Сергей Семиков - Баллистическая теория Ритца и картина мироздания

• Название: Баллистическая теория Ритца и картина мироздания
• Автор: Сергей Семиков
• Издательство: ООО "Стимул-СТ"
• Жанр: Техническая литература
• Год: 2010
• ISBN: 5-88022-175-X

Век назад, 7 июля 1909 г., оборвалась нить жизни талантливого молодого учёного Вальтера Ритца, успевшего за 31 год своей жизни сделать очень многое в науке. До сего дня в спектроскопии пользуются комбинационным принципом Ритца, а в физике, математике и технике — вариационным методом Ритца. Однако его другие ещё более важные научные разработки преданы забвению ввиду их расхождения с догматами теории относительности и квантовой физики. Это — разработанные Вальтером Ритцем в 1908 г, за год до смерти баллистическая теория и магнитная модель атома. Скоропостижная трагическая гибель учёного помешала ему довести до конца и доказать эти фундаментальные концепции света и атомов, электромагнетизма и гравитации. В результате имя и теории Ритца вскоре были забыты хотя именно баллистическая теория легко красиво и наглядно объясняет многие загадки природы. Дабы восстановить историческую справедливость и напомнить о незаслуженно забытом научном и жизненном подвиге Вальтера Ритца была написана эта книга, где автор популярно изложил и развил с учётом уровня современной науки Баллистическую Теорию Ритца.

---

Наглядный, а, точней, "ненаглядный" пример этого дают нынешние представления об атомном ядре. Его изображают то заряженной каплей, то чередой оболочек, то ещё чем-нибудь, а то и, вовсе, — сгустком формул [11]. В итоге, физики так запутались, что сами признают своё непонимание структуры ядра и бессилие квантовой теории [135]. И лишь классическая модель атома даёт кристально ясную структуру ядра, объясняющую все его свойства. В этой модели ядро атома имеет вид бипирамиды: двух пирамид, соединённых усечёнными вершинами. Сия структура и задаёт конфигурацию электронных слоёв (оболочек), связь химических и ядерных свойств. Так, подобно атомам инертных газов, с особо устойчивыми конфигурациями электронов и высокой химической стойкостью, в некоторых ядрах нуклоны (протоны и нейтроны) образуют особо устойчивые сочетания, проявляющие инертность в ядерных реакциях. Такие ядра, названные "магическими", имеют повышенную прочность и слабо реагируют с другими ядрами и нейтронами.

Вот числа протонов или нейтронов, образующих особо прочные сочетания (магические числа): 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82, 126 [169]. Физики поняли, что магические числа, подобно периодам таблицы Менделеева, вызваны присутствием в ядре неких слоёв, оболочек, постепенно заполняемых нуклонами (протонами и нейтронами). Магичны и особо стабильны ядра с целиком укомплектованными оболочками. Но физики не сделали последнего шага: не догадались, что строение ядерных и электронных слоёв задано одной и той же структурой, — атомным ядром, которое и ответственно за глубокую аналогию химических и ядерных свойств, их периодичность.

Рис. 110. Фигурные числа (квадратные, треугольные) и пирамидальные числа.

Эта аналогия объясняет строение слоёв ядра. Числа электронов в электронных оболочках (2, 8, 18, 32) — это удвоенные квадраты целых чисел: 12, 22, 32, 42 (§ 3.3). В геометрии такие числа n2 называют "квадратными", относя к группе фигурных чисел, — количеств одинаковых камешков, частиц, послойно заполняющих фигуры в виде треугольников, квадратов и т. д. (Рис. 110). Так, треугольные числа образуют ряд: 1, 3, 6, 10…, где n-ое число Fn=n(n+1)/2. И, если числа электронов в слоях — это удвоенные квадратные числа, то числа протонов или нейтронов в ядерных оболочках оказались удвоенными треугольными числами вида n(n+1), то есть 2, 6, 12, 20, 30, 42, 56 [135]. Отсюда следуют все магические числа. Первое число 2 соответствует первому целиком заполненному нуклонами слою с числом мест 2. Второе магическое число 8 означает, что кроме первого заполнен ещё и второй слой из 6-ти мест: 2+6=8. Магическое число 20 возникает, если заполнен ещё и третий уровень: 2+6+12=20. Как для случая электронных слоёв, ядерные укладываются один над другим — в виде пирамиды, а, потому, эти три числа — это удвоенные пирамидальные числа вида n(n+1)(n+2)/3, образующие ряд: 2, 8, 20, 40, 70. Прочие магические числа находятся как удвоенная сумма n-го треугольного числа и (n–2) — го пирамидального: n(n+1)+n(n—1)(n—2)/3=(n3+5n)/3 (Рис. 111) [169].

