In English

Субстанциональная модель нейтрона

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»

Субстанциональная модель нейтрона является теоретической моделью, описывающей внутреннее строение, происхождение и эволюцию нейтрона на основе теории бесконечной вложенности материи и теории подобия уровней материи.

Содержание

1 Электромагнитная структура

1.1 Звёздная модель
1.2 Нейтрон

2 Бета-распад
3 Происхождение
4 Ссылки
5 См. также
6 Внешние ссылки

Электромагнитная структура

Нейтрон и протон в совокупности называются нуклонами и являются составными частями атомных ядер. И нейтрон и протон очень близки друг к другу по массе, имеют одинаковый спин, однако нейтрон в отличие от протона нейтрален. Несмотря на отсутствие электрического заряда, нейтрон обладает магнитным моментом, что говорит о его сложной внутренней структуре. При этом магнитный момент нейтрона направлен противоположно спину, тогда как у протона магнитный момент и спин направлены в одну сторону.

Для изучения структуры нуклонов проводили эксперименты по рассеянию высокоэнергичных (до 20 ГэВ) электронных пучков на жидком водороде, а также на дейтерии, в ядра которого кроме протонов входят нейтроны. ^[1] ^[2] ^[3] Обработка экспериментов позволила оценить размеры нуклонов, а также пространственные распределения зарядов и магнитных моментов протона и нейтрона. Из результатов следует, что сердцевина нейтрона может быть заряжена положительно, а его периферия – отрицательно. Сложная структура нейтрона видна также из величины его массы в сравнении с массой протона. Если считать протон, в определённом отношении, заряженным нейтроном, то его масса должна отличаться от массы нейтрона из-за вклада заряда в общую массу-энергию. Оказывается, что не только нейтрон массивнее протона, но и у большинства одинаковых квазистабильных частиц нейтральная частица массивнее, чем положительно заряженная. Например, Σ⁺ легче, чем Σ⁰, а также Σ⁰ легче, чем Σ^–.

Звёздная модель

Структура магнитного поля нейтронной звезды. a) Магнитные линии с индукцией в модели нейтронной звезды – аналога нейтрона. $~P_{ns},$ $~L_{ns}$ – магнитный момент и спин звезды. b) ориентация магнитных моментов и спинов нейтронов в плоскости экватора; в центре и в оболочке звезды магнитные моменты нейтронов противоположны.

В качестве увеличенной модели нейтрона рассматривается нейтронная звезда, образовавшаяся при коллапсе вещества во вспышке сверхновой. Вещество такой звезды состоит в основном из нейтральных нейтронов с некоторым количеством протонов и электронов. Предполагается, что уже при возникновении нейтронной звезды в ней образуется градиент плотности электрического заряда, с преобладанием положительного заряда в центре и некоторого избытка электронов вблизи поверхности. Разделение зарядов возможно, например, как следствие быстрого коллапса вещества при сверхновой и эффекта объёмного термоэдс, когда электроны стремятся перейти из центра звезды с высокой температурой на поверхность, имеющую более низкую температуру вследствие охлаждения.^[4]

Данный принцип является ключевым в электрокинетической магнитной модели, в которой первичное магнитное поле космических тел (планет и звёзд) возникает за счёт разделения зарядов и вращения этих тел, после чего поле поддерживается ещё магнитно упорядоченным веществом, как это имеет место у постоянных магнитов. ^[5]

Если для суммарной плотности заряда внутри звезды взять линейную зависимость вида:

$~\rho_{q} = \rho_1 + h r ,$

где $~\rho_1$ – плотность заряда в центре, – некоторый коэффициент, – текущий радиус, то из условия электронейтральности нейтронной звезды-аналога нейтрона и интеграла от плотности заряда по объёму звезды следует:

$~\int \rho_{q} \, dV = 0 ,$

$~h = -\frac {4\rho_1 }{3R_s},$

где – радиус звезды.

