6. Концепция кварковой структуры атомного ядра

6. Концепция кварковой структуры атомного ядра

***

Аннотация

          В статье приведено описание структуры нуклонов и ядер атомов, представленных кварками. Определено численное значение постоянной кварковых взаимодействий.

***

        Вещественная материя на всех уровнях ее организации представлена дискретной структурой, т.е. совокупностью соответствующих составных частей. Составные части материи (частицы) взаимодействуют друг с другом соответствующими физическими силами. Состояние вещественной материи определяется уравновешенностью или неуравновешенностью действий физических сил между составными частями материи. Нуклоны и ядра атомов, как части вещественной материи не являются исключением. Рассмотрим те части и физические силы, которые определяют структуру нуклонов и ядер атомов.

    В основу построения атомной материи природа положила всего лишь две частицы:

- электрически положительно заряженное атомное ядро,

- электрически  отрицательно заряженный электрон.

       При построении атомного ядра природа использовала так же две частицы, нуклоны:

- протон,

- нейтрон.

      И при построении нуклонов также участвуют две частицы, это:

- кварк u,

- кварк d.

     Протон состоит из двух кварков u и одного кварка d. Нейтрон  состоит из двух кварков d и одного кварка u. Средняя масса кварков в составе нуклонов равна 0.558∙10*(-27) кг.

    Электронный заряд кварка u положителен и по абсолютной величине равен 2/3е. Электронный заряд кварка d отрицателен и равен - 1/3е.

     Исходя из приведенных данных, рассмотрим структуру нуклонов. Несмотря на то, что нейтрон является нестабильной частицей при его существовании в виде самостоятельной частицы, конструкция нейтрона аналогична конструкции протона. Рассмотрим, каким образом нуклонам обеспечивается их устойчивое существование с учетом того, что эта конструкция представлена кварками. Своими массовыми зарядами кварки притягиваются друг к другу, но силы гравитационного взаимодействия чрезвычайно слабые и поэтому они не могут удерживать кварки в пределах тех пространственных сферических границ, в которых находятся нуклоны.

     Конструкция нуклонов, представленная двумя кварками, несущих на себе электрический заряд одного знака, которые вращаются вокруг кварка с электрическим зарядом противоположного знака, также не жизнеспособна по  той же причине, что и при взаимодействии кварков их массовыми зарядами. Электрических сил не достаточно для удержания кварков в пределах сферических границ нуклонов.

    Отсюда следует: для образования устойчивой конструкции нуклонам кварки наделены третьим зарядом, кварковым. Именно посредством кварковых сил образуются нуклоны. Эта сила не может быть исключительно силой отталкивания, т.к. в этом случае кварки при взаимодействии своими силами разлетелись бы в пространстве. Таким образом, помимо разновидности кварков по их электрическим  зарядам они отличаются еще и своими кварковыми зарядами. Эти заряды, в отличие от электрических, не двух знаковые, а  трех знаковые. Кварковым зарядам даны следующие цветовые названия: красный, синий, желтый. Разнознаковые кварки своими кварковыми зарядами притягиваются друг к другу, а однознаковые отталкиваются.  Протон  и нейтрон состоят их трех разнознаковых кварковых зарядов. Кварки являются квантовыми частицами, базонами, т.е. на них распространяются законы квантовой механики. Силы кваркового притяжения, действующие между кварками, уравновешиваются силами квантово-центробежного отталкивания, которые действуют по причине орбитального вращения кварков вокруг их общей точки центра массы нуклонов.

     Здесь необходимо обратить внимание на следующие обстоятельства. Применяемое слово «орбита» является сугубо математической абстракцией. Как такового орбитального вращения кварков в ядрах нет, так как кварки вращаются по квантовым орбитам. Это означает, что кварки «размазаны» (распределены) по всему объёму ядер атомов.

     Рассмотрим структуру простейших ядерных частиц, нуклонов, которые представлены протоном и нейтроном. Протон является электрически положительно заряженной частицей с зарядом «+е», спин равен 1/2 ћ,  и его магнитный момент равен 2,79 МяБ, где 1 МяБ – ядерный магнитон Бора.

     Нейтрон – электрически нейтральная частица. Спин равен 1/2 ћ, магнитный момент равен 1,91МяБ и противоположно направлен, относительно магнитного момента протона.

      Чем  же обусловлены перечисленные свойства нуклонов? Начнем с физической конструкции нуклонов. Поскольку структура обоих нуклонов представлена тремя кварками, поэтому их структуры представлены аналогичными конфигурациями: 3 кварка, вращающиеся вокруг их общего центра массы. Кварки в нуклонах движутся по самым коротким из всех возможных квантовым орбитальным траекториям, длинна которых равна длине волны материи де-Бройля. По этой причине кварки, в принципе не могут свими кварковыми силами притяжения обьединиться в единую точечную конструкцию. Кварковые силы существенно превосходят по своей величине электрические, поэтому именно они вносят решающий вклад в образование структуры нуклонов. С силовой точки зрения стабильное состояние кварковой конструкции обеспечивается равновесием сил кваркового притяжения и квантово-центробежной силой отталкивания кварков, вызванной их орбитальным вращением вокруг общего центра массы. Кварковые силы обладают фундаментальным свойством частичного и полного их насыщения. При попытке разделить кварковые триплеты (тройка кварков) на отдельные самостоятельные кварки, т.е. при попытке нарушить устойчивое равновесие, в котором находятся кварковые триплеты в нуклонах, механизм насыщения действия кварковых сил нарушается. У кварковых триплетов появляются внешние не скомпенсированные кварковые силы. Силы у кварков настолько велики, что способны непосредственно из вакуума вырывать недостающие для компенсации кварковых сил кварки. Именно по этой причине одиночные кварки в природе существовать не могут. Кварковые конструкции могут существовать в простейшем случае в стабильном состоянии только в виде квантовых триплетов, поэтому все ядра атомов кварково нейтральны.

         Электрические силы обладают свойством насыщения. Для того чтобы возникло состояние насыщения электрических сил, необходимо сформировать такую физическую систему, в состав которой в равных количествах входят электрически заряженные частицы обоих знаков, т.е. несущих на себе положительные и отрицательные электрические заряды. Только в этом случае возможно состояние насыщения электрических сил.

      Существует три типа кварковых зарядов: красный, синий, желтый. Таким образом, по аналогии с электрическими силами, чтобы возникло состояние насыщения кварковых сил, необходимо, чтобы во взаимодействии участвовали кварки с кварковыми зарядами всех трех знаков (цветов). В реальной действительности так оно и есть. Нуклонные частицы представлены именно тремя кварками. И в состав каждого нуклона входят кварки, несущие на себе один из трех кварковых зарядов, которые в сумме дают частицу со 100%-ой насыщенностью кварковых сил. Отметим, что если в нейтроне происходит одновременное насыщение как кварковых, так и электрических сил, то в протоне происходит насыщение только кварковых сил. Электрические силы остаются не скомпенсированными, и поэтому электрический заряд протона равен +е, т.е. он такой же, как и у позитрона. Именно из-за 100%-ой насыщенности кварковых сил, ни отдельно протоны, ни отдельно нейтроны не могут взаимодействовать между собой кварковыми силами. Таким образом, ни из чисто протонов, ни из чисто нейтронов не могут образовываться результирующие устойчивые физические конструкции на базе кварковых сил. Для того чтобы возникло кварковое взаимодействие, необходимо вывести кварковые силы из состояния их 100%-го насыщения. С точки зрения квантовой механики, кварки движутся по квантовым траекториям вокруг их общего центра масс, поэтому общую кварковую структуру можно назвать волновым кварковым клубком. С квантовой точки зрения, это довольно сложная структура.

