Статья: Геометрическая теория строения материи и пространства

(Магическое число - 20)

Заметим, что S -оболочки находятся рядом друг с другом в соседних слоях.

1 слой 2 слой 3 слой

Рисунок 14. Послойная структура ядра Аргона (1S2+ 2S2 +2P6 + 3S2 + 3P6) (Магическое число - 40, во втором (или третьем) слое - дополнительно 4 нейтрона)

Очевидно, что следующая оболочка в слое будет состоять максимум из десяти пар нуклонов.

Рисунок 15. D-оболочка (10 пар)

Следующая в слое оболочка - F состоит из 14 пар нуклонов, расположенных также квадратом.

Назовем структуру ядра, состоящую из протон-нейтронных пар в общем количестве, равном номеру элемента Z в периодической системе Д.И.Менделеева, и входящих в оболочки ядра, основным ядром. Тогда нейтроны, число которых превышает номер элемента Z будем считать дополнительными нейтронами.

Очевидно, что дополнительные нейтроны могут присоединяться к основному ядру только с внешней стороны. Назовем места, к которым могут быть присоединены дополнительные нейтроны - вакансиями.

Как показано выше, нейтрон, входящий в атомное ядро, может иметь от 1 до 6 связей. Это в полной мере относится к основному ядру. Нейтроны имеющие количество связей k = 1 ч 6, будем обозначать N k.

Тогда дополнительный нейтрон может заполнить вакансию, снаружи основного ядра, и будет иметь от 1 до 3 связей. Аналогично, вакансии с количеством возможных связей k = 1 ч 3 будем обозначать W k. Полная энергия связи ядра атома является суммой всех связей основного ядра и заполненных вакансий.

Е св = Е ( У (N1-6))+ Е (У (W1-3)): (16)

Общее количество связей У (N 1-6) в основном ядре можно рассчитать по формуле

У (N 1-6) = N1+2* N2 +3*N3+4*N4+5*N5+6*N6 ; (17)

Произведем подсчет N k , W k , и У (N 1-6) для химических элементов, представленных в природе одним изотопом. Результаты сведем в таблицу.

Таблица 6. Вакансии и связи в ядрах атомов.

Заметим, что W2 для Au и Bi совпадает с количеством дополнительных нейтронов для ядер этих атомов.

С этой точки зрения, попробуем представить структуру ядра U 238.

Электронные слои Урана 238 представлены ниже.

Таблица 7. Электронные (ядерные) оболочки атома U.

Максимальное количество связей получается в варианте если из 54-х дополнительных нейтронов 47 заполняют вакансии с двумя связями, и 7 вакансии с одной связью. Максимальное количество связей в ядре U 238 равно 523 = (422+2*47+7). Если же заполнены будут все вакансии с одной связью, то минимальное количество связей равно 496 =(422+34+40); Примем, что реальное количество связей ядра атома U 238 лежит в интервале 496 ч 523.

Боковой вид на ядро Урана 238 послойно приведен ниже.

Рисунок 18. Боковой вид на ядро Урана 238 (в разрезе).

На рисунке видна явная несимметричность ядра Урана 238, которая проявляется при радиоактивном распаде в виде его несимметричного деления. На основании сделанного ранее предположения о структуре ядра, можно вывести количественное правило :

Гипотеза 3 : Максимальная масса ядра (в а.м.) изотопа любого элемента определяется как сумма удвоенного порядкового номера элемента и количества нейтронов, которые могут быть присоединены к внешним протонам в достроенных и недостроенных оболочках ядра по слоям снаружи или сбоку (без учета энергии связи).

Как видно из предложенных рисунков, атомное ядро в результате построения оболочек все больше напоминает Октаэдр. Если у ядра не будут появляться оболочки большие чем F оболочка, то полностью достроенный Октаэдр, будет иметь следующую структуру:

Таблица 8. Электронные (ядерные) оболочки элемента 120

Порядковый номер атома будет - 120, атомный вес 300-308. Скорее всего, атом будет относительно стабилен.