Оценку величины $~\rho_1$ можно сделать следующим способом. В субстанциональной модели протона показывается, что магнитный момент протона может быть вычислен, исходя из предельного вращения его объёмного электрического заряда. Точно также можно найти и магнитный момент нейтрона, а также магнитный момент соответствующей нейтронной звезды. Для этого надо умножить магнитный момент нейтрона согласно теории подобия уровней материи на коэффициенты подобия: по размерам $~P= 1,4 \cdot 10^{19},$ по массам $~\Phi = 1,62 \cdot 10^{57}$ и по скоростям $~S = 2,3 \cdot 10^{-1},$ взятые в нужной степени:

$~ P_s = P_n (P^{1,5} \Phi^{0,5} S^2) = -1,1\cdot 10^{30}$ Дж/Тл.

С другой стороны, магнитный момент нейтронной звезды, вращающейся с угловой скоростью $~ \omega$ , находится интегрированием по объёму звезды распределения объёмной плотности заряда:

$~ P_s =- \frac {\rho_1 V_s \omega R^2_s}{45},$

где – объём звезды.

Предельную величину угловой скорости $~ \omega$ вращения звезды можно приблизительно оценить через равенство силы гравитации и центростремительной силы на экваторе:

$~\frac { G M_s}{ R^2_s } = \omega^2 R_s ,$

где – гравитационная постоянная.

Используя значение , при массе нейтронной звезды $~ M_s = 2,7 \cdot 10^{30}$ кг определяется значение $~\rho_1=4,6 \cdot 10^{6}$ Кл/м³.

Так как теперь зависимость $~\rho_{q}$ от текущего радиуса известна, то путём решения уравнения Пуассона можно найти распределение потенциала и напряжённости электрического поля внутри звезды: ^[4]

$~\varphi = \frac { \rho_1R^2_s }{18 \varepsilon_0 } - \frac { \rho_1 r^2 }{6 \varepsilon_0 } +\frac { \rho_1 r^3 }{9 R_s \varepsilon_0 },$

$~E = \frac { \rho_1 r }{3 \varepsilon_0 } - \frac { \rho_1 r^2 }{3 R_s \varepsilon_0 },$

где $~\varepsilon_0$ – электрическая постоянная.

При этом на поверхности нейтральной в целом нейтронной звезды электрический потенциал и напряжённость электрического поля равны нулю. Здесь избыточные электроны находятся почти в состоянии равновесии, поскольку сила притяжения от объёмного положительного заряда в центре звезды компенсируется силой электрического расталкивания электронов друг от друга.

Звезду можно рассматривать как сферический конденсатор, центр которого заряжен положительно, а наружная оболочка – отрицательно. Экстремум напряжённости электрического поля достигается в середине радиуса звезды, где объёмный заряд меняет свой знак.

Общепринято, что после своего образования молодые нейтронные звёзды вращаются очень быстро, а затем постепенно замедляются вследствие потерь энергии на магнитотормозное излучение. Из-за описанного выше разделения зарядов на стадии быстрого вращения у звезды может возникнуть следующая структура магнитного поля: в направлении от центра по оси вращения к полюсам магнитное поле направлено так же, как и угловая скорость вращения звезды, магнитные моменты нуклонов и электронов устанавливаются по полю и поддерживают его; ближе к поверхности звезды магнитное поле за счёт быстрого вращения имеющихся здесь избыточных электронов меняет своё направление на противоположное, с соответствующим расположением магнитных моментов нуклонов и электронов. В результате происходит компенсация части магнитного поля звезды, некоторые магнитные линии замыкаются внутри в пространстве между центром и оболочкой звезды, а общий магнитный момент становится отрицательным. Данная картина магнитного поля остаётся в основном и после торможения вращения нейтронной звезды, поддерживаясь магнитными моментами нуклонов, упорядоченными в свою очередь магнитным полем.

Нейтрон

Структура магнитного поля нейтронной звезды, приведённая на рисунке, соответствует структуре магнитного поля, принятой в субстанциональной модели нейтрона. Предполагается, что в веществе нейтрона, как и в нейтронной звезде, осуществляется разделение зарядов с радиальным градиентом электрического заряда. Центр нейтрона заряжен положительно, оболочка отрицательно, а общий заряд равен нулю. Исходя из формул, приведённых выше для нейтронной звезды, распределение заряда внутри нейтрона в линейном приближении имеет вид:

$~\rho_{q} = \rho_1 \left (1-\frac{4 r}{3R_n} \right ),$

где $~\rho_1 = \frac {45 P_n}{V_n \sqrt {\Gamma M_n R_n} },$

и – магнитный момент, масса, объём и радиус нейтрона, $~\Gamma$ – постоянная сильной гравитации.

