ΟΙ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΣΥΓΚΡΑΤΟΥΝ ΕΝΩΜΕΝΟ ΤΟΝ ΠΥΡΗΝΑ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΛΟΓΩ ΤΗΣ ΑΝΙΣΟΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΣΤΑ ΝΟΥΚΛΕΟΝΙΑ
Εισαγωγή. Τι θα αποδειχτεί. ΤΙ ΚΡΑΤΑ ΕΝΩΜΕΝΟ ΤΟ ΠΥΡΗΝΙΚΟ ΤΣΑΜΠΙ;
Στοιχεία ΙΠΔ. Διαγράμματα- Σχήματα
Παραδοχές
Απόδειξη με υπολογισμό Δυναμικών ενεργειών.
Αποτελέσματα.
ΤΙ ΚΡΑΤΑ ΕΝΩΜΕΝΟ ΤΟ ΠΥΡΗΝΙΚΟ ΤΣΑΜΠΙ;
Έως τώρα η απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι εύκολη και προφανής. Αφού τα πρωτόνια του πυρήνα είναι φορτισμένα θετικά ενώ τα νετρόνια είναι ουδέτερα η δύναμη του ηλεκτρισμού δρα διασπαστικά ή στην καλύτερη περίπτωση ουδέτερα (η μόνη άλλη γνωστή δύναμη της βαρύτητας είναι αμελητέα). Συνεπώς χρειάζεται μια νέα δύναμη για να συγκρατεί τα νουκλεόνια ενωμένα . Την ονομάσαμε ισχυρή πυρηνική δύναμη (Ι.Π.Δ), της δώσαμε μικρή εμβέλεια (τάξη μεγέθους 10^-15 m) και είπαμε ότι δρα μόνο μεταξύ νουκλεονίων (πρωτόνια και νετρόνια) ή μεταξύ των quarks. Το μέτρο της δεν είναι αντίστροφο του τετραγώνου της απόστασης αλλά η ισχύς της δίνεται από μια παράξενη καμπύλη που έχει βρεθεί πειραματικά.
Όταν βρέθηκαν και τα σωματίδια φορείς της Ι.Π.Δ εργαστηριακά επαληθεύτηκε ότι όλα τα ανωτέρω είναι σωστά.
Μπορεί κάτι τόσο προφανές και γενικά αποδεκτό από όλη την επιστημονική κοινότητα να είναι λάθος;
Κάθε πρωτόνιο (ή νετρόνιο) δεν έχει ένα φορτίο στο κέντρο του –δες Σχήμα 3 (ούτε είναι χωρίς φορτίο αντίστοιχα) , αλλά εμπεριέχει 3 διαφορετικά φορτία που βρίσκονται στα τρία (3) του quarks που περιέχει –δες Σχήμα 2.
Στην συνεχεία της εργασίας αυτής θα κάνω τους υπολογισμούς με βάση την πραγματική κατανομή και θα αποδείξω ότι τα νουκλεόνια μπορούν κάλλιστα να διατηρούνται ενωμένα από τις ηλεκτρικές τους δυνάμεις, λόγω της ανισοκατανομής των φορτίων.
ΣΤΟΙΧΕΙΑ Ι.Π.Δ. ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ-ΣΧΗΜΑΤΑ
Η καμπύλη που μας δίνει το σύνολο της ενέργειας που χρειάζεται (ή αποδίδεται) όταν πλησιάσουν μεταξύ τους δύο πρωτόνια δίνεται στο παρακάτω Σχήμα 1
Σχήμα 1
Α-Β είναι η καμπύλη της προσφοράς ενέργειας που χρειάζονται 2 πρωτόνια με το φορτίο στο κέντρο τους για να αντιμετωπίσουν την απωστική ηλεκτρική δύναμη και να πλησιάσουν στην αντίστοιχη απόσταση του άξονα-χ σε fm.
Σύμφωνα με την επικρατούσα θεωρεία, στο σημείο Ε αρχίζει να εφαρμόζεται η ελκτική Ι.Π.Δ και αλλάζει κλίση στην καμπύλη. Η συνολική δύναμη (δύναμη Ι.Π.Δ – ηλεκτρική δύναμη qulomb) δεν είναι πλέον απωστική αλλά ελκτική αποδίδοντας ενέργεια, ενώ μέχρι το σημείο Ε απορροφούσε. Η νέα καμπύλη είναι τώρα η ΕΖ. Ούτε όμως και αυτή προλαβαίνει να ολοκληρωθεί καθώς μετά το σημείο Η, τα πρωτόνια λόγω της Αρχής της αβεβαιότητας (Α.Α) αρχίζουν και ανεβάζουν πολύ την κινητική τους ενέργεια με αποτέλεσμα να χρειάζεται εκ’ νέου προσφορά ενέργειας για να πλησιάσουν τα πρωτόνια περισσότερο μεταξύ τους.
