核子精细结构探究及理论物理学重构

重庆市长寿第一中学校 重庆 401220

我在三篇文章中相继探究了黑洞、类星体、稳定宇宙等大尺度天体问题并建立了科学模型。现在我将从微观粒子角度来探究有关的科学问题。而这些问题的彻底解决,有助于我们从更高的层次来重建理论物理学,初步形成科学的从夸克到稳定宇宙23-36层级的物质圈层分布结构,认清宇宙的本质规律,包括暗物质、黑洞、类星体等若干重大宇宙问题,极大地促进人类文明的飞跃!

1 质子的精细结构

1.1 质子夸克质量分析 对于质子,传统物理理论认为质子里两个上夸克和一个下夸克的质量贡献约1%,其它的质量贡献是胶子,它们主要借助强相互作用约束内部的夸克,以能量形式表现出来。具体推算如下:

上夸克静止质量为2.01MeV/c2,对应静止质量3.5832×10-30kg,下夸克静止质量为4.79MeV/c2,对应静止质量8.5309×10-30kg,质子的两个上夸克和一个下夸克的静止质量为1.56973×10-29kg,而质子质量为1.67262163783×10-27kg,夸克组团静止质量约占质子质量的0.94%。

而实际科学测定质子中夸克组的质量占比为7%,相当于夸克组动质量m=7.4468m0,m=m0/(1-v2/c2)0.5,可以进一步推算出v=0.99094c。

1.2 氢原子核外电子速度 由牛顿第二定律知,对氢原子核外电子有ke2/r2=mev2/r,这里静电力恒量k=8.98755178799791×109Nm2/C2,e=1.60217648740×10-19C,me=9.1093821545×10-31kg,r=0.52917×10-10m,解得v=2.1862410479×106m/s。取c=2.99792458×108m/s,则v=0.007292515c。

1.3 质子的分层数估算 我们把稳定宇宙模型反转估算质子的胶子圈层分层数,v1=0.99094c≈c,而vn=2-(n-1)/2c=0.007292515c,两边取自然对数解得n=15.1987357。考虑到去除r=0.52917×10-10m的电子轨道,取n=15。

早些年,科学家认为质子半径为rp=1.128644848×10-15m,最近的科学测试结果为rp=0.831×10-15m。而夸克平均间距L=0.43×10-18m,我们忽略夸克的大小,取r=Lcos30°×2/3=0.2482606158×10-18m。认为r～rp为质子的15个胶子圈层。

1.4 质子胶子圈层的精细轨道半径估算 在这里我们认为强相互作用力是库仑力与磁场力(安培力)的合力,忽略弱相互作用,并把四种相互作用简单看成是与距离r成平方反比,与r轨道内物质动质量M成正比的关系。进一步设定r1=0.2482606158×10-18m,约定r1～√2r1区域内的胶子线速度为c,紧接着其外的较小区域为虚空区,以后按照等比数列依次向外递推到rp。

类似于稳定宇宙模型的分层分布半径公式调整为rn=xn-1r1,令rn=0.831×10-15m,n=15。代入r1方程两边取自然对数解得x=1.78551625。换句话说胶子圈层间的各级虚空区厚度为(x-√2)rn=0.37138063rn。

2 中子精细结构

2.1 中子夸克质量分析 中子由一个上夸克和两个下夸克组成,上夸克静止质量为2.01MeV/c2,对应静止质量3.5832×10-30kg,下夸克静止质量为4.79MeV/c2,对应静止质量8.5309×10-30kg,中子的一个上夸克和两个下夸克的静止质量为2.0645×10-29kg,而中子质量为1.674921184×10-27kg,夸克组团静止质量约占中子质量的1.23%。