Зная распределение электрического заряда, можно найти электрические и магнитные поля внутри нейтрона в зависимости от радиуса, а также энергии полей. Энергия электрического поля нейтрона сосредоточена внутри его объёма и оказывается почти в три раза меньше, чем у протона.

Бета-распад

Приблизительно за время минут свободные нейтроны превращаются в протоны в $β -$ -распаде (смотри бета-распад). При этом испускаются электрон и электронное антинейтрино:

$n^0 \rightarrow p^+ + e^- + \bar{\nu}_e$ .

Исходя из описанного выше, распад нейтрона представляется как результат неустойчивости вещества нейтрона относительно гравитационного поля сильной гравитации, скрепляющей вещество нейтрона, и изменения структуры электромагнитного поля, вызванного преобразованием вещества нейтрона. Время жизни нейтрона можно перевести во время жизни соответствующей нейтронной звезды до её превращения в магнитар (являющийся звёздным аналогом протона). Для этого согласно теории подобия надо умножить на коэффициент подобия по времени $~\Pi = 6,1 \cdot 10^{19}.$ Это даёт огромный промежуток времени, почти 2•10¹⁵ лет.

При $β -$ -распаде нейтрона энергия антинейтрино не превышает значения $~E_{\nu}=782$ кэВ. С помощью соотношения неопределённостей можно подсчитать наименьшее время излучения антинейтрино: $~\tau_{\nu} =\frac{\hbar}{ E_{\nu}}=8,4\cdot 10^{-22}$ c (здесь $~\hbar$ есть постоянная Дирака). Соответственно, при преобразовании нейтронной звезды в магнитар следует ожидать сброса части оболочки (содержащей в том числе магнитные ионы типа железа и потому замагниченной), а также поляризованного излучения звёздного электронного антинейтрино $~\bar {\nu}_{es}$ в течение времени, превышающего $~\tau_s = \Pi \tau_{\nu}=0,05$ секунды. Поляризация нейтринного излучения возникает из-за ориентации вещества звезды магнитным полем.

В начальном состоянии можно считать, что нейтронная звезда – аналог нейтрона состоит из двух фаз вещества. В центре звезды расположена α – фаза вещества, состоящая из нуклонов, ориентированных магнитным полем относительно спина звезды так же, как и у магнитара. В оболочке звезды присутствует β – фаза, состоящая из нуклонов с увеличенной по отношению к α – фазе долей электронов. Магнитный момент β – фазы противоположен магнитному моменту α – фазы и превышает его по величине. Это обеспечивает отрицательное значение общего магнитного момента звезды по отношению к спину, подобно нейтрону. Одновременно отрицательный заряд β – фазы вещества компенсирует положительный заряд α – фазы, что даёт нулевой заряд звезды. В веществе звезды протекают следующие реакции слабого взаимодействия с участием электронов:

$β -$ -распад нейтрона на протон и электрон с излучением электронного антинейтрино.
Обратная реакция – электронный захват протонами с образованием нейтрона и излучением электронного нейтрино:

$p^+ + e^- \rightarrow n^0 + \nu_e$ .

Если реакция 1 происходит в недрах звезды, то антинейтрино улетает прочь, протон остаётся на месте, связанный давлением вещества и магнитным полем, а электрон, обладающий избыточной кинетической энергией от реакции распада, будет двигаться вдоль силовых магнитных линий. По мере того, как электроны диффундируют из центра звезды к её поверхности, вероятность реакции 2 для этих электронов уменьшается из-за падения давления в окружающем веществе. Поэтому вблизи поверхности звезды можно ожидать увеличения со временем концентрации электронов. Кроме этого, электроны и другие заряженные частицы с избыточной энергией имеют возможность вылетать с поверхности звезды в магнитосферу и там накапливаться.