        Из базовых положений квантовой механики известно, что если спиновой момент у базовых частиц равен 1/2 ћ, то их минимальный орбитальный момент равен  ћ. Структура нуклонов представлена тремя кварками, следовательно, при результирующем спиновом моменте нуклонов, равном 1/2 ћ,  в образовании этого момента орбитальные моменты кварков участия принимать не могут. Таким образом, результирующий момент импульса нуклонов определяется их спинами. Иными словами, суммарный орбитальный момент кварков в нуклонах равен нулю. Значение же результирующего момента импульса нуклонов определяется только алгебраической суммой спиновых моментов импульсов кварков. Результирующий спин у нуклонов определяется следующим образом: спины у 2-х кварков ориентированы навстречу друг другу, а спин 3-го кварка и определяет результирующий спин нуклона. Для нас этот вывод является серьезным шагом в понимании общей структуры нуклонов. Дело в том, что нулевой суммарный орбитальный момент кварков дает нам следующее представление о структуре кваркового волнового клубка. Эта сумма может быть равна нулю только в том случае, если орбитальные моменты импульсов кварков лежат в одной плоскости и все направлены либо навстречу друг другу, либо в противоположном направлении. Несоблюдение условия одноплоскостного положения векторов орбитальных моментов импульсов, в частности, приводит к нарушению закона сохранения момента импульса, что невозможно. В нуклонах вектора моментов направлены навстречу друг другу, в антинуклонах – в противоположном направлении. Векторные условия орбитальных импульсов приводят нас к следующему выводу: усредненные волновые орбиты всех трех кварков сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120⁰  вокруг их общей оси. Иными словами, все орбиты пересекаются на меридиональных полюсах нуклонов и собственные волны кварков в зоне нуклонного экватора имеют пучности, а в точках полюсов – узлы их волновых функций. Таким образом, в зонах полюсов кварки туннелируют сквозь друг друга без взаимодействия. Кварковая структура протона отличается от кварковой структуры нейтрона только составом протонообразующих кварков. Говорят, что структуры протона и нейтрона отличаются друг от друга ароматическими структурами. При пространственном вращении кварков они все время находятся в вершинах треугольника близкому к равностороннему. Иными словами, кварки в нуклонах вращаются  с одинаковой угловой скоростью.

         Для нас не важно, по каким замысловатым конкретным траекториям движутся кварки, для нас важно, что в любой момент времени их момент импульса находится в плоскости, которой принадлежит и их центр массы. В противном случае у кваркового триплета появилась бы сила, самопроизвольно придающая кваркам момент импульса.

       Выполним качественную оценку для определения магнитных моментов у нуклонов. Рассмотрение начнем с протона. Учтем, что сумма орбитальных моментов импульсов у кварков равна нулю, и все они лежат в одной плоскости. Это условие существенно упрощает решение задачи определения результирующего магнитного момента нуклонов.

     На рис. 1  представлена векторная диаграмма механических моментов импульсов кварков для протона. На рис. 2 представлена векторная диаграмма орбитальных магнитных моментов кварков:

Рис. 1                                                                        Рис. 2

       

         Просуммировав вектора, получаем результирующий орбитальный кварковый магнитный момент протона, который равен:

                                                                     (1)

       Спиновое магнитное поле кварков равно сумме всех спиновых магнитных моментов, а именно:

                        (2)                                    

      Результирующее магнитное поле протона равно разности орбитального и спинового магнитных моментов кварков и совпадает с направлением его спина:

                                      (3)

      Определим результирующий магнитный момент нейтрона. На рис. 3  представлена векторная диаграмма орбитальных моментов импульсов кварков. На рис. 4 представлена векторная диаграмма орбитальных магнитных моментов кварков.

                        Рис.3                                                  Рис. 4

Просуммировав вектора орбитальных магнитных моментов, получим:

                                           (4)

Спиновой результирующий магнитный момент равен:

                               (5)

Результирующий магнитный момент нейтрона равен разности орбитального и спинового магнитных моментов кварков и направлен в сторону противоположную направлению спина нейтрона:

                                       (6)

      Приведем векторную диаграмму  результирующего суммирования магнитных и механических моментов для протона:

                                        (7)

      Приведем векторную диаграмму  результирующего суммирования магнитных и механических моментов для нейтрона:

                              (8)

      Таким образом, наши  качественные вычисления дали следующие результаты.

Протон: магнитный момент равен 2 МяБ  и его направление совпадает со спиновым.

Нейтрон: магнитный момент равен 1 МяБ и направлен в сторону, противоположную направлению спина.

       Экспериментальные замеры дают следующие результаты:

протон – магнитный момент равен 2,79 МяБ и направлен по направлению спина;

нейтрон – магнитный момент равен 1,91 МяБ и направлен в противоположную сторону относительно спина;

       Расхождение в численных значениях магнитных моментов вполне естественно, т.к. в наших рассуждениях мы не учитывали:

· релятивистский характер движения кварковых частиц,

· прецессии кварков,

· спин-орбитальные взаимодействия,

· орбитальные магнитные взаимодействия кварков, связанные с их движением в общем магнитном поле нуклонов и т.д.

      В нуклонах кварки вращаются по первой орбите для ядер атомов. Как было сказано выше, ни отдельно из протонов, ни отдельно из нейтронов нельзя построить более сложные квантовые конструкции, чем отдельные нуклоны. Фундаментальной особенностью кварковых сил является то, что они способны к частичному их насыщению. Именно эта особенность обеспечивает нуклонам возможность построения сложных ядерных конструкций.

     Для того чтобы у нуклонов возникло внешняя некомпенсированная кварковая сила, необходимо кварки в нуклонах каким-то образом вывести из состояния полного насыщения. Такая ситуация возникает только в том случае, когда происходит объединение протонного и нейтронного нуклонов в единую квантовую конструкцию. В этом случае между нуклонами возникает эффект периодического кругового обмена кварками u и d.

     В результате этого обмена на кроткое время протон преобразуется в нейтрон, а нейтрон – в протон. Затем они возвращаются в исходное состояние. Чем чаще происходит процесс инверсии нуклонов в ядре, тем неразличимее в нем становятся нуклоны.

    Обмен кварками между нейтронами и протонами происходит по той причине, что триада кварков, представляющих протон, вложена в триаду кварков, представляющих нейтрон и, таким образом, обмен кварков происходит между триадными кварковыми слоями. Следовательно, в ядре, например, атома дейтерия нет отдельно ни протона, ни нейтрона. Эти нуклоны представлены совокупной двойной триадной конструкций, вложенных одна в другую. Только в этом смысле дейтерий состоит из протона и нейтрона.

     Эффект инверсии нуклонов приводит к тому, что:

