нуклона. Благодаря этому, соседние нуклоны можно расположить друг относительно друга таким образом, что расстояние между противоположно заряженными кварками, принадлежащими разным нуклонам, будет в 10 раз меньше расстояния между кварками в каждом нуклоне. Энергия электростатического взаимодействия кварков, находящихся на столь малом расстоянии, достигает величины, характерной для энергии ядерного взаимодействия, и обеспечивает объединение нуклонов в ядра.
Добавления (15 мая).
1. В работе содержится утверждение, что лежащая в основе работы гипотеза, что нуклоны имеют вид тетраэдров, согласуется со Стандартной моделью. Для обоснования этого утверждения, привожу ссылку на препринт НИИЯФ МГУ, авторы которого используют модель нуклона, которая в главных чертах совпадает с предлагаемой моделью: http://dbserv.sinp.msu.ru:8080/sinp/files/pp-791.pdf
Согласно модели этих авторов, кварки располагаются на концах 3-х глюонных струн, которые связаны между собой в одной точке. Отличие предлагаемой модели состоит лишь в том, что расположение струн относительно друг друга является фиксированным: образуемый струнами 3-гранный угол сохраняет свою величину, и кроме того, длина струн также остается неизменной.
При этом струны не остаются неподвижными: они вращаются как единое целое, а также совершают колебательные движения с частотой, которая соответствует энергии ~100 Мэв.
2. С целью лучшего понимания сути данной работы, сформулируем еще раз ее основные идеи:
1) ядерная структура формируется благодаря тому, что соседние нуклоны не только соприкасаются друг с другом, но и пересекаются, причем в области пересечения располагаются противоположно заряженные кварки этих нуклонов: за счет энергии электростатического притяжения этих кварков и образуются атомные ядра,
2) в сложных ядрах соседние нуклоны обычно имеют не одну (как в случае сферической формы нуклонов), а две общие области, т.е. нуклоны соединяются двумя парами своих кварков (нуклоны-тетраэдры соединяются двумя вершинами),
3) области, в которых происходит объединение кварков, обычно включают 3 кварка с зарядами +2/3, -1/3, -1/3: в данных областях происходит соединение сразу 3-х нуклонов (3-х тетраэдров),
4) межнуклонные взаимодействия (как в области дискретного, так и непрерывного спектров) вплоть до энергии ~100 Мэв (при которой начинается возбуждение внутринуклонных степеней свободы) обусловлены электромагнитным взаимодействием составляющих нуклоны кварков,
5) связывающие кварки глюнные струны обладают наведенным электрическим зарядом, который также необходимо учитывать при расчете межнуклонных взаимодействий.