Нейтроны в оболочке нейтронной звезды также испытывают $β -$ -распад в реакции 1, превращаясь в протоны. Можно считать, что вследствие сохранения направления спина нуклона в процессе $β -$ -распада превращение каждого нейтрона в протон приводит к смене знака магнитного момента (у нейтрона магнитный момент и спин противоположны, а у протона их направления совпадают). За время порядка 2•10¹⁵ лет в оболочке звезды накапливается столь много протонов и электронов, что их совместное магнитное поле начинает компенсировать магнитное поле от нейтронов оболочки и от вращения избыточного отрицательного заряда оболочки. Основную роль играют здесь не магнитные поля от вращения зарядов возникающих протонов и электронов при их вращении вместе со звездой, поскольку эти заряды противоположны по знаку и создают противоположно направленные магнитные поля, а собственные магнитные поля протонов. При этом магнитное поле протона в 1,46 раз больше магнитного поля нейтрона.

Поэтому в некоторый момент времени внутреннее магнитное поле, направленное в центре звезды вдоль оси вращения в сторону спина звезды (это показано на рисунке), получает возможность вырваться наружу в районе полюсов и последовательно перемагнитить всё вещество звезды. Происходит перестройка магнитного поля в конфигурацию дипольного магнитного поля магнитара, с резким ростом общего магнитного давления. Часть магнитной энергии преобразуется в энергию, сбрасывающую оболочку звезды вместе с избыточным отрицательным электрическим зарядом. Оценка запаса магнитной энергии звезды даёт значение до 10⁴¹ Дж. ^[4] Использования этой энергии было бы достаточно для превращения в плазму вещества с массой, равной 0,8 массы Юпитера и соответствующей, с точки зрения подобия, электрону.

О роли магнитного поля у магнитара можно судить по тому, что в течение нескольких сотен секунд значительная доля кинетической энергии первоначально быстрого вращения магнитара может перейти в энергию джетов. ^[6] Отделение вещества от нейтронной звезды должно сопровождаться $β -$ -распадами избыточных нейтронов и захватом электронов протонами, а значит и излучением электронных антинейтрино и нейтрино. Следовательно звёздное электронное антинейтрино $~\bar {\nu}_{es}$ состоит из обычных электронных антинейтрино $~\bar {\nu}_{e}$ и нейтрино $~\nu_{e}$ , излучаемых в основном из оболочки звезды и из отделяемого вещества:

$~\bar {\nu}_{es} =\left\{ \sum {\bar {\nu}_{e}} +\sum {\nu_{e}}\right\}. \qquad\qquad (1)$

Из-за сильного магнитного поля звезды плазма не может просто улететь от звезды, поэтому она вдоль силовых линий перемещается между магнитными полюсами. При этом вследствие вращения магнитного поля возле звезды появляется и электрическое поле, влияющее на движение вещества. С магнитных полюсов заряженная плазма имеет возможность удалиться от звезды прочь на большие расстояния. Судя по времени излучения звёздного антинейтрино $~\tau_s >0,05$ секунды, стадия сброса вещества должна происходить очень быстро. Вероятно, с такой же характерной длительностью следует ожидать и вспышку гамма-излучения, часто наблюдаемую у магнитаров. При сбросе вещества с поверхности звезды распадаются избыточные нейтроны в атомных ядрах ионов и свободные нейтроны, происходят другие реакции слабого взаимодействия. Совокупность всех излученных электронных антинейтрино и нейтрино образует звёздное антинейтрино. Магнитное поле звезды ориентирует сбрасываемое вещество, ориентированными оказываются и потоки нейтрино и антинейтрино.