• во-первых, кварковые силы вынужденно выходят из состояния их стопроцентного насыщения и между нуклонами возникают кварковые силы притяжения;
• во-вторых, кварк d становится устойчивым к распаду, т.к. он в среднем, оказывается на более низком энергетическом уровне по сравнению с тем, когда он находится в составе самостоятельного нейтрона;
• в-третьих, нуклоны, войдя в состав ядер атомов, сближаются по своим физическим свойствам.
       Фактически, в ядрах атомов нуклоны преобразуются в новую нуклонную частицу, занимающую промежуточное положение между протоном и нейтроном. Конструкция ядер атомов строиться через последовательное вложение нуклонно-кварковых триплетов друг к другу по принципу матрешки. В целом ядра атомов представлены кварковыми орбитами, которые  расщеплены на кварковые слои. Поэтому в одном и том же ядре на разных энергетических уровнях степень «протонности» и «нейтронности» нуклонов оказывается различной.
         Ядра атомов должны обязательно состоять из смеси протонов и нейтронов. Это необходимо для того, чтобы кварковые силы взаимно действующих нуклонов были выведены из состояния полного насыщения. Во всех без исключения нуклонах, входящих в состав ядер, находящихся в стабильном или квазистабильном состоянии кварковые силы, в той или иной степени должны быть выведены из состояния стопроцентного насыщения. Только в этом случае ядра атомов способны своими кварковыми силами притягивать нуклоны и удерживать их в своем составе. Отметим, эффект обмена кварками между нуклонами быстро уменьшается с увеличением расстояния между нуклона.
      Кварки являются квантовыми частицами. Это означает, поведение кварков характеризуется волной материи де Бройля. Такое квантовое энергетическое состояние кварков в нуклонах определяется следующим уравнением:
                                  (9)
  Где:         - постоянная Планка-Дирака,
                 - средняя масса кварков,
                 - средняя линейная орбитальная скорость движения кварков,
                 - средний радиус кварковых орбит в нуклонах.
     Кварки в нуклонах можно представить в виде кварков с некоторой усредненной массой, которые вращаются по некоторым индивидуальным орбитам, параметры которых представимы в усредненном виде. В зависимости от орбитальной линейной скорости их движения, изменяется величина релятивистской массы кварков. Минимального размера кварковые орбиты в ядрах достигают именно в нуклонах. Линейная скорость вращения кварков в нуклонах максимальна из всех ядер атомов и, соответственно их масса здесь достигает также максимальной величины. Этим и определяется максимальная масса самостоятельных нуклонов, относительно тех масс, которыми они обладают, войдя в состав любого атомного ядра. Таким образом, в нуклонах кварки вращаются по первой орбите для ядер атомов с длинной волны материи равной λ . Радиус этой орбиты равен λ/2π. Возникает вопрос, как происходит заполнение второго и последующих ядерных кварковых орбит?  Будем рассматривать кварковую структуру того ряда атомов, ядра которых находятся в стабильном состоянии и включим в этот ряд нейтрон и ядро атома трития.
       С энергетической точки зрения, кварковые слои подразделяются, по крайней мере, на  два энергетических уровня:
  - групповой (обозначим через  n ),
  - индивидуальный (определяется через  A    - массовое число ядер).
         Групповой каантовый уровень обьединяет некоторое количество индивидуальных кварковых уровней.
        Под индивидуальным кварковым уровнем будем понимать величину усредненной энергии одного из кварков, входящих в состав конкретного кваркового триплета.
      Усложнение ядер атомов происходит за счет обьединения простейших ядерных частиц, нуклонов. Такое обьединение приводит к построению более сложных конструкций ядер по сравнению с нуклонами по той причине, что если каждый из нуклонов представлен тремя кварками, то обьединение, хотя бы двух нуклонов в единую микрочастицу уже представляет атомное ядро, состоящее из шести кварков. Таким ядром, в частности, является ядро атома дейтерия. Конструкция ядра из шести кварков соответствует двухслойной ядерной конструкции и т.д. Причем, усложнение конструкции ядер приводит к увеличению их размеров с одновременным ростом у них дефекта массы.
        Рассмотрим сущность квантового числа n . При n = 1, это число определяет низший уровень в построении кварковых ядерных конструкций и объединяет в одной группе следующие атомные ядра, это:
  - нуклоны,
  - дейтерий,
  - тритий,
  - гелий3,
  - гелий4.
      Для ядер: дейтерия, трития, гелия3 и гелия4 квантовые уравнение энергетического состояния кварков примет следующий вид:
                  (10)
  Где:       -   i    =1, соответствует дейтерию,
                -   i  =2, соответствует тритию,
                -   i  =3, соответствует гелию3,
               -    i =4, соответствует гелию4.
        Таким образом, при переходе от нуклонов к более сложным ядрам у кварковых орбит увеличивается их радиус на  . Увеличение размера ядер происходит за счет образования у них последующих кварковых слоев:
  - у дейтерия – одного,
  - у трития и гелия3 – двух,
  - у гелия4 – трех.
       Именно дополнительное увеличение радиуса кварковых орбит приводит к снижению:
  - линейной орбитальной скорости движения кварков,
  - с соответствующим уменьшением средней массы кварков, что и определяет дефект массы ядер атомов с ростом их массового числа А из-за прироста радиуса орбит вращения кварков на величину  .
       Изобразим  рост размеров ядер в виде следующего рисунка:
  
           Квантовому групповому числу  n=2  соответствуют следующие ядра атомов, это:
  - литий6,
  - литий7.
      При переходе ко второй величине квантового числа происходит одновременное удвоение:
  - орбитального спина кварков до величины 2  ,
  - радиуса групповой кварковой орбиты.
       Квантовое уравнение состояния  для этой группы ядер   примет следующий вид:
                (11)
          При переходе к третьей группе ядер происходит одновременное утроение величины радиуса групповой орбиты и орбитальной спины кварков. В дальнейшем, при переходе к построению более сложных ядер, орбитальный спин кварков не изменяется и он равен 3. Изменяется только величина группового радиуса кварковых орбит ядер атомов.
        Квантовому числу n = 3 соответствуют следующие ядра химических элементов, это:
  - берилий9,
  - бор10,
  - бор11,
  - углерод12.
       Этой группе ядер соответствует следующее уравнение их кваркового состояния:
                (12)
      Изложенное, изобразим в виде рисунка:
  
       Для  ядер, начиная с берилий9, радиус атомных ядер однозначно связан с массовым числом ядер следующим эмпирическим соотношением:
                                 (13)
  Где:  А – массовое число ядер атомов,
           r   - радиус внешней кварковой орбиты ядер атомов.
       Помимо кварковых сил притяжения, квантово-центробежных сил отталкивания в ядрах атомов действуют также электростатические, кулоновские силы отталкивания, действующие между электрически положительно заряженными протонами. Совместное действие приведенных сил в атомных ядрах приводит к некоторому конкретному соотношению между нейтронами и протонами в ядрах атомов, при которых ядра находятся в устойчивом состоянии неограниченно долгое время.
      Рассмотрим, какими факторами определяется величина кварковых сил притяжения, действующими между нуклонами.
      В первом приближении, чем ближе соотношение  между нейтронами и протонами к единице, тем сильнее действие притяжения кварковой силы между нуклонами. Действие этого эффекта объясняется следующим образом. Если в ядерной частице увеличивается либо количество нейронов, либо количество протонов, то растет либо нейтронное, либо протонное насыщение ядерных сил, но уже в масштабах атомного ядра. При некотором избыточном количестве либо нейтронов, либо протонов, в целом в ядерной частице наступает эффект насыщения кварковых сил либо нейтронных, либо протонных. После этого к ядру уже невозможно присоединить ни новые нейтроны, ни новые протоны, таким образом, чтобы ядерная частица сохранила свое устойчивое состояние.
      Следовательно, сила межнуклонного кваркового притяжения, действующая в атомных ядрах, является сугубо переменной величиной и напрямую зависит от структуры кваркового ядра. Эта сила изменяется от нуля до максимальной величины, причем, отдельно для протонов и отдельно для нейтронов. В первом приближении кварковые силы достигают максимальной величины при соотношении нейтронов и протонов близкой к единице. Рассмотрим, что же нарушает точное единичное соотношение между нейтронами и протонами в ядрах атомов?
      Рассмотрим ядра трития (t) и гелия3:
   ,
  
  
                                    