Οι αποστάσεις στον άξονα-χ
όπου βρίσκονται τα σημεία Α,Ε,Η ποικίλουν στην βιβλιογραφία, αλλά είναι λίγα
fm
για το Α, περίπου 2,7 fm
(φερμί=10^-15 m)
για το Ε και λιγότερο από 2
fm για το Η. Οι αποστάσεις μετριούνται
από κέντρο σε κέντρο πρωτονίων (ακτίνα πρωτονίων
Rp≈0,862
fm)
Πρέπει να εξηγήσουμε ότι λόγω της Αρχής της Απροσδιοριστίας (ΑΑ) δεν μπορούν τα
νουκλεόνια του πυρήνα να «ακουμπούν» γιατί τότε η κινητική τους ενέργεια θα
γίνει άπειρη. Συνεπώς πλησιάζουν μέχρι δέκατα του
fm
όπου είναι και η κατάσταση ελάχιστης ενέργειας.
Επίσης η διάμετρος του πρωτονίου είναι κάτω από 1
fm
, με επικρατέστερο το 0,862
fm.
http://scienceworld.wolfram.com/physics/Proton.html
Διευκρίνιση:Το πρωτόνιο δεν
είναι λόγω της κινητικής ενέργειας και των άλλων δυνάμεων στρογγυλό.
Επιπροσθέτως όπως γνωρίζουμε η έννοια του σχήματος και του σωματιδίου παύουν να
έχουν ακριβώς την σημασία που τους αποδίδουμε στην καθημερινότητά μας.
Υπάρχει η ιδέα ότι μπορεί να πάρει και το σχήμα φιστικιού αν τανηθεί από ισχυρές
δυνάμεις.
Δες Gerald Miller
http://prola.aps.org/abstract/PRC/v68/i2/e022201
http://www.lnf.infn.it/conference/nucleon05/talks/fri14/morning/grossN05.pdf
Με την ανακάλυψη ότι τα νουκλεόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ η ΙΠΔ ανέλαβε την συγκράτηση και των κουάρκ ενωμένων, αλλά δεν άλλαξε τίποτα στο θεωρητικό μοντέλο του πυρήνα των ατόμων. Όπως θα δούμε στην συνέχεια της εργασίας αυτής, όταν μελετήσουμε το πρωτόνιο a)σαν ένα αντικείμενο με φορτίο +e στο κέντρο του, δίνει τελείως διαφορετικά αποτελέσματα από την περίπτωση b)που το μελετήσουμε σαν τρία (3) ενωμένα σωματίδια με φορτία +2/3 +2/3 –1/3. (Και το νετρόνιο δεν πρέπει να το αντιμετωπίζουμε σαν ουδέτερο αλλά σαν ένα σωματίδιο με φορτία +2/3 -1/3 -1/3). Η κύρια διαφορά είναι ότι στη περίπτωση b) δεν απαιτείτε η χρήση της ΙΠΔ για την συγκράτηση των νουκλεονίων. Η δύναμη του ηλεκτρισμού είναι αρκετή.
Αυτό γίνετε αντιληπτό εύκολα αν παρατηρήσουμε προσεκτικά τα παρακάτω σχήματα:
Σχήμα 2 Δύο πρωτόνια με τα quark τους
Σχήμα 3 Τα νουκλεόνια όπως γίνονταν οι υπολογισμοί εως σήμερα
Παρατηρούμε στο Σχήμα 2 ότι τα πρωτόνια είναι σταθερά συνδεδεμένα λόγω της μεγάλης ελκτικής δύναμης που αναπτύσσεται στα δύο φορτία κοντά στο σημείο επαφής.
ΠΑΡΑΔΟΧΕΣ
Πρέπει να διευκρινίσω ότι
τα παραπάνω σχήματα είναι ιδιαίτερα απλουστευμένα για να μπορέσει να γίνει
κατανοητό ότι οι ηλεκτρικές δυνάμεις μπορούν να κρατήσουν ενωμένους τους
πυρήνες.
Στην πράξη τα quarks:
Για να αποδείξω την
παραπάνω θεωρεία, έφτιαξα ένα πρόγραμμα
σε υπολογιστή για να δω τις δυνάμεις που
ασκούνται ανάμεσα στα δύο (2) πρωτόνια καθώς αυτά συγκλίνουν και αν αυτές
ταιριάζουν με το Σχήμα1
Για το μοντέλο που θα γίνουν οι υπολογισμοί λαμβάνουμε τις ακόλουθες παραδοχές:
Οι δυνάμεις βαρύτητας είναι αμελητέες στους υπολογισμούς που θα γίνουν και αγνοούνται.
Τα φορτία των quarks
όπως είπαμε μετακινούνται συνεχώς σε τυχαίες και απροσδιόριστες θέσεις που τους
επιτρέπει η κβαντική φυσική. Στους υπολογισμούς θα θεωρήσουμε την «μέση θέση»
τους , δηλαδή την θέση που έχει το ίδιο αποτέλεσμα με το σύνολο των πιθανών
θέσεων και τις πιθανότητες που υπάρχουν για κάποια θέση. Σαν σχήμα νουκλεονίου
θα ληφθεί το σφαιρικό.