При $β -$ -распаде нейтрона возникающие электроны существенно поляризованы и имеют преимущественно левую спиральность. Аналогично этому при преобразовании нейтронной звезды в магнитар сбрасываемое вещество должно улетать от звезды в направлении, противоположном спину звезды. Это значит, что потоки электронных антинейтрино $~\bar {\nu}_{e}$ от распадов нейтронов в оболочке звезды летят в сторону направления спина звезды, и противоположно как потокам электронов от этих распадов, так и сбрасываемому от звезды веществу. При реакциях слабого взаимодействия с протонами возникают электронные нейтрино, излучаемые противоположно спину и магнитному моменту протона. Поскольку протоны в оболочке звезды также ориентированы магнитным полем звезды, как и нейтроны, то электронные нейтрино от протонов летят в том же направлении, что и электронные антинейтрино от распадов нейтронов. В соотношении (1) суммы потоков нейтрино и антинейтрино заключены в фигурные скобки, означающие, что эти частицы летят в направлении спина звезды и в итоге потоки получают правую спиральность.

Как в $β -$ -распаде нейтрона электрон и антинейтрино $~\bar {\nu}_{e}$ имеют противоположные импульсы, так и при превращении нейтронной звезды в магнитар у звёздного антинейтрино $~\bar {\nu}_{es}$ и у сбрасываемого заряженного отрицательно вещества – аналога электрона импульсы тоже противоположны.

В представленной модели нейтрон содержит практически то же вещество, что имеет и протон. Отличие нейтрона заключается в особенной конфигурации магнитного поля и в наличии радиального градиента электрического заряда. В ходе реакций слабого взаимодействия в веществе нейтрона происходит изменение конфигурации магнитного поля, выделяющаяся энергия сбрасывает часть вещества из оболочки нейтрона вместе с отрицательным поверхностным зарядом. Нейтрон превращается в протон, а сброшенное вещество – в электрон. Всё это сопровождается излучением электронного антинейтрино, которое таким образом оказывается суммой излучений от частичек вещества нейтрона, распадающихся в реакциях слабого взаимодействия.

На основе подобных представлений рассматриваются другие реакции слабого взаимодействия с пионами, мюонами и их нейтрино. ^[4] В частности, ситуация с электронным захватом и превращением протона в нейтрон с излучением нейтрино, а также реакция превращения протона в нейтрон под действием нейтрино с излучением позитрона, дополнительно рассматриваются в субстанциональной модели протона. Исходя из этого делается вывод о том, что слабое взаимодействие элементарных частиц является следствием подобных взаимодействий в веществе, происходящих на более глубоком масштабном уровне материи. В таком случае слабое взаимодействие есть не какая-то фундаментальная сила, а способ долговременной трансформации вещества элементарных частиц. Соответственно, вводимые в стандартной теории для описания слабого взаимодействия векторные калибровочные и массивные W- и Z-бозоны полагаются не настоящими частицами, а квазичастицами.

Происхождение

В отличие от теории Большого взрыва, в которой нуклоны и остальные адроны возникают из кварков при остывании первичной кварк-глюонной плазмы сразу во всей расширяющейся Вселенной, в теории бесконечной вложенности материи кварки рассматриваются как кварковые квазичастицы. Такие квазичастицы удобны для описания свойств адронов, однако рождение элементарных частиц не связывается с концепцией Большого взрыва, имеющей ряд проблем. ^[7] Вместо этого привлекается идея подобия уровней материи и SPФ-симметрия, так что происхождение объектов на каждом основном уровне материи происходит по одному и тому же сценарию. На уровне звёзд эволюция вещества закономерно приводит к рождению массивных объектов – звёзд главной последовательности, превращающихся затем в белые карлики и нейтронные звёзды. Подобное ожидается и на уровне элементарных частиц, причём обычные нейтронные звёзды соответствуют нейтронам, магнитары – протонам, белые карлики – нюонам и мюонам, а обнаруженные замагниченные диски возле магнитаров – электронам. ^[8]

Основными действующими силами на уровне элементарных частиц предполагаются электромагнитные силы и сильная гравитация, которые в гравитационной модели сильного взаимодействия совместно с полем гравитационного кручения рассматриваются как основа сильного взаимодействия.