                                                 t=p+2n                                      (14)
  He3=2p+m
  
  
  Дефект массы трития равен:
                                          (15)
  Дефект массы гелия3 равен:
                                          (16)
      Массы ядер трития и гелия3 практически равны, но исходная масса составляющих частиц для трития на 0.0023∙10*(-27)кг  больше чем для гелия3. Возникает вопрос, почему входя в состав ядер атомов нейтроны по своей массе «худеют» больше чем протоны, так как массы у нейтронов и протонов в составе ядер становятся практически равными?
     Объяснения этому эффекту следующее. Нейтрон состоит из двух кварков d  и одного кварка u, а протон состоит из двух кварков  и  и одного кварка d. Массы покоя кварков u и d не равны (масса покоя кварков будет рассмотрена в дальнейшем). У кварка d масса покоя больше, чем у кварка и, а кварковый заряд у кварка d, наоборот меньше, чем у кварка u. В нуклонах масса нейтрона больше массы протона за счет большей массы покоя кварка d. Но, входя в состав сложных ядер, кварки переходят на вращение вокруг центра массы ядер по более длинным орбитам, и за счет более быстрого спада кварковой силы у кварков d скорость их движения по замкнутой орбите уменьшается в большей степени, чем у кварков и. Из-за этого их масса, входя в состав ядер атома, уменьшается быстрее, чем уменьшается масса у кварков и. Вот почему, войдя в состав ядер трития и гелия3, массы нуклонов становятся практически равными, несмотря на исходное различие их масс, когда они находились в свободном состоянии.
      Все кварки, входящие в состав конкретного нуклона, которые в свою очередь входят в состав конкретного ядра, хотя в пространстве вращаются по различным орбитам, тем не менее, они вращаются с одинаковой угловой скоростью. В пространстве они все время находятся в вершинах треугольника максимальной площади. Различие в величинах масс покоя  у кварков и и d приводят к отклонению формы ядерных частиц от сферической. Это связано с тем, что чтобы выполнить сформулированное требование их вращения вокруг точки центра массы ядра, часть кварков вынуждено переходит на вращение по эллиптическим, т.е. удлиненным орбитам относительно круговых. Это и приводит к отклонению формы ядер от сферических.
      С энергетической точки зрения, структура ядер атомов строиться следующим образом. В ядрах происходит послойное, поочередное заполнение кварковыми нуклонными триплетами объёма пространства, занимаемого ядерными частицами, по мере увеличения массового числа ядер. Здесь проявляется действие первого механизма снижения величины массы ядерных нуклонов. При заполнении кварковых триплетных слоев, увеличивается длина орбит, по которой вращаются кварки, что сопровождается снижением скорости их орбитального вращения. Это и приводит к уменьшению массы кварков, вращающихся по этим орбитам, что сопровождается постепенным снижением массы нуклонов, входящих  состав ядер, т.е. росту дефекта массы ядер. Рассмотрим действие этого эффекта.
     При переходе к заполнению следующей ядерной орбиты кратность роста радиуса орбиты происходит несколько больше, чем величина квантового числа. Это и приводит к дальнейшему снижению массы нуклонов в ядрах атомов. Поскольку кварковые силы притяжения превосходят кулоновские силы отталкивания, на первом этапе построения ядер рассмотренный механизм дефекта массы является доминирующим.
      По мере роста размеров ядер, постепенно в действие вступает второй механизм изменения величины дефекта массы ядер. При росте количества нуклонов в ядре растет совокупная кварковая сила притяжения, действующая на нуклоны, находящиеся в центральном объёме ядер. Растет кварковое давление, действующее на эти нуклоны. Кварки, представляющие эти нуклоны, сопротивляются этому сжатию увеличением скорости своего орбитального движения, что сопровождается постепенным ростом массы нуклонов, находящихся в центральном объёме ядер по мере увеличения массового числа ядер. Постепенно уже этот фактор вносит доминирующий вклад в эффект дефекта массы ядер атомов. Таким образом, в ядрах атомов действуют два механизма, определяющих величину дефекта массы этих ядер:
  - первый, увеличит величину дефекта массы ядер;
  - второй – уменьшает эту величину.        
      Начиная с железа56, второй механизм становится доминирующим и с этого ядра, величина дефекта массы ядер, растет.
      По мере дальнейшего роста массового числа, в действие вступает третий механизм, оказывающий влияние на устойчивость структуры атомных ядер, это кулоновские силы отталкивания. Действие этого механизма заканчивается тем, что на ядре атома висмут209 цепочка устойчивых ядер атомов заканчивается. Возникает вопрос, почему же из всего многообразия ядер только их узкая полоска является стабильными?  Остальные ядра – радиоактивные, т.е. неустойчивые. Эти ядра стремятся преобразоваться в стабильные, что в конечном счете с ними и происходит.
       Рассмотрим, что такое радиоактивность ядер? В квантовой механике действует, так называемый, «туннельный эффект». Суть его в следующем. Если есть система микрочастиц, в которой сила отталкивания, действующая между частицами, в интегральном, т.е. в усредненном плане, преобладает над силами притяжения, то это не значит, что в системе должен действовать непрерывный процесс ее распада, как это происходит в классической механике, например, при взрыве взрывчатых веществ. В квантовой механике такая система может находиться в устойчивом состоянии весьма длительное время до момента ее распада. Это и есть действие туннельного эффекта. Если одна сила стремиться разрушить систему, а  вторая стремится ее сохранить и, с энергетической точки зрения, система должна разрушиться, а сила стабилизации при локальном состоянии системы превосходит по своей величине разрушающую силу, то такое состояние для системы микрочастиц называется потенциальным барьером. Разрушение такой системы определяется квантовым законом вероятности разрушения неустойчивости микрочастиц. Вот почему потенциально неустойчивая система микрочастиц, с квантовой точки зрения, может находиться в устойчивом состоянии весьма длительное время. Ее немедленному разрушению мешает потенциальный барьер. Суть этого барьера заключается в том, что текущей кинетической энергии, которой обладает микрочастица, оказывается недостаточно для преодоления этого барьера. Но кинетическая энергия между микрочастицами со временем перераспределяется по вероятностным законам. Рано или поздно, у микрочастиц возникает такое перераспределение их энергетического состояния, что у части микрочастиц скапливается кинетическая энергия такой величины, что ее оказывается достаточно для преодоления энергетического потенциального барьера и система микрочастиц распадается на независимые самостоятельные части.
      Аналогия с классической механикой здесь следующая. Сжатый под большим давлением газ находится в замкнутом сосуде с клапаном сброса газа из сосуда. Сосуд находится в состоянии предельной прочности его стенок. Существуют различные виды радиоактивности ядер атомов, поэтому рассмотрим несколько аналогий.
      Первый случай. Система с сжатым газом может находиться в стабильном состоянии сколь угодно долго.
       Второй случай. Повысим давление газа на такую величину, что система, по-прежнему, находится в стабильном состоянии, но через некоторое неопределённое время стенки сосуда не выдерживают давления газа и происходит разрушение физической системы в виде взрыва. Это разрушение атомного ядра.
      Третий случай. Клапан самопроизвольно срабатывает через неопределённое время. Часть газа вырывается наружу, и в дальнейшем система будет находиться в стабильном состоянии сколь угодно долгое время. Это соответствует случаю, когда из ядра выбрасываются несколько нуклонов.
        Что же играет роль сосуда в квантовой механике? Это силы притяжения с коротким радиусом действия. Роль сжатого газа играют силы отталкивания с длинным радиусом действия.
         В ядрах атомов роль сосуда играют кварковые силы притяжения, а роль сжатого газа, следующие силы отталкивания, это:
  - квантово-центробежные, определяемые вращением кварков вокруг точки центра массы ядра;
  - кулоновские (электростатические).
        При столкновении двух ядер высоких энергий возможно образование единого энергетически сильно возбужденного хаотичного кваркового клубка, который в дальнейшем распадается на самостоятельные устойчивые ядра. После  распада сложного ядра во вторичных ядрах очередность расположения кварковых нуклонных слоев всегда точно соответствует тем атомным ядрам, которые уже существуют в природе. Такая структуризация ядер происходит автоматически под действием тех совокупных физических сил, которые действуют между кварками. Ядра атомов, в частности всегда являются кварково-нейтральными относительно кварковых зарядов. Все без исключения нуклоны, входящие в состав устойчивых и квазиустойчивых ядер в той ли иной степени выведены из состояния стопроцентного насыщения кварковых сил. Именно по этой причине они удерживаются в составе ядер кварковыми силами притяжения. Энергетическое возбуждение конкретного атомного ядра при столкновении ядер сопровождается в частности соответствующим уменьшением его пространственного обьема, что аналогично энергии сжатия пружины (статья «7. Концепция теории образования и эволюции звезд». Раздел 2.1 «Стартовый этап»).
     Ядра атомов представлены большими количествами. Из всего многообразия выделим стабильные и включим в этот ряд нейтрон (n) и ядро атома трития (t). Построим график дефекта массы, выделенного ряда ядер атомов по следующему правилу. По горизонтальной оси будем откладывать массовое число ядер. По вертикальной оси будем откладывать среднюю массу нуклона данного ядра за минусом средней массы нуклона ядра железа56, которое с энергетической точки зрения являются самым прочным из всех сложных ядер химических элементов таблицы Менделеева (рис. 5). Наблюдаемые изломы линии, соединяющие точки графика, объясняются той нуклонно-кварковой структурой, которая формируется при построении ядер атомов.
  
