Нейтрон: структурная связь на приросте масс.

Проблема массы нейтрона – это вопиющая проблема в физике. Распад нейтрона свидетельствует о том, что строение нейтрона обеспечивается не с помощью дефекта масс. Действительно, продуктами распада нейтрона являются протон и электрон (и, как полагают, ещё антинейтрино, масса которого пренебрежимо мала). Масса же свободного нейтрона, как полагают, больше массы свободного протона на 2.5 массы электрона [М3]. Выходит, что масса нейтрона на полторы массы электрона больше суммы масс стабильных продуктов своего распада. Тогда, по традиционной логике, нейтрон должен быть весьма нестабильным объектом. Свободный нейтрон обязан распадаться за время, сравнимое с характерными ядерными временами – т.е., по практическим меркам, мгновенно. Между тем, измерения среднего времени жизни нейтронов, вылетающих из ядерных реакторов, дают величину около 17 мин (см., например, [М3,К7]).

Напротив, в модели нейтрона, следующей из логики «цифрового» мира, подобных противоречий нет. Мы постараемся показать, что нейтрон может иметь массу, которая больше суммы масс протона и электрона не на 1.5, а на 0.5 массы электрона, а также опишем работу алгоритма, который связывает компоненты в нейтроне таким образом, что результатом является прирост массы, равный как раз половине массы электрона.

Неточность знания массы нейтрона может быть обусловлена тем, что масса нейтральной частицы не может быть определена с помощью масс-спектрометров, т.е. через измерение отношения заряда к массе, и поэтому все определения массы нейтрона были косвенными.

Открыватель нейтрона Чедвик устранил проблемы с законами сохранения энергии-импульса для случая проникающего излучения, возникающего при бомбардировке бериллия α-частицами – допустив, что это излучение является не высокоэнергичными гамма-квантами, как полагали ранее, а потоком нейтральных частиц с массами, близкими к массе протона (см., например, [С1]). Полученное при этом значение массы нейтрона, 1.15, значительно превышало массу протона, 1.00768, при массе электрона 0.00055 (мы приводим значения в атомных единицах массы по кислородной шкале, использовавшейся до 1961 г.).

Более точные вычисления массы нейтрона выполнялись через энергетические балансы ядерных реакций. Так, Чедвик проанализировал реакцию испускания нейтронов бором при его бомбардировке α-частицами:

B¹¹ + He⁴ -> N¹⁴ + n¹.

При этом в энергетический баланс были включены массы всех четырёх участников, а также кинетические энергии α-частицы, атома азота и нейтрона – результирующая масса нейтрона составила 1.0067 [С1], что меньше (!) массы протона. Ещё меньшее значение, 1.0063, получили авторы [Л4], на основе анализа реакции распада на α-частицы ядер лития при бомбардировке их дейтронами:

Li⁷ + H² -> 2He⁴ + n¹.

Максимальное же значение массы нейтрона, полученное через энергетические балансы, составило, судя по сводке результатов в [С1], 1.0090, причём доверительные интервалы у минимального и максимального значений далеко не перекрывались. Это было обусловлено, на наш взгляд, двумя методологическими ошибками. Во-первых, в энергетический баланс включались как массы частиц, так и их кинетические энергии. На наш взгляд, такой подход некорректен, поскольку кинетическая энергия не является «довеском» к массе: согласно принципу автономных превращений энергии (4.4), наличие у частицы кинетической энергии означает, что её масса уменьшена на эквивалентную величину. Учёт кинетической энергии прибавлением её к массе частицы являлся, на наш взгляд, одной из главных причин систематических расхождений между значениями масс изотопов, полученными в масс-спектроскопии и через балансы энергии ядерных превращений [Б5]. Во-вторых, не принималось в расчёт, что промежуточное или конечное ядро могло при своём формировании оказаться в возбуждённом состоянии и, соответственно, излучить γ-квант – тогда энергетический баланс был бы неполным, поскольку использовавшиеся значения масс элементов были получены для основных состояний их ядер.