Электромагнитная и гравитационная силы имеют фундаментальный характер и могут быть объяснены в рамках теории гравитации Лесажа через свойства электрогравитационного вакуума. ^[4] ^[9] ^[10] ^[11] Благодаря сильной гравитации поддерживается целостность элементарных частиц и обеспечивается их взаимодействие друг с другом, причём в нуклонах достигается наивысшая плотность гравитационной энергии. ^[12] Массы нейтронных звёзд лежат в узком интервале допустимых значений, и предполагается, что масса нейтрона аналогично ограничивается уравнением состояния нуклонного вещества и постоянной сильной гравитации. В результате массы нуклонов в разных частях Вселенной мало отличаются друг от друга.

Аналогично тому, как вещество тел, планет и звёзд состоит из нейтронов, протонов и электронов, так и сами эти частицы предполагаются состоящими из нейтральных и положительно заряженных праонов и отрицательно заряженных праэлектронов. Это вытекает из принципа вложенности материи, по которому объекты некоторого основного уровня материи состоят из объектов нижележащего основного уровня материи. Праэлектроны по своим свойствам подобны электронам, а нейтральные праоны являются аналогами нейтронов.

С физико-философской точки зрения субстанцией, сущностью нашего мира, существующей относительно самостоятельно, оказываются праоны, как основные строительные блоки элементарных частиц и построенных из них частиц вещества. В свою очередь праоны должны состоять из граонов как частиц ещё более низкого основного уровня материи. ^[9] С учётом этого название субстанциональная модель нейтрона указывает на то, что в этой модели описывается сущностное начало, через которое возникают структура и свойства нейтрона.

Ссылки

Hofstadter R // Ann. Rev. Nucl. Sci., Vol. 7, p. 231 (1957).
Мостовой Ю.А., Мухин К.Н., Патаракин О.О. Нейтрон вчера, сегодня, завтра, УФН, 1996, Т. 166, С. 987-1022.
Александров Ю.А. О знаке и величине среднего квадрата внутреннего зарядового радиуса нейтрона, Физика элементарных частиц и атомного ядра, 1999, Т. 30, Вып.1, С. 72 – 122.
^а ^б ^в ^{г д} Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи. Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.
Fedosin S.G. Generation of magnetic fields in cosmic objects: electrokinetic model. Advances in Physics Theories and Applications, Vol. 44, pp. 123-138 (2015). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.888921; статья на русском языке: Возникновение магнитных полей в космических объектах: электрокинетическая модель.
Vink Jacco. Supernova remnants with magnetars: clues to magnetar formation. – arXiv: astro-ph / 0706.3179, 2007.
Федосин С.Г. Проблемы фундаментальной физики и возможные пути их решения // Сознание и физическая реальность, Т. 9, №. 2, 2004, С. 34 - 42.
Федосин С. Г. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик, Пермь: Стиль-МГ, 1999, ISBN 5-8131-0012-1, 544 стр., Табл.66, Ил.93, Библ. 377 назв.
Fedosin S.G. The graviton field as the source of mass and gravitational force in the modernized Le Sage’s model. Physical Science International Journal, ISSN: 2348-0130, Vol. 8, Issue 4, pp. 1-18 (2015). http://dx.doi.org/10.9734/PSIJ/2015/22197; // Поле гравитонов как источник гравитационной силы и массы в модернизированной модели Лесажа.
Fedosin S.G. The charged component of the vacuum field as the source of electric force in the modernized Le Sage’s model. Journal of Fundamental and Applied Sciences, Vol. 8, No. 3, pp. 971-1020 (2016). http://dx.doi.org/10.4314/jfas.v8i3.18, https://dx.doi.org/10.5281/zenodo.845357. // Заряженная компонента вакуумного поля как источник электрической силы в модернизированной модели Лесажа.
Fedosin S.G. The Force Vacuum Field as an Alternative to the Ether and Quantum Vacuum. WSEAS Transactions on Applied and Theoretical Mechanics, ISSN / E-ISSN: 1991-8747 / 2224-3429, Volume 10, Art. #3, pp. 31-38 (2015). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.888979; // Силовое вакуумное поле как альтернатива эфиру и квантовому вакууму.
Комментарии к книге: Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи. Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0

См. также

Внешние ссылки

Substantial neutron model

Источник: http://sergf.ru/smn.htm

На список страниц