Образование следующих химических элементов будет происходить за счет дальнейшего увеличения массы ядра, что возможно только за счет дополнительной оболочки, которая видимо, будет строиться над оболочкой 5f, и будет состоять из 18 нуклонных пар. Назовем ее оболочкой 5b.

Таблица 9. Электронные (ядерные) оболочки элементов 121-138.

В таблице на месте оболочки 5b указано 1-18, т.е. количество возможных нуклонных пар. После заполнения оболочки 5b, последует заполнение оболочек 6f, 7d, 8p, 9s, 6 b… и так далее по подобию.

Предложенная модель ядра атома прекрасно объясняет наличие «магических» чисел протонов и нейтронов. (2, 8, 20, 28, 50, 82, ...) Также предложенная модель объясняет возникновение «ротационного спектра» (т.е. факта вращения ядра как целого), необъяснимому в рамках «полевой» или квантовой теории. И безусловно, наглядно видна несферичность ядер в ротационной модели, предложенной Дж.Рейнуотером еще в 1950 г.

4. МАССА АТОМОВ

Исходя из предложенной выше модели атомного ядра, попробуем произвести расчет массы атомов.

Сегодня существует несколько более или менее точных (по достигаемым результатам) формул расчета масс атомов. Существенным для понимания строения атомного ядра стало в начале 20-го века открытие изотопов. В результате, сегодня общепринято, что ядра атомов любого химического элемента, могут быть неодинаковы и представляют собой изотопы с разной массой. При этом предполагается, что массы атомов одного изотопа абсолютно одинаковы. Сделаем предположение, что и массы изотопов могут быть неодинаковы и иметь разную массу в силу разной энергии внутренних связей нуклонов в ядре.

Попробуем вывести формулу массы ядра исходя из представлений о его строении, полученных выше.

Для начала выскажем очередные гипотезы :

Гипотеза 4 :

Предположение 1 : Энергия связи нейтрона с протоном в ядре может принимать несколько дискретных значений. Изотопы с одинаковым количеством протонов и нейтронов, но различной внутренней энергией связи нуклонов будем называть «Изостеры».

Предположение 2 : Массы изостер неодинаковы, разница масс изостер кратна разнице между дискретными значениями энергии одной протон-нейтронной связи.

Предположение 3 : Общепринятое значение массы изотопа является производной величиной и определяется различным соотношением (количеством) изостер.

Возможно, что уровней связи нейтрона в ядре несколько, но для простоты примем, что одна связь протон-нейтрон может принимать два значения.

Тогда связь с низким уровнем энергии будем называть а- связь (associate), а связь с большим уровнем энергии назовем с- связь (connect).

Попробуем определить их величины.

Полная энергия связи ядра атома U 238 вычисляется как разность между массой атома и массами , входящих в него нуклонов и электронов.

Е св. U 238 = M p * 92+ M n * 146 + M e * 92 - M U 238 (Мэв); (18)

Подставив значения, получим :

Е св. U 238 = 938,28 * 92+ 939,57 * 146 + 0,511 * 92 - 221638,56 ? 1 907,5 (Мэв); (19)

Общепринято, что энергия связи ядра есть сумма энергии кулоновского отталкивания зарядов протонов Е (к) и энергии сильного взаимодействия нуклонов Е (яд).

Примем, что для ядер Урана, величины этих энергий практически равны, что объясняет их радиоактивность и нахождение на границе стабильности ядер. Тогда скалярные значения энергии сильного (ядерного) взаимодействия и кулоновского отталкивания будут равны:

Е (к)U 238 = Е (яд) U 238 = Е св. U 238 /2 = 953,7 (Мэв) ; (20)

Энергия кулоновского отталкивания атома с порядковым номером Z будет являться суммой энергий отталкивания заряда r от заряда t, где r, t. - условные номера протонов с различным расположением в ядре:

Е (к) = У E(k)r-t ( r=1...Z ;t=1...Z); (21)

Энергия взаимодействия двух кулоновских зарядов пропорциональны величине произведения зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

(22)

где D - поправочный коэффициент.

Расстояние между нуклонами примем равным условной 1. Тогда R2 между протонами q j,k,l и q x,y,z определится как квадрат диагонали в трехмерном пространстве.