Оба этих источника ошибок отсутствуют в способе нахождения массы нейтрона через измерение энергии связи дейтрона – при известных массах атома водорода и дейтерия (1.0078 и 2.0136 соответственно [Ч2]). Об энергии связи здесь можно судить, зная энергию гамма-кванта, вызывающего фотораспад дейтрона. Но и при такой методике имел место разброс результатов у разных групп авторов [Ч2,И1,С1].

Для единства измерений и вычислений в ядерной физике, требовалось уменьшить неопределённость в значении массы нейтрона. Своеобразие ситуации заключалось в том, что можно было приписать нейтрону любое значение массы, не выходившее за пределы имевшегося на то время разброса в пару масс электрона. При небольшой ошибке приписанной нейтрону массы, энергии связи ядер тоже были бы известны с соответствующими небольшими ошибками – но зато единообразно. В этом, по-видимому, и заключалась причина того, что уменьшение неопределённости массы нейтрона было осуществлено не через увеличение точности измерений, а, фактически, волевым актом, выполненным теоретиком Бете [Б6]. Он сделал расчёт массы нейтрона на основе самых достоверных, с его точки зрения, параметров и переводных коэффициентов, и привёл анализ погрешностей – однако, не пояснил, отчего разброс результатов измерений по одной и той же методике, выполненных на различных установках, на порядок превышал вычисленный им доверительный интервал. Но поскольку предложенное Бете значение, 1.00893±0.00005 [И1], обеспечивало единство измерений и вычислений на многие годы вперёд, его-то и включили в справочные издания (см., например, [Э1]) – а впоследствии, при переходе на углеродную шкалу атомных весов [К8], внесли в него соответствующую поправку.

После принятия значения, предложенного Бете, неоднократно сообщалось о согласующихся с ним результатах новых измерений энергии связи дейтрона, дававших значения около 2.22 МэВ. Эти результаты, например, Хэнсона [Х2], Белла и Эллиота [Б7], а также Мобли и Лаубенстейна [М4], принимались некритично – а ведь там имелись веские основания для сомнений [Г5]. И наш, на первый взгляд, неуместный тезис о том, что истинное значение массы нейтрона меньше принятого на одну массу электрона, на самом деле может оказаться верен.

Как же мы представляем нейтрон? Напомним, что протон (4.6) мы представляем квантовым пульсатором с нуклонной частотой, имеющим модуляцию на электронной частоте с фазой положительного заряда. Масса протона меньше массы, соответствующей нуклонной частоте, не из-за «дефекта масс»: протон не является соединением суб-частиц. Здесь уменьшение массы обусловлено всего лишь прерываниями собственных нуклонных пульсаций, согласно (4.6.1). Нейтрон же, на наш взгляд – это именно соединение, но такое соединение, состав участников которого принудительно циклически обновляется: пара «протон плюс электрон» сменяется парой «позитрон плюс антипротон», и обратно. Рис.4.10 схематически показывает «дорожки» результирующих квантовых пульсаций, с учётом их фазовых соотношений. Огибающая одной из этих дорожек задаёт положительный электрический заряд, а огибающая другой – отрицательный. Высокочастотное же заполнение, т.е. нуклонные пульсации, перебрасываются из одной огибающей в другую – с частотой, вдвое меньшей электронной. На тех периодах электронной частоты, когда нуклонные пульсации находятся в «положительной дорожке», составляющей нейтрон парой являются протон и электрон, а на тех периодах, когда нуклонные пульсации находятся в «отрицательной дорожке» - позитрон и антипротон.