而实际科学测定中子中夸克组的质量占比为7%,相当于夸克组动质量m=5.691m0,m=m0/(1-v2/c2)0.5,可以进一步推算出v=0.98444c。

2.2 中子分层胶子圈层数 类比于质子,我们认为中子的分层数为n=15层。早些年,科学家认为中子半径为rn=1.1133755748×10-15m,最近的科学测试结果为rn=0.833×10-15m。而夸克平均间距L=0.43×10-18m,我们忽略夸克的大小,取r=Lcos30°×2/3=0.2482606158×10-18m。认为r～rn为质子的15个胶子圈层。近似取v1=0.99844c≈c,由于rn与rp相当接近,可以直接引用质子的胶子分层半径数据。

3 四种基本相互作用力的量化

3.1 在核子胶子圈层的四种基本相互作用力的量化 为便于问题研讨,我们仅仅基于质子进行相关研究。

基于上面的与稳定宇宙模型的类比假设,我们设在核子胶子圈层区域的四种基本相互作用力F=k Mm/r2。我们设定r1=0.2482606158×10-18m,m是胶子的质量,Mn是第n胶子圈层内部的所有物质的动质量,rn是第n胶子圈层的轨道半径,为便于计算,取v1=c,n=15,则对第n胶子圈层外侧胶子有F=k Mnm/r2n=mv2n/rn,Mn=rnv2n/k,rn=xn-1r1,取rn=rp=0.831×10-15m,而vn=2-(n-1)/2c=0.007292515c=2.1862410479×106m/s,Mn=mp=1.67262163783×10-27kg。

经过公式变形得k=rnv2n/Mn,即k=rpv2n/mp=0.831×10-15m×(2.1862410479×106m/s)2/

(1.67262163783×10-27kg)=2.37464887×1024Nm2/kg2。

3.2 核子胶子圈层的四种基本相互作用力的精准量化 考虑到弱相互作用力主要作用于10-18m量级,强相互作用力主要作用于10-15m量级,而在10-10m量级主要取决于库伦力,该处万有引力极小完全可以忽略。我们设在r=0.52917×10-10m处的氢原子的核外电子所受到得四种基本相互作用的合力F=kmpme/r2=kee2/r2,得到

k=kee2/(mpme)=8.975517879979×109×(1.60217648740×10-19)2/(1.67262163783×10-27×9.1093821545×10-31)Nm2/kg2=1.51214554×1029Nm2/kg2。

3.3 核子精细结构建模重构

3.3.1 前面的建模中存在几个重大问题

(1)在建模中我直接把氢原子核外电子的线速度当成质子半径处最外胶子圈层的线速度;

(2)我分层计算了在胶子圈层中四大基本相互作用力对应的k值是明显变化的;

(3)如果把核子胶子圈层以及夸克组团的作用力视为是有心力,基于氢原子核外电子的线速度用角动量守恒界定质子半径处的胶子的线速度将达到400倍真空光速(视为运动粒子质量不变,未考虑粒子的相对论效应)。这充分说明前面的建模是彻底失败的。

3.3.2 质子精细结构的科学建模

(1)建模假设。质子由高速自转夸克组团附加胶子球核和外部的胶子光障区组成。并且限定飞米级及以下尺度内的四大基本相互作用力F=k Mm/r2=mc2/r,认为这个区域的k值恒定。

(2)参数计算。对质子半径rp处的胶子kmpm/r2p=mc2/rp得k=rpc2/mp=0.831×10-15×(2.99792458×108)2/

(1.67262163783×10-27)Nm2/kg2=4.4652391×1028Nm2/kg2。

由F=k Mm/r2=mc2/r得r轨道半径内的球体物质动质量M=rc2/k∝r。我们知道,科学实验测定质子中夸克胶子组团形成的夸克胶球的动质量为7%mp。由此确定质子中的夸克胶球的半径为rk=0.07rp,对应的周期近似为T=2πrk/c=2×3.14159265×0.07×0.831×10-15/(2.99792458×108)s=1.219153×10-23s,转速n=1/T=8.2024159×1022r/s。