(23)

где j,k,l и x,y,z - условные декартовы координаты соответствующих протонов (1,2,3….).

Суммы кулоновской энергий для ядер атомов, при D=0,96385 приведены в Таблице 8.

Таблица 10. Энергия кулоновского отталкивания в ядрах.

Заметим, что эти значения достаточно близки к значениям Е(k) в формуле Вайцзекера Е(k)=0,71 Z2A-1/3.

Предположение 4. С ростом количества нейтронов в ядре Z , кулоновские силы ослабляют силы ядерного взаимодействия и уменьшают величину протон-нейтронных связей в основном ядре.

Поскольку U238 находится на границе стабильности и легко распадается, сделаем предположение, что достаточно уменьшения энергии связи ядра на сравнительно небольшую величину, чтобы Кулоновские силы отталкивания превысили силы ядерного взаимодействия, что и приводит к распаду ядра.

Как было показано выше, общее количество связей ядра атома U238 лежит в интервале 496-523. Примем, что все его связи имеют значение энергии а -связи.

Тогда значение энергии одной а- связи Е (а) будет равно для крайних значений:

Е (а) 523 = 953,7 / 523 ? 1,825 (Мэв); (24)

Е (а)496= 953,7 / 496 ? 1,923 (Мэв); (25)

Остановимся на значении первой связи, выведенной в (24).

Тогда Е (с), т.е. энергию с - связи примем из анализа ядра атома Не 4.

Энергия связи Не 4 = 28,77 (Мэв); Количество связей - 4

У (N Не 4 ) = 2* N2 = 4; (26)

Тогда Е (с) = 28,77 / 4 = 7,19 (Мэв);

Энергия связи атома (изостеры) будет суммой энергий а-связей и с-связей.

Е св = У N(а)+ У N(c): (27)

Проведем анализ энергий связи ядра Дейтерия D2 :

Е св. D2 = M p + M n + M e - M D2 (Мэв); (28)

Как известно Е св. D2 = 2.2 (Мэв);

Поскольку Е св. D2 отличается от значения Е (а), сделаем предположение, что в действительности дейтерий D2 с атомной массой 1875,9755 Мэв является смесью изостер с массами 1870,659 Мэв и 1876,19 Мэв.

Разность масс между изостерами ДЕD2 = Е(с) -Е(а) при принятом допущении Е (с) =7,19 Мэв:

ДЕ =7,19-1,86 =5,36 (Мэв); (29)

Заметим, что отношение Е (с) / Е (а) = 7,19 / 1,825 ? 4;

Проведем анализ ядра атома фосфора P31. Обратим внимание, что ядро атома фосфора P31 имеет один дополнительный нейтрон и вакансии трех типов. Нахождение дополнительного нейтрона в разных вакансиях без учета изменения энергий связи основного ядра даст три варианта суммарной энергии связи ядра с разницей масс :

ДЕ =Е(а) = 1,825 (Мэв); (30)

На этом основании уточним :

Предположение 2 : Массы изостер неодинаковы, разница масс изостер кратна дискретному значению энергии одной протон-нейтронной связи, которая составляет ДЕ ? 1,8 -1,9 (Мэв);

Заметим, что эта величина близка к величине эффективного сечения реакции деления U 238 быстрыми нейтронами и величине средней энергии нейтронов деления.

Стоит обратить внимание еще на один момент. С ростом количества дополнительных нейтронов, казалось бы, ядра должны быть более стабильными. Что в принципе и наблюдается для ядер Урана. Но известен и другой эффект - с ростом числа дополнительных нейтронов ядра становятся более способны к Альфа-распаду. Объяснение может быть таким, что эти дополнительные нейтроны присоединяются к протонам внешних слоев 4f или 5f. Но именно эти протоны испытывают максимальные силы кулоновского отталкивания в ядре. Таким образом, для Альфа-распада им необходимо или «выдирать» нейтроны из своего слоя, или отсоединяться от ядра с внешним нейтроном, что по энергетике, должно быть предпочтительней.