Рис.4.10

Как можно видеть, перебросы нуклонных пульсаций из одной огибающей в другую – это циклическая смена состояний, которая обладает определённой энергией. Заметим, что эта энергия появляется не за счёт уменьшения собственных энергий участников процесса: она добавляется к их собственным энергиям – отчего результирующая масса системы должна увеличиться на соответствующую величину. По логике квантовых пульсаций, энергия циклических смен двух состояний равна произведению постоянной Планка на частоту этих смен. Поскольку, в рассматриваемом случае, эта частота вдвое меньше электронной, то результирующий прирост массы, по сравнению с суммой масс протона и электрона, должен составлять половину массы электрона. Теперь заметим, что энергия циклических смен пар, составляющих нейтрон, и энергия циклических пространственных перебросов несущей между «положительным» и «отрицательным» пульсаторами – это одна и та же энергия. А поскольку энергия циклических пространственных перебросов зависит от расстояния, на которое они производятся, то два пульсатора, составляющие нейтрон, обязаны находиться на определённом расстоянии друг от друга. Таким образом мы и объясняем природу связи «на приросте масс», благодаря которой существуют нейтроны. Используя выражение (4.9.1), можно оценить расстояние, которое должно разделять центры двух пульсаторов в нейтроне: при K =700 км/с оно составляет ~2.8·10^-15 м, что неплохо соответствует характерному нуклонному масштабу.

Как можно видеть, в нейтроне всегда присутствуют единичные разноимённые заряды, которые компенсируют друг друга – потому нейтрон электрически нейтрален. Вместе с тем, эти заряды образуют электрический диполь. Этим, на наш взгляд, и объясняется загадочная способность нейтрона к слабому участию в электромагнитных взаимодействиях – отчего наблюдается, например, пространственная селекция летящих нейтронов в сильных неоднородных электрических и магнитных полях.

Подчеркнём, что связь «на приросте масс» имеет принципиальное отличие от связи «на дефекте масс»: свободный нейтрон нельзя расщепить на составляющие с помощью, например, гамма-кванта – нейтрон не может его поглотить, т.к. нейтрону «некуда» возбуждаться. Вместе с тем, энергия связи в нейтроне должна быть превращаема в другие формы энергии – согласно закону сохранения энергии. Поэтому, при распаде свободного нейтрона, энергия связи в нём должна превращаться, на наш взгляд, в энергию гамма-излучения – но никак не в энергию антинейтрино (напомним, что гипотеза о нейтрино понадобилась, чтобы спасти закон сохранения релятивистского импульса, который с очевидностью нарушался при бета-распаде (4.5)). Но, по логике вышеизложенного, даже при «приросте масс» нейтрон должен быть вполне стабильным объектом. О возможной причине распада свободных нейтронов, вылетающих из атомных котлов, мы скажем ниже (4.13).

Добавим, что аналогично тому как протон и антипротон отличаются друг от друга тем, что имеют противоположные фазы прерывания нуклонных пульсаций, нейтрон и антинейтрон отличаются друг от друга тем, что имеют противоположные фазы циклических превращений пар, входящих в их состав. Впрочем, в отличие от случая фиксированной фазы прерываний, задающей положительный или отрицательный электрический заряд, фаза циклических превращений пар в нейтроне не обязана быть фиксированной и может «плавать» – поэтому разница между понятиями «нейтрон» и «антинейтрон» является, на наш взгляд, весьма условной.

Наконец, поскольку у составных атомных ядер имеется дефект масс, то значения массы нейтрона и энергии связи ядер оказываются взаимозависимы: если следует уменьшить значение массы нейтрона, то – при тех же самых значениях масс изотопов – придётся соответствующим образом уменьшить и значения энергии связи ядер. При уменьшении значения массы нейтрона на одну массу электрона, соответствующее уменьшение энергии связи на нуклон было бы особенно значительно для лёгких ядер, достигая у дейтрона 23%. Но для средних и тяжёлых ядер это уменьшение не превысило бы 4% - и здесь зависимость энергии связи на нуклон от атомного номера почти не изменила бы свой вид.

Впрочем, мы излагали наши представления о нейтроне не ради коррекции энергий связи ядер, а ради построения, на основе этих представлений, простой универсальной модели ядерных сил (4.12).