  Рис.5.1
    
  
  Рис.5.2
  
  Рис.5.3
       Структура ядер атомов слоисто-орбитальная. В самостоятельных нуклонах сформирован первый орбитальный кварковый слой для ядер (n=1). Планиметрические схемы протона и нейтрона приведены на рисунках
  
                                  Схема «р»                                                 Схема «n»           
  Где:   ᴼ   - обозначение кварков u;
            ∙  - зачерненные точки – кварки d.
      Следующие кварковые орбиты представлены четырьмя кварковыми структурами: это дейтерий (D), тритий (t),гелий3 и гелий4. Такие орбиты является начальными для сложных ядер, которые начинаются с дейтерия. Таким образом, простейшей нуклонной кварковой конструкцией является ядро атома дейтерия, которое состоит из протона и нейтрона:
  D=p+n
     На кварковом уровне детализации дейтерий состоит из трех кварков  u  и трех кварков  d
  
  Схема D
  Где: В1 – процесс обмена нуклонов кварками  u  и d.
     Следующими по массовому числу являются гелий3 и тритий. Эти ядра представлены трехслойной ядерной конструкцией, вложенной друг в друга. Схемы этих ядер в планиметрическом виде приведены ниже. Схема обмена кварками здесь сложней, чем в дейтерии.
  
                                      Схема He3 = D+p                                   Схема t= D+n
      Следующим элементом, который относится к первой ядерной орбите, является гелий4, представленный четырехслойной атомной конструкцией. Планиметрическая схема приведена на рисунке:
  
                                                                 Схема He4 = D+ D
       Нуклоны, с точки зрения кваркового заряда, является бесцветными. Это правило полностью сохраняется и при вхождении нуклонов в любые ядра. Таким образом, все без исключения ядра являются бесцветными. Причем, кварковый триплет, образующий конкретный нуклон в ядре, стремиться группироваться так, чтобы пространственно идентифицироваться с конкретным нуклоном вне зависимости от тех траекторий, вблизи которых вероятностно расположены конкретные кварки. Таким образом, в целом, ядро можно рассматривать как совокупность нуклонов, подразумевая при этом их кварковую структуру.
      Аналогично, и нуклоны в ядрах стремиться группироваться в виде структур, соответствующих конкретным ядрам, располагаясь на соответствующих орбитах. В частности, ядро гелия4 является особым ядром. На кварки, как на фермионы, распространяется принцип запрета Паули. Рассмотрим, как этот запрет связан с ядром гелия4. Кварки гелия4 занимают одну орбиту, но ядро гелия4 состоит  из 12 кварков! Каким же образом на этой орбите размещено такое количество кварков?
        Рассмотрим квантовое состояние кварков. Квантовыми числами кварков являются:
  - спин – два состояния;
  - аромат – два состояния;
  - цветность – три состояния.
         Перемножив эти числа, мы получаем 12 квантовых состояний кварков. Именно такое количество кварков находится на орбите ядра гелий4. Это ядерная орбита, оказывается, полностью заполнена кварками с различными квантовыми состояниями. И хотя ядро гелия4 энергетически является не самым прочным среди ядер атомов, тем не менее, рассмотренная особенность структуры этого ядра оказывается настолько важной, при построении конструкции более сложных ядер, что правило «четырехнуклонности» энергетической прочности прослеживается во всех ядрах химических элементов. По-другому это правило назовем «правилом четырехнуклонной периодичности построения ядерных структур».
     Размещение на первой орбите  пятинуклонной ядерной конструкции запрещено принципом запрета Паули. Именно по этой причине отсутствует стабильное ядерное ядро гелия5. Чтобы в дальнейшем упростить описание структуры ядер атомов сугубо абстрактно, примем,  что в ядрах на орбитах вращаются не кварки, а нуклоны, как отдельные самостоятельные частицы, подразумевая при этом их кварковое строение. Эти орбиты будем называть «нуклонными».
      После заполнение первой орбиты, при дальнейшем усложнении ядерных структур, происходит переход к заполнению нуклонами второй орбиты (п.=2). К этой орбите относятся ядра атомов лития6 и лития7.
  Li6=3D          
      Li7=2D+t
       Эта орбита представлена тремя неполными нуклонными орбитами.
       На следующем этапе происходит переход к заполнению третьей орбиты (п = 3). На этой орбите последовательно располагаются ядра следующих четырех химических элементов:
  Be9=He3+2t
  B10=He4+He3+t
  B11=2He4+He3+t
  C12=3He4
      Таким образом, повышенная энергетическая прочность углерода12 объясняется тем, что его структура представлена тремя нуклонными орбитами, на каждой из которых вращается тетрада нуклонов, структура которых соответствует структуре гелия4.
      После углерода12 происходит переход к построению четвертой орбиты (п=4). Эта структура представлена ядрами атомов от углерода13 до кремния28. Эта структура строиться аналогично структуре третьей орбиты с некоторым отличием. Отличие заключается в следующем: четвертая орбита представлена не тремя3, а четырьмя нуклонными орбитами. Таким образом, в рассматриваемом ряде ядер происходит периодичность изменений энергетической прочности ядер с периодом в четыре нуклона (рис.5.2).  Это связано с периодичностью заполнения третьей орбиты с нуклонным периодом гелия4. Эта периодичность заканчивается ядром кремния28.
       Пятая орбита (п = 5) последовательно заполняется нуклонами от кремния29 до железа56 включительно. На калии39 происходит разрыв апроксимальной прямой линии. Продолжение прямой аппроксимирующей линии начинается с кальция40. Это связано с тем, что на пятой орбите структура ядер с сорокануклонным составом (аргон40, калий40, кальций40) строится по количеству нуклонов следующим образом.
  A40=Si28+A12
     По количеству нуклонов ядро А12 соответствует углероду12. В целом на пятой орбите расположено семь нуклонных орбит.
      Построение шестой нуклонной орбиты (п=6) происходит в ядрах атомов от железа57 до молибдена92. Изломы апроксимальной прямой линии происходят на криптоне80 (селен80), нуклонный состав которых определяется следующей суммой нуклонов
  A80=Fe56+A24
      По количеству нуклонов А24 соответствует магнию24. Соответственно:
  Fe56=2A28
      Где: А28 – по нуклонному составу соответствует кремнию28. В целом на шестой орбите разместились девять нуклонных орбит. Заканчивается этот ряд ядер молибденом92.
      Между молибденом92 и ртутью204 весь ряд дефекта массы нуклонов хорошо апроксимируется прямой линией. Тем не менее, заметно лучшее совпадение точек с прямой линией от сомария144 до ртути204. Это связано с тем, что на самарии144 заканчивается заполнение очередной седьмой орбиты. На этой орбите размещается тринадцать нуклонных орбит.
      Последняя, восьмая орбита с полным заполнением нуклонами, заканчивается именно на ртути204. Эта орбита содержит пятнадцать нуклонных орбит.
      Девятая орбита начинается с талия205 и заканчивается элементом А272, это борий272 с периодом полураспада 9.8 сек. Этот элемент является 107 элементом таблицы Менделеева. Девятая орбита является последней, к которой относятся стабильные ядра атомов. Таких ядер всего пять, это:
  - одно ядро талия;
  - три ядра свинца;
  - одно ядро висмута.
      На висмуте209 заканчивается ряд стабильных ядер химических элементов. Средним по массовому числу ядром, входящих в ряд ядер девятой орбиты является ядро урана238 [(204+272)/2=238]. Уран238 является последним химическим элементом таблицы Менделеева, встречающимся в земных недрах в естественных условиях.
      В структуре атомных ядер кварковые слои распределены по следующим групповым орбитам:
  - первая орбита заканчивается гелием4 и на ней поочередно располагаются ядра атомов от
    водорода1 до гелия4;
  - на второй орбите располагаются кварки, представляющие литий6 и литий7;
  - третья орбита заканчивается углеродом12, и на ней располагаются элементы, начиная от
     берилия9;
  - четвертая орбита заканчивается кремнием28 и на ней располагаются ядра химических
     элементов, начиная от углерода13;
  - пятая орбита заканчивается железом56 и на ней располагаются ядра химических
     элементов, начиная от кремния29;
  - шестая орбита заканчивается молибденом92 и на ней располагаются ядра химических
    элементов, начиная от железа57;
  - седьмая орбита заканчивается самарием94 и на ней располагаются ядра химических
    элементов, начиная от необия93;
  - восьмая орбита заканчивается ртутью204 и на ней располагаются ядра химических
    элементов, начиная от неодима145.
    Данные по нуклонным орбитам сведены в таблицу 1.
  Таблица 1.