Рис. 111. Схема образования магических чисел (обведены) и их геометрическая трактовка.

Всё это легко объяснить на базе бипирамидальной модели ядра. Подобно электронным слоям, ядерные — лежат в последовательных квадратных сечениях пирамид. Каждое сечение делится диагональной перегородкой на два треугольника. Поэтому, число частиц в слое равно удвоенному треугольному числу (Рис. 112). Протоны и нейтроны постепенно заполняют сечения бипирамиды, послойно укладываясь в её раструбы, словно горошины, семечки в кульки. При этом, протоны образуют отдельные слои, которые перемежаются слоями нейтронов (Рис. 113). Пирамиды связаны перемычкой, образованной слоями в два протона и два нейтрона. В дважды магическом ядре гелия заполнены лишь эти два слоя.

Рис. 112. Структура нуклонных слоёв (слева) и слоёв электронных (справа).

У последующих ядер начинают постепенно заполняться примыкающие к этим слоям с двух сторон слой нейтронов и слой протонов, пока не заполнятся целиком, образовав дважды магическое ядро кислорода, содержащее 8 нейтронов и 8 протонов. Оно обрастает новыми слоями (с одной стороны протонами, а с другой — нейтронами), вплоть до их заполнения у кальция, содержащего по 20 протонов и нейтронов. Но далее такое симметричное нарастание слоёв нарушается, поскольку у тяжёлых ядер число нейтронов N заметно преобладает над числом протонов Z. Поэтому, необходимо, чтобы крайний слой нейтронов был больше крайнего слоя протонов. А, значит, в одной пирамиде на два слоя больше, чем в другой. Так, например, устроено дважды магическое ядро кальция из 28 нейтронов и 20 протонов (Рис. 113). Видим также, что модель объясняет магическое число 14 [169], которого не смогла предсказать и объяснить квантовая физика. Впрочем, и другие магические числа не были предсказаны квантовой теорией, а были там получены, подобно числам электронов в оболочках атома (§ 3.3), методом подгонки, ибо переход к следующей оболочке и уровню начинался до того, как полностью заполнятся предыдущие [135]. Но тогда, зачем вообще говорить об оболочках и уровнях, раз их укомплектованность не важна?

Рис. 113. Схема и ёмкости нуклонных слоёв в бипирамидальном ядре. Ниже — структуры слоёв в магических ядрах. Штрихованные слои образованы протонами, белые — нейтронами.

Зато в классической модели атома и ядра прочные сочетания электронов или нуклонов отвечают лишь укомплектованным слоям частиц. Так, следующие бимагические ядра могли бы получиться из конфигураций, где оба крайних слоя образованы нейтронами, так что в одной пирамиде на три слоя больше, чем в другой (Рис. 113). Но такие дважды магические ядра нестабильны, поскольку в них слишком много нейтронов. Впрочем, из них легко получить просто магические ядра, если добавить несколько протонов или убрать часть нейтронов. Соответственно, ядро будет магично по числу N или Z. Правда, ещё одно дважды магическое ядро всё же есть — это ядро свинца-208, содержащее 82 протона и 126 нейтронов. Для столь тяжёлых ядер данное соотношение нуклонов устойчиво.

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 α-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 M1/M2 которых 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/Z тоже 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.