Баллистическая теория Ритца и картина мироздания

Семиков Сергей Александрович

Итак, наиболее стабильны самые симметричные дважды магические ядра: в них слои полностью укомплектованы и, потому, с трудом отдают и поглощают частицы. Просто магические ядра менее симметричны: один слой у них не дозаполнен. Поэтому избыток их стабильности менее выражен. Все прочие ядра — ещё менее симметричны: не дозаполнены оба крайних слоя, и эти ядра не выделяются стабильностью. Но и среди них есть более стабильные, — это ядра с чётным числом протонов и нейтронов. Возможно, повышенная стабильность связана с тем, что в нуклонных ячейках и слоях протоны спаяны в пары, равно как нейтроны. Потому, кстати, и вылетают они обычно из ядер связанными парами, скажем, — в -распадах, или в двухпротонных и двухнейтронных распадах (причина этого, видимо, кроется в особой форме протонов и нейтронов, имеющих разные выступы и впадины, укрепляющие связь частиц и объясняющие "стремление" протонов и нейтронов формировать отдельные слои-оболочки, § 3.12).

В такой стабильности ядер, образованных

из протонных и нейтронных пар, снова видно родство химических и ядерных свойств. Так, более устойчивы химические соединения с чётным числом связующих электронов (отсюда термин "электронная пара"). Да и элементы с чётным числом электронов — всегда более инертны, чем элементы с нечётным. Ведь, только чётное число частиц симметрично заполняет слои. А, именно, симметрия, геометрический порядок, как показал пример атомов и магических ядер, является мерой прочности и стабильности. Замечательно, что и к строению ядер, кристаллов наглядно-геометрическая баллистическая аналогия имеет прямое отношение, поскольку ядра возле пушек издавна складывали в форме фигурных ядерных пирамид. Поэтому, именно сложенные пирамидкой пушечные ядра обычно приводят в качестве иллюстрации пирамидальных чисел и модели укладки атомов в кристаллах.

Бипирамидальная кристаллическая модель ядра легко объясняет, почему тяжёлые ядра делятся на две части: в отношении три к двум [135]. Бипирамида разламывается по перемычке на две пирамиды, отношение масс M ₁/ M ₂которых равно в среднем отношению двух соседних пирамидальных чисел: у тяжёлых ядер — как раз 3:2 (Рис. 114). Это же открывает причину, по которой у тяжёлых ядер соотношение числа нейтронов и протонов N/ Zтоже равно 3:2. Ведь, если сложить отдельно протонные (штрихованные) и нейтронные слои, то они образуют две пирамиды, причём в нейтронной пирамиде будет на один слой больше (Рис. 114). Объясняет бипирамида и большое число изотопов тяжёлых элементов [79], и свойства, следующие из капельной модели ядра. Ядерные силы удерживают протонные слои от разлёта, благодаря слоям нейтронов, которые их разделяют. Однако, у тяжёлых элементов отталкивание протонов столь велико, что, начиная с полония, ядра нестабильны, и, с ростом атомного номера, стабильность их всё падает.

Многие [21, 79], включая и физиков-ядерщиков [169], уже допускают, что ядро подобно кристаллу. И, точно, именно кристаллическая бипирамидальная модель ядра позволяет единым образом описать все ядерные и химические свойства элементов. Вскоре она позволит составить и своего рода периодическую таблицу ядер, вроде таблицы Менделеева, графически задающей свойства элементов.

Рис. 114. Деление бипирамидального ядра на два осколка-пирамиды с отношением масс 3:2. Пирамиды не равны, поскольку крайние слои образованы нейтронами (которые в ядре преобладают): в одной пирамиде слоёв на один больше.

Аналогия химии и ядерной физики позволяет понять и природу изомерии атомных ядер. Ядро из данного числа протонов и нейтронов можно построить многими способами, по-разному располагая частицы в слоях. Тогда, даже ядра с одинаковым протон-нейтронным составом, но разным строением, будут иметь разные стабильности. Это и есть ядра-изомеры, аналогичные молекулам-изомерам органической химии, имеющим одинаковый атомный состав, но разный порядок размещения атомов, а, значит, — разные свойства. Возможно, ядра способны распадаться разными путями и иметь несколько разных периодов полураспада [169], как раз ввиду того, что это смесь изомеров (процент данного типа распада определяется содержанием соответствующего изомера).

Итак, свойства ядер заданы не только числом образующих их протонов и нейтронов, но и размещением их в остове. Аналогично в структурной химии давно открыто, что свойства молекул зависят как от числа атомов-составляющих, так и от их пространственного расположения в молекуле, — от её структуры, как это впервые показал А.М. Бутлеров (§ 5.16). Такие молекулы с идентичным атомным составом, но разным строением и свойствами, называют "изомерами". То же верно и для ядер. Явление ядерной изомерии давно открыто О. Ганном и более подробно исследовано, например, И. Курчатовым. Есть много ядер-изомеров с одинаковым протон-нейтронным составом, но разными периодами полураспада. Здесь проявляется организующая роль остова, где нуклоны образуют разные конфигурации. В квантовой модели ядра этому нет объяснения, как нет объяснения и магическим числам нуклонов, оболочечной модели. Ведь в ядре, в отличие от атома, нет силового центра, который задавал бы по квантовой механике систему уровней [135]. А в кристаллической модели ядра такая задающая уровни структура есть, — это атомный остов.