№ орбиты	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Химический элемент	He4	Li7	C12	Si28	Fe56	Mo92	Sm144	Hg204	Bo272
Количество нуклонных орбит	1*4 1	3 3	3*4 12	4*4 16	7*4 28	9*4 36	13*4 52	15*4 60	17*4 68

    На групповых орбитах нуклонные орбиты суммируются следующими числами:

3.    3=3+0

4.    4=4+0

5.    7=3+4

6.   9=3+3+3

7.   13=3+3+3+4

8.   15=3+3+3+3+3

9.  17=3+3+3+4+4

    Определим радиус первой орбиты через величину размеров сложных ядер, которые определим с использованием эмпирической формулы (13) следующим образом. Зная размер ядра и номер групповой орбиты, которой соответствует верхний кварковый слой, разделим радиус ядра на номер орбиты:

                 (17)

Где:  – радиус ядра, соответствующий групповому квантовому числу n,

       А -  массовое число ядра.

  Данные вычисления сведены в таблицу 2.

Таблица 2.

Химические элементы	C12-C13	Si28-Si29	Fe56-Fi57	Mo92-No93	Cm144-Nd145	Hg204-Tl205
Радиус ядра [Фм]	3.27	4.0	4.85	5.58	6.36	7.07
Квантовые числа	4	5	6	7	8	9
Радиус групповой орбиты	0.82	0.8	0.81	0.8	0.8	0.79

     Результирующий радиус первой кварковой орбиты определим, как среднюю величину радиусов, приведенных в таблице.

r=0.8[Фм]                                 (18)

    Экспериментально было определено: радиус нуклона не превышает величины равной 0.87Фм. Различия между полученной и измеренной величинами радиуса нуклона заключается в том, что у нуклонов, как и у ядер атомов, нет четкой пространственной границы, т.к. кварки движутся по вероятностным траекториям. Эти границы носит диффузный расплывчатый характер. Именно параметр диффузности определяет величину спада плотности ядерного вещества на внешней границе ядер. Для тяжелых ядер эта величина примерно равна 2Фм. Величина радиуса равная 0.8Фм определяет не границу нуклона, а наиболее вероятный усредненный радиус орбиты, по которой движутся кварки в нуклонах.

   Возникает вопрос, обладают ли кварки массой покоя? Если у кварков отсутствует масса покоя, то они должны перемещаться по нуклонным орбитам со скоростью света. Средняя масса кварков в нуклонах равна 0.558∙10*(-27)кг. В этом случае радиус наиболее вероятной траектории был бы равен следующей величине:

Где:    ħ  - постоянная Планка – Дирака,

           – масса кварка,

         С – скорость света.

    Эта величина противоречит приведенным выше размерам нуклонов, следовательно, кварки обладают массой покоя, причем, наиболее вероятный радиус орбит кварков в нуклонах находиться в следующих пределах:

0.63Фм < r < 0.87Фм                                 (20)

     Определим усредненную орбитальную скорость движения кварков в нуклонах:

     Определим среднюю массу покоя кварков:

     Существование кварков может происходить только в состоянии их непрерывного орбитального движения с околосветовой скоростью. При этом в нуклонах кварки движутся по своей первой ядерной орбите.

    Определим квантово-центробежную силу, действующую на кварки, находящихся на соответствующих групповых орбитах:

     Обратим внимание, орбитальные скорости движения кварков, движущиеся на различных  групповых орбитах, отличаются  между собой на относительно небольшую величину:

    Таким образом, по мере роста размера ядер при последовательном заполнении кварковых орбит в первом приближении, силы, действующие на кварки, убывают обратно пропорционально радиусу орбиты. Учтем, что (таблица 2):

                             (25)

    Определим среднюю силу, действующую на кварки:

   Как видно из полученного результата, нуклоны представляют собой весьма жёсткую кварковую конструкцию. Они представлены тремя кварками, поэтому величина центробежной силы в произвольных ядрах, действующей на нуклон, определяется следующей формулой:

   Приняв по аналогии с гравитационными и электрическими силами, что в нуклонах кварковые силы подчиняются закону обратных квадратов, определим величину константы кварковых сил притяжения, действующих между кварками в нуклонах. Нуклоны представлены кварковыми триплетами, в которых кварки связаны между собой кварковыми силами. Кварки в нуклонах размещены, в первом приближении, в вершинах равностороннего треугольника. Поместим вершины треугольника на линию окружности радиуса r=r1:

      Исходя из схемы размещения кварков, расстояние между ними равно следующей величине:

     Таким образом, каждая отдельная сила, действующая на кварк со стороны других кварков, определяется следующей величиной:

Где:  – квантовая константа,

         – кварковый заряд.

     Составляющая этой силы, направленная к точке центра массы нуклона равна следующей величине:

                                     (30)

   Полная кварковая сила, действующая на каждый из кварков, равна:

   Приняв, что сила кваркового притяжения много больше сил электростатического отталкивания, определим константу кваркового взаимодействия.

Где:  m - масса кварка,

        v - орбитальная скорость движения кварка,

        ħ - постоянная Планка- Дирака.

    Приняв, что численно  , получим:

    Запишем выражение для силы электростатического отталкивания, действующей между двумя положительно электрически заряженными кварками с электрическим зарядом равным 2/3е и, находящихся друг от друга на расстоянии l:    

     Определим отношение кварковой силы притяжения к электростатической силе отталкивания, действующей в протоне, без учета электрического заряда кварка d:

       (35)

     Определим характер кварковой силы, действующей на поверхностные нейтронные и протонные нуклоны в ядрах атомов в зависимости от размеров ядер следующим образом:

- действие силы на нейтронный нуклон определяется величиной квантово-центробежной силы связанной с вращением кварковых нуклонов вокруг точки центра массы ядра;

- на протонный нуклон, помимо центробежной силы, дополнительно действует еще и кулоновская сила.

   Эти силы отталкивания уравновешены кварковой силой притяжения.

   Действие центробежной квантовой силы определим по формуле 24:

Эта сила оказывает одинаковое воздействие и на протон и на нейтрон.

   Величину кулоновской силы, действующей на протоны, определим по формуле:     

          Результирующие вычисления сведены в таблицу 3:

Таблица 3.