3.3.3 核力公式的改进

(1)1935年日本著名核物理学家汤川秀树提出介子理论界定了核力,基于核力存在于所有核子之间通过交换介子发生相互作用,给出了核力公式。我把这个公式变形为F=km1m2(L-r)/[r3e(L/r)],L为飞米级的核力作用范围的常数。

(2)基于精准实验表明,把核力视为质子+e电子的库仑力与+e电子环流的安培力的合力,在飞米级距离范围内吻合度相当的高,在0.72rp和3.2rp处F=0,rp=0.831×10-15m。

核力F=km1m2(3.2rp-r)(0.72rp-r)/[r4e(3.2rp/r)],F>0为斥力,F<0为引力。k为比例系数。我们把rp简化为单位1,把r简化为x,得出简化核力y=(3.2-x)(0.72-x)/[x4e(3.2/x)],得出以下函数图像。

在上述公式中,我们基本统一了强弱相互作用力。我们认为在r＜0.497934rp的时候,力作用表现为弱相互作用;在0.72rp-3.2rp的时候,力作用表现为强相互作用;在r＞25.6rp的时候核力消失;在更大的区域则带电物体表现为库仑力或安培力,中性宏观物体则表现为万有引力。

4 推论

基于r=5.67825rp处有较大的核斥力,考虑到在较小距离区间有强相互作用力,由球体积公式V=4πr3/3,5.678253=183,考虑到球状核内部的质子填充和中子填充时的夸克胶子团的存在,根据化学核外电子壳层分布规律,可以大胆推断元素周期表的封顶号为9层电子壳层对应的170号元素。

5 核力公式

核力F=km1m2(0.72rp-r)(3.2rp-r)/[r4e(3.2rp/r)],F＞0为斥力,F＜0为引力。

假设我们把两个质子从间距是2rp处移动到无穷远处,把核力做功视为库伦斥力做功。即r2)dr(k0是静电力恒量)。而

故k0e2/(2rp)=0.0980102,这里k0=8.98755178799791×109Nm2/C2,e=1.60217648740×10-19C,mp=1.67262163783×10-27kg,代入数据解得k=4.2069008×1026Nm2/kg2。

6 四种基本相互作用的关联关系

弱相互作用力和强相互作用力都是短程力,严格说来合称核力。弱相互作用力作用范围为0～0.5rp(rp=0.831×10-5m),为弱斥力。强相互作用力作用范围主要是0.72rp～3.2rp,,为引力。在0.5rp～0.72rp以及3.2rp-25.6rp核力为斥力。广义的核力被认为作用到10-10m,其实已经十分微小,早已可以被忽略掉。电磁相互作用力和万有引力都是长程力,一般认为电磁力作用范围是0.5×10-10m～∞,万有引力作用范围是10-6m～∞。电磁力表现为带电物体、带电粒子及电流与磁场之间,万有引力表现为中性物体之间,从本质上看万有引力是极弱磁化后中性物体之间的电磁力的合力。

7 理论验证及应用

7.1 理论验证

7.1.1 核聚变等离子态的高温条件 假设我们把两个质子从间距是2rp处移动到无穷远处,把核力做功视为库伦斥力做功。即-r)(3.2rp-r)/[r4e(3.2rp/r)]dr=(e2/r2)dr(k0是静电力恒量)。令该式子为△E=2×3/2KT(K是玻尔兹曼常数,K=1.380650524×10-23J/K),即△E=k0e2/(2rp)=3KT,而k0=8.98755178799791×109Nm2/kg2,e=1.60217648740×109C,rp=0.831×10-15m,代入数据解得T=2.785×109K。考虑到核力作用的有效范围可以把上述温度下降2-3个数量级,轻核聚变仍然能够有效地发生。

7.1.2 轻核聚变的能量验证 氢弹核反应的一般性方程式为+17.6MeV。17.6MeV=2.816×10-12J。我们用球体积公式V=4πr3/3,估算原子核半径r的长度系数21/3=1.26,31/3=1.44,41/3=1.59,11/3=1。