Существование

и число изомеров данного ядра зависит от его массы. Есть так называемые "островки изомерии", области масс атомов с большим числом изомеров. Связано это с заполнением ядерных уровней: в зависимости от того, насколько занят данный уровень, может быть больше или меньше сравнительно устойчивых вариантов его пространственного заполнения нуклонами, соответственно, — больше или меньше изомеров разной стабильности. Это объясняет, почему островки изомерии расположены возле стабильных магических ядер с их завершёнными уровнями. Это же объясняет, почему изомеры обычно встречаются у ядер с нечётным числом протонов и нейтронов [135]. Чётное число нуклонов разбивается на пары: частицы оказываются попарно связаны в слоях, так же, как электроны. Это происходит потому, что число мест в слоях, в том числе и вдоль периметра, — чётное, и тем или иным способом спаренные нуклоны могут образовать устойчивую, завершённую или этапно-завершённую конфигурацию слоя. Зато, при наличии неспаренного нуклона частицы могут свободно перемещаться в слое, как фишки в пятнашках, образуя разные конфигурации-изомеры. Связь изомерии с пространственным размещением нуклонов в ядре прослеживается хотя бы у ¹⁸⁰Hf, у которого была отчётливо выявлена различная форма ядер изомеров. И, всё же, несмотря на то, что даже само слово "изомер" говорит о том, что явление связано с различным пространственным размещением нуклонов в ядре, физики, опираясь на разработанную Вейцзеккером квантовую теорию изомерии, считают, что изомеры — это лишь возбуждённые метастабильные состояния жидких бесструктурных ядер.

В целом, атом строится так: возводится бипирамидальный каркас, остов атома, и его раструбы послойно заполняются сначала протонами и нейтронами, затем электронами (Рис. 112, Рис. 113). И снова минимум энергии достигается при целиком заполненном слое, равно, как в кристалле, целиком заполненная атомами грань обеспечивает кристаллу минимум энергии и устойчивость, отчего их и находят в природе. Так, и среди ядер более стабильны ядра с полностью укомплектованными слоями протонов и нейтронов, — магические ядра. Они самые прочные, инертные и плохо взаимодействующие с пучками нейтронов. А среди атомов всего прочнее и химически устойчивей атомы инертных газов, с их полностью укомплектованными слоями электронов. Как видим, аналогия с кристаллами полная. Странно, что учёные, осознав высокую устойчивость целиком заполненных электронных слоёв, не провели параллель с устойчивостью заполненных атомных слоёв кристалла. Впрочем, учёные-классики — Дж. Томсон, Дж. Льюис, И. Ленгмюр, которые впервые и выдвинули идею электронных оболочек-слоёв, связали их стабильность именно с совершенной, целиком заполненной геометрической формой куба [49]. Лишь поздней эту мысль отвергли и перешли к абстрактным квантовым уровням, не имеющим геометрической интерпретации: в квантовой механике уровни и квантовые числа вводятся совершенно искусственно и формально.

Итак, именно модель атома Ритца пролагает мостик от атомных, химических свойств к ядерным, к свойствам элементарных частиц. Это ещё раз доказывает, сколь эффективны наглядные геометрические представления об атоме и атомном ядре. Ещё древние греки, открывшие фигурные числа, считали геометрию основой мира. Великий инженер Архимед особо ценил свои геометрические открытия, хотя был автором физических законов и удивительных машин. Подчёркивал особую роль геометрии и Пифагор, наделявший атомы конкретной формой многогранников. Так же, и Платон, удивительным образом предугадавший геометрическую форму атомных пирамидок, выше всего ставил геометрию, сделав соответствующую надпись над входом в свою Академию (§ 5.3). Нынешняя физика микромира много потеряла, отвергнув наглядные представления и чертежи, образный, геометрический, инженерный стиль мышления, подменив его абстрактно-аналитическим: формулами квантовой механики и теории относительности, лишёнными физического смысла и образа. В ходе формализации не только была утрачена наглядная адекватная картина мира, но и усложнились расчёты. Аналитическое решение многих задач микромира столь трудоёмко и громоздко, что даже ЭВМ не может с ними справиться. Пытаться понять с помощью формального, негеометрического описания устройство атома и микромира столь же безнадёжно, как силиться понять работу часов, не разобравшись в их сути, механизме, подменив их набором формул, отражающих движение стрелок. Вот почему, в физику атома, ядра и элементарных частиц давно пора вернуть геометрию. Как увидим ниже, геометрия оказывается крайне удобной и для понимания строения элементарных частиц (§ 3.9).

§ 3.7 Ядерные спектры и эффект Мёссбауэра

При максимально возможной опоре на механику или электродинамику необходимо указать физически наглядные математические операции, интерпретация которых через колебания подходящей модели приводит для неё к законам сериальных спектров; она должна позволить улучшить эмпирические формулы, упорядочить их с единой точки зрения и открыть новые законы.

Вальтер Ритц, "Теория спектральных серий" [9, 50]