Химический элемент	D	He3	He4	Li6	Li7	Be9	B10	B11	C12	C13	Si28	Fe56	Mo92	Cm144	Hg204
Z	1	2	2	3	3	4	5	5	6	6	14	26	42	62	80
	1.15	1.3	1.6	2.1	2.3	2.95	3.02	3.1	3.17	3.24	3.98	4.84	5.57	6.36	7.06
	8.2	6.3	5.9	4.5	4.1	3.2	3.13	3.0	3.0	2.9	2.4	1.9	1.7	1.5	1.3
[%]	0.2	0.4	0.3	0.35	0.2	0.3	0.4	0.4	0.47	0.4	0.8	1.3	1.8	2.4	2.8

     Кулоновские силы только в тяжелых ядрах достигают величины около 3% относительно кварковых сил притяжения. Таким образом, кулоновские силы в ядрах атома играют второстепенную роль по сравнению с кварковыми силами, действующими между нуклонами.

    Определим предельные параметры ядер химических элементов, исходя из условий, что электроны, представляющие электронную оболочку атомов, не могут вращаться в том объёме пространства, которое занимает атомное ядро.

    Запишем следующее выражение:

               (38)

Где:   m    - масса электрона,

               - орбитальная скорость движения электрона,

           r   - радиус электронной орбиты,

           ħ  - постоянная Планка-Дирака,

           F  - сила, действующая на электрон,

           K – электрическая константа, равная ,

           e  - электрический заряд электрона,

           z   - количество электронов в атомном ядре (зарядовое число ядра). Порядковый

                      номер атома в таблице Менделеева.

           A  - массовое число ядра.

               (39)

              (40)

      Поскольку, скорость движения электрона не может быть больше скорости света, отсюда получим первое ограничение на параметры атомного ядра:

          (41)

      В тяжелых ядрах:

A=2.5z=345

Z=138;         A=345

     Этот результат справедлив, если принять, что атомное ядро имеет точечный размер. Реальные ядра атомов имеют конечные размеры, причем, чем массивней атомное ядро, тем больше его форма отклоняется от сферической. С учетом этого обстоятельства, примем, относительно стабильными атомами химических элементов являются такие, у которых расстояние между поверхностью ядра и орбитой электрона, равно или превышает три усредненных радиуса ядра. Таким образом, минимальный радиус орбиты электрона равен четырем усредненным радиусам атомного ядра. У тяжелых ядер орбитальные скорости движения электронов достигают релятивистких скоростей.

     Отсюда следует, масса электрона изменяется следующим образом:

              (42)

            (43)

           (44)

                 (45)

Где:    - радиус орбиты электрона,

           - четырехкратный усредненный радиус атомного ядра.

                (46)

   Отсюда получим:

           (47)

Поскольку рассматриваются большие значения z, отсюда получим:

                 (48)

                (49)

              (50)

        (51)

             (52)

            (53)

z = 136;   A = 340         (54)

Определим радиус к-той орбиты для атомного ядра: z = 124; A = 310.

               (55)

           (56)

                       (57)

     Средний радиус ядра равен:

 м              (58)

                    (59)

                (60)

     Радиус к-той электронной орбиты в 22 раза превосходит усредненный радиус атомного ядра.

      Орбитальная скорость движения электрона равна:

              (61)

      Масса электрона равна:

 кг                   (62)

 кг

      Предельные параметры ядер атомов равны следующим величинам:    z = 136,    A = 310.

В реальности, устойчивость ядер атомов нарушается при меньших значениях, чем z = 136,    A = 310. Неустойчивость обусловлена не электронными оболочками ядер, а их внутренней структурой.

     В экспериментах по синтезу сверхтяжелых ядер удалось синтезировать химический элемент с зарядным числом   z = 118. В качестве мишени использовался калифорний, который облучался ядрами химического элемента кальций48.

Рассмотрим сущность механизма выделения энергии, происходящей при взаимодействии квантовых микрочастиц. Для того чтобы различать микрочастицы введем следующие два понятия:

- фундаментальные микрочастицы,

- базовые микрочастицы.

Фундаментальные микрочастицы – это кварки и электроны.

Базовые микрочастицы – это ядра атомов, атомы и молекулы.

Базовые микрочастицы состоят из фундаментальных микрочастиц. Ядра атомов состоят из кварков, атомы и молекулы – из ядер атомов и электронов.

Выделение энергии может происходить, в частности, при ядерных и химических реакциях. Для этого необходимо чтобы предварительно в пространстве происходило столкновение соответствующих, именно, базовых микрочастиц: при химических реакциях – атомов химических элементов; при ядерных реакциях – ядер атомов. Но при не каждом столкновении происходит выделение энергии. Столкновения могут носить упругий и не упругий характер.

Упругие столкновения – это такие, при которых после столкновение тип базовых микрочастиц не изменяется. При таких столкновениях выделение энергии не происходит, если исключить из рассмотрения тепловые эффекты. Сущностью упругих столкновений заключается в следующем. И ядра атомов и атомы представлены аналогичными конструкциями. Это совокупность фундаментальных микрочастиц, которые вращаются вокруг центров масс базовых микрочастиц. В ядрах атомов – это кварки, в атомах – это электроны. Такая модель базовых микрочастиц названа планетарной. Орбитальная скорость вращения фундаментальных микрочастиц настолько велика, что базовые микрочастицы в первом приближении можно представить в виде шариков с гладкой поверхностью, где поверхность представлена соответствующими внешними орбитальными фундаментальными микрочастицами. Таким образом, при упругом столкновении базовых микрочастиц происходит вдавливание их внешних оболочек, что уменьшает объёмы базовых микрочастиц, занимаемого ими пространства. В них происходит накопление внутренней потенциальной энергии. Это приводит к уменьшению скорости движения сталкивающихся базовых микрочастиц, т.е. происходит переход кинетической энергии базовых микрочастиц в их внутреннюю потенциальную энергию. При столкновении базовых микрочастиц начинает расти сила отталкивания, действующая между сталкивающими микрочастицами от нулевого до некоторого максимального значения. Скорость их движения уменьшается от исходной до некоторой минимальной величины. Затем сила отталкивания начинает преобладать над кинетической силой сталкивающихся базовых микрочастиц и микрочастицы разлетаются в пространстве, восстанавливая свои исходные обьемы, т.е. те, которые они имели до столкновения. При таких столкновениях выделение энергии не происходит.

Но существует и второй тип столкновения базовых микрочастиц – не упругий. Здесь представляет интерес такой тип неупругого взаимодействия, который изменяет природу микрочастиц. При ядерных взаимодействиях изменяется тип ядер, а при химических, происходит всевозможные химические реакции. Такие взаимодействия возникают, если энергия сталкивающихся микрочастиц превосходит некоторое пороговое значение.

Отметим еще одно чрезвычайно важное обстоятельство, характеризующее энергетическое состояние базовых микрочастиц представленных нерадиоактивными ядрами и атомами. В свободном состоянии конфигурация базовых микрочастиц такова, что они находятся в таком стационарном состоянии, при котором внутренняя энергия этих микрочастиц минимальна. При этом состоянии из базовых микрочастиц невозможно выделение свободной энергии, т.е. они способны находиться в таком состоянии неограниченно долгое время.

В отличие от состояния с минимальной величиной внутренней энергии существуют два энергетически возбужденных состояния:

1. С увеличенным объёмом базовых микрочастиц.
2. С уменьшенным объёмом базовых микрочастиц.

Энергетическое состояние с увеличенным объёмом – это состояние, когда фундаментальные микрочастицы, представляющие данную базовую, переходят на вращение на более удаленные от точки центра массы данной микрочастицы орбиты. В этом случае, внешняя энергия затрачивается на перемещение фундаментальной микрочастицы на более высокие орбиты.

В целом энергетическое состояние фундаментальных микрочастиц, входящих в состав базовых, определяется:

- величиной их релятивисткой массы,

- кинетической энергией,

- потенциальной энергией,

- энергией орбитального вращательного движения.