Έγιναν υπολογισμοί για διάφορες θέσεις φορτίων quark σε ομόκεντρους κύκλους από
το κέντρο της περιοχής τους (0% απομάκρυνση) έως την εξωτερική περιφέρεια (100%
απομάκρυνση) πχ στο Σχήμα 1 είναι στο 85% η απομάκρυνση.
Επίσης όπως όταν πλησιάζουν δύο (2) μαγνήτες στρέφουν τους πόλους τους έτσι ώστε
να είναι αντίθετοι το ίδιο συμβαίνει και στα νουκλεόνια, δηλαδή στρέφονται ώστε
να τοποθετηθούν αντικριστά ένα θετικό με ένα αρνητικό φορτίο. Τα φορτία τότε
πλησιάζουν ακόμα περισσότερο προς την περιφέρεια.
Προφανώς έχουν γίνει
απλουστεύσεις με βάση όσα είπαμε προηγουμένως αλλά σε κάθε άλλη περίπτωση οι
υπολογισμοί θα γίνονταν ιδιαίτερα περίπλοκοι, και δεν θα μπορούσαμε να είχαμε
μια απλή και κατανοητή μαθηματική έκφραση. Επίσης το μοντέλο αυτό είναι δυσμενές
ως προς την πραγματικότητα αν αναλογιστεί κανείς ότι τα quarks
και όλο το νουκλεόνιο θα χάσει το
σφαιρικό του σχήμα και τα φορτία που ασκούν απωστικές δυνάμεις θα είναι στην
πράξη περισσότερο απομακρυσμένα.
Οι υπολογισμοί των ενεργειών στο πρόγραμμα έγιναν από μεγάλη σχετικά απόσταση 10fm
έως 0.1 fm
αφού όπως ανέφερα τα νουκλεόνια δεν θα ακουμπήσουν ποτέ αλλά θα φτάσουν σε
ακραία περίπτωση έως αυτή την απόσταση.
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΙΜΩΝ ΜΕ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ
Το πρόγραμμα ξεκινά από απόσταση
S=10 fm και με βήμα -0,01
fm υπολογίζει την δυναμική ενέργεια για κάθε θέση
μέχρι 0,1 fm. Η απόσταση αυτή (S)
είναι η κοντινότερη απόσταση μεταξύ των επιφανειών των πρωτονίων.
Σε κάθε βήμα της διαδικασίας υπολογίζει τις αποστάσεις (r)
μεταξύ των έξι (6) φορτίων των quarks που υπάρχουν στα
δύο )2) νουκλεόνια, και κατόπιν τις δυναμικές τους ενέργειες (E=K*q1*q2/r)
τις οποίες προσθέτει για να υπολογίσει την συνολική δυναμική ενέργεια.
Κατόπιν προσθέτουμε στην απόσταση S
τον παράγοντα 2*Rp για να βρούμε την δυναμική
ενέργεια συναρτήσει της απόστασης των κέντρων των πρωτονίων και να μπορούμε να
συγκρίνουμε με το Σχήμα 1 που έχει προκύψει πειραματικά.
Το διάγραμμα που ακολουθεί παρουσιάζει τα αποτελέσματα του
προγράμματος για δύο (2) πρωτόνια που πλησιάζουν μεταξύ τους.
Σαν ακτίνα πρωτονίου έχω βάλει Rp=0,862 και η
απομάκρυνση των quark είναι στο 99%.
Παραθέτω επίσης ξανά το Σχήμα 1 για σύγκριση.
ΕΠΙΛΟΓΟΣ
Κατανοώ ότι δεν είναι εύκολο να αποβάλλουμε αντιλήψεις κοινά αποδεκτές και μη
αμφισβητούμενες από την επιστημονική κοινότητα. Τα αποτελέσματα όμως είναι
σαφέστατα. Μπορεί να συγκρατηθεί ενωμένο το πυρηνικό τσαμπί μόνο με την χρήση
της γνωστής μας ηλεκτρικής δύναμης, χωρίς να χρειάζεται χρήση της Ι.Π.Δ.
Η απλότητα είναι κάτι που διακρίνει τον φυσικό κόσμο και ξέρουμε ότι αν κάτι
μπορεί να γίνει με απλό ή με ένα ποιο σύνθετο τρόπο τότε θα γίνει σίγουρα με τον
απλό.
Προφανώς θα ήταν καλύτερα αν μπορούσαμε να απαλείψουμε τελείως την χρήση Ι.Π.Δ η
οποία παραμένει ακόμα χρήσιμη για να διατηρεί ενωμένα τα
quarks. Ίσως στο μέλλον και αν υπάρχει στο μεταξύ μια θεωρεία για
την κβαντική βαρύτητα να αποδειχτεί ότι η βαρύτητα είναι αυτή που ενώνει τα
quarks .
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
Ε.Ν ΟΙΚΟΝΟΜΟΥ: Η ΦΥΣΙΚΗ ΣΗΜΕΡΑ Παν.εκδ. Κρήτης
Διαδίκτυο
ΒΑΛΙΔΑΚΗΣ Δ. ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ
VALIDAKIS KONSTANTINE
mechanical engineer
045518761