取积分限1.5～∞,简化核力y=f(x)的积分约为0.085,5个核子参与约为0.435,则△E=0.435=0.435×4.2069008×1026×(1.67262163783×10-27)2/(0.831×10-15)J=6.16×10-13J约等于前者的22%。如此看来核反应中除核力做功以外,胶子介子参与,直接导致静止质量亏损是主要因素。

7.2 应用

7.2.1 常温超导材料原理研究 考虑核力为零的中间稳定点r=3.2rp,用球体积公式V=4πr3/3估算原子核对应的原子序数3.23=32.77,一般地我们认为32号元素的锗的核力为零,因此常温超导材料的主体是锗,可以适度掺杂铜锌硒等微量元素。

7.2.2 宇宙大爆炸理论的否定 考虑核力公式F=km1m2(0.72rp-r)(3.2rp-r)/[r4e(3.2rp/r)]对应的图像,我们可以确定r→0,弱斥力F→0。所以距今约138亿年前的从一个极小极高温超高密度的奇点开始的宇宙大爆炸根本不存在,而宇宙观察中的红移实际上在于传播过程中的能量的衰减,频率减小,波长变大出现红移现象。

8 核子精细结构的确定

我们考虑到前面的若干假设中在不同力的公式中的k值有明显的变化,且差距甚大。这充分说明我们的建模是不成功的。为了让我们的建模更加贴近实际的情形,我提出以下的核子精细结构模型。

我们假定在0～0.72rp区域是一个由胶子与核子内三个夸克组成的一个相对稳定的胶团,三个夸克在其中心区域在间距为0.43×10-18m的正三角形分布,它们与弥漫的胶子组成的胶团在r=0.72rp的赤道处的自转线速度为v,在0.72rp～rp区域存在单纯的胶子层,且以恒定速率c球对称分布环绕。

基于上述假设大幅度简化核子精细结构,极大地消除了大量不同力的公式的k值的巨大差距,也同时弥补了轻核聚变验证中存在的巨大能量相对误差,这个相对误差的消除可以解释为在0.72rp～rp区域存在的胶子层参与了核反应并出现质量亏损现象。

对质子半径rp处的胶子F=kmpm(0.72rp-r)(3.2rp-r)/[r4e(3.2rp/r)]=mv2/r,而k=4.2069008×1026Nm2/kg2,r=rp=0.831×10-15m,mp=1.67262163783×10-27。代入数据解得v=9.40030684×107m/s。略为c/3。胶团对应的周期 T=2πrp/v=5.5544219×10-23s,转速n=1/T=1.80036738×1022r/s。这个区域属于禁闭场区域。在0.72rp～rp区域存在单纯的胶子层,且以恒定速率c球对称分布环绕,但是这个区域的胶子层的动质量较小,我们前面的计算中没有考虑这部分的质量贡献。

9 展望

考虑到在研究过程的艰辛过程以及获得我国几个科学家的相继帮助,我还是保留了科研过程的绝大部分全景内容,即便少数部分内容是错误的我也保留下来了。我想这对于全球核科学家继续深入精准探究科学理论是有极大地帮助的。

我深信在全球理论物理学家的共同努力下,我们在完善核力理论,推进新物质的发现构建中,必将迎来一轮新的理论革命,比如暗物质就是胶子和黑洞光障区物质,因为在核子里面胶子的质量占比与宇宙中暗物质暗能量的质量占比相同。我们只有彻底破解了电子、夸克、介子和光子的定量转化关系,才能更进一步向暗物质暗能量研究领域挺近。我为重构基础物理理论做出重大的推进作用,继而掀起新一轮的伟大的科技革命的浪潮。

在这里我感谢民科吧里的陈彼方、达瓦里希、木叶蝶等学者的大力帮助,谢谢您们!