В отличие от кварков, которые не способны покидать окрестности тех ядер, которые они представляют, электроны способны отделяться от атомов и существовать в свободном состоянии. Для таких электронов относительно тех атомов, которые они покинули, их энергетическое состояние определяется:

- величиной их релятивисткой массы,

- кинетической энергией,

- потенциальной энергией.

У таких электронов исчезает энергия их орбитального вращательного движения. Для общего анализа энергетического состояния микрочастиц этот фактор не носит принципиального характера.

Итак, увеличенное энергетическое состояние базовых микрочастиц может быть только при изменении их объёма либо в сторону его уменьшения, либо в сторону его увеличения. Рассмотрим, каким образом этот фактор относится к ядерным и химическим реакциям с энергетической точки зрения.

Как было сказано выше, если при столкновении базовых микрочастиц энергия их столкновения превосходит некоторое пороговое значение, то происходит либо ядерное, либо химическое изменение их состояния. Поскольку энергия столкновения высока, то при столкновении происходит весьма бурная перестройка их структуры, представленная фундаментальными микрочастицами.

При ядерных столкновениях исходные ядра могут либо объединяться в более крупные, либо делиться на более мелкие.

При химических реакциях аналогичная ситуация возникает с взаимодействующими атомами, в процессе которого образуются новые химические вещества. Но вот что здесь чрезвычайно важно, это изменение совокупной массы базовых микрочастиц до и после их столкновения, а точнее, ее уменьшение. Так вот, если после столкновения базовых микрочастиц их совокупная масса стала меньше, то только в этом случае происходит выделение энергии. При столкновении в ходе образования базовых микрочастиц, в продуктах столкновения фундаментальные микрочастицы срываются с их исходных стационарных орбит, и они хаотично переходят на вращение, как на более низкие, так и на более высокие орбиты их движения. На следующем этапе, в базовых частицах продуктах столкновения происходит упорядочивание орбит, т.е. их переход в стационарное, стабильное орбит вращение. При этих переходах происходит излучение избыточной энергии в виде фотонов. Это первый тип выделяемой энергии.

Второй тип, это рост кинетической энергии результирующих базовых микрочастиц, родившихся при столкновении первичных базовых микрочастиц. Рассмотрим, почему возникает этот эффект.

Стабильность стационарной структуры базовым микрочастицам обеспечивается уравновешенностью действия сил притяжения – отталкивания. В ядрах такими силами являются кварковые силы притяжения и центробежная сила отталкивания, вызванная вращением кварков вокруг центров масс ядер. В атомах такими силами являются электрические силы притяжения и те же центробежные силы отталкивания, действующие на вращающиеся вокруг центров масс атомов, электроны. Отметим, электрические силы является чрезвычайно мощными силами, например, именно за счет действия электрических сил отталкивания происходит выделение энергии при распаде ядер тяжелых химических элементов.

Отметим, во вселенной выполняется закон сохранения энергии при протекании химических и ядерных реакций.

Во вселенной действует также закон релятивистского изменения массы. Это изменение массы физических объектов при изменении скорости их движения. В частности, при приближении скорости движения, как фундаментальных, так и базовых микрочастиц к скорости света, неограниченно растет величина их массы.

Как было сказано выше, выделение энергии происходит при протекании реакций:

- химических,

- ядерных.

Выделение энергии при ядерных реакциях происходит при:

- делении тяжелых ядер химических элементов,

- слиянии ядер легких химических элементов.

При делении тяжелых ядер выделение энергии происходит за счет электрической силы отталкивания, действующей между осколками делящихся ядер.

При слиянии легких ядер химических элементов выделение энергии происходит за счет чрезвычайно мощных кварковых сил притяжения, действующих между кварками.

При химических реакциях выделение энергии происходит за счет изменения величины электромагнитных сил, действующих между ядрами атомов и электронами (экзотермические реакции).

Возникает вопрос, как конкретно действует механизм выделения энергии на микроуровневом организации материи вселенной?

Рассмотрим две микрочастицы, тяжелую и легкую, которые взаимодействуют силами притяжения таким образом, что легкая микрочастица вращается вокруг тяжелой по стационарной квантовой орбите. Примем, центральная тяжелая микрочастица способна дискретно изменять свой заряд, которым она взаимодействует с легкой микрочастицей, либо он увеличивается, либо заряд уменьшается в два раза. Что произойдет при этом с легкой микрочастицей? При уменьшении заряда тяжелой микрочастицы легкая - перейдет на вращение по более удаленной квантовой орбите, а при удвоении заряда тяжелой микрочастицы, легкая перейдет на вращение по более близко расположенной орбите к тяжелой микрочастице. После перехода при удалении легкой микрочастицы от тяжелой, линейная орбитальная скорость ее движения уменьшиться, а после перехода на вращение по ближе расположенной орбите линейно-орбитальная скорость ее движения возрастет.

Согласно действию релятивистского эффекта при этих переходах частица не просто переходит с вращения с одной орбиты на другую, она изменяет величину своей массы. При удалении легкой микрочастицы от тяжелой ее масса уменьшиться, а при приближении к тяжелой частице масса легкой микрочастицы возрастет.

Теперь представим, легкая частица движется в пространстве самостоятельно по прямолинейной траектории. Что произойдет, если ее масса изменится? Согласно закону сохранения энергии масса не может бесследно исчезнуть, поэтому точно на величину изменения массы в энергетических единицах произойдет соответствующее изменение величины кинетической энергии движущейся микрочастицы. В этом и заключается сущность механизма выделения энергии при протекании химических и ядерных реакций вне зависимости от типов реакций.

При взаимодействии базовых микрочастиц происходит изменение той структуры этих частиц, которая представлена фундаментальными частичками. Изменение этой структуры может приводить к следующим результатам, а именно, к изменению совокупной массы микрочастиц следующим образом. Если в продуктах реакций фундаментальные микрочастицы в усредненном плане переходят на вращение по более удаленным орбитам, чем те, по которым они вращались до столкновения базовых микрочастиц, то линейная орбитальная скорость их движения уменьшиться. Это приведет к соответствующему уменьшению их совокупной массы. Избыточная энергия преобразуется в излучение фотонов соответствующих энергий и кинетическую энергию базовых микрочастиц, родившихся в результате действий соответствующих реакций. Таким образом, не упругие взаимодействия между фундаментальными микрочастицами могут приводить к тому, что изменится совокупная масса фундаментальных микрочастиц, представляющих данные базовые микрочастицы и, в частности, она может уменьшиться. Если такое произойдет и только в этом случае возникает механизм выделения энергии при реакциях, действующих между базовыми микрочастицами, а именно уменьшится результирующая совокупная масса базовых микрочастиц, которая, в частности, преобразуется в их дополнительную кинетическую энергию, что и определяет величину части выделившейся энергии при протекании химических и ядерных реакций. Возрастает температура вещества. Таким образом, эффект уменьшения массы физических объектов является потенциальной энергией преобразование массы в кинетическую и фотонную энергии.

Отсюда следует, если бы в природе отсутствовали релятивистские эффекты, то не наблюдался бы и эффект выделения энергии при химических и ядерных реакциях, возникающий при не упругом взаимодействии базовых микрочастиц.

Для атомных неупругих взаимодействий существует и следующий уровень состояния вещества, когда энергия сталкивающихся атомов настолько велика, что она превышает порог ионизации атомов. При таких столкновениях энергия взаимодействия электронов такова, что они выбивают друг друга со стационарных орбит и вещество переходит в плазменное состояние, представленное ядрами атомов и свободными электронами. Причем, по мере роста температуры вещества, его совокупная масса возрастает, т.е. вещество поглощает подводимую к нему извне энергию, которая накапливается в веществе, в частности, в виде релятивисткой массы.

Валерий Гребенников     (8-928-16-00-581)

http://gvaleriy.blogspot.ru/2016/03/blog-post.html