核子精細結構探究及理論物理學重構

重慶市長壽第一中學校 重慶 401220

我在三篇文章中相繼探究了黑洞、類星體、穩定宇宙等大尺度天體問題并建立了科學模型。現在我將從微觀粒子角度來探究有關的科學問題。而這些問題的徹底解決,有助于我們從更高的層次來重建理論物理學,初步形成科學的從夸克到穩定宇宙23-36層級的物質圈層分布結構,認清宇宙的本質規律,包括暗物質、黑洞、類星體等若干重大宇宙問題,極大地促進人類文明的飛躍!

1 質子的精細結構

1.1 質子夸克質量分析 對于質子,傳統物理理論認為質子里兩個上夸克和一個下夸克的質量貢獻約1%,其它的質量貢獻是膠子,它們主要借助強相互作用約束內部的夸克,以能量形式表現出來。具體推算如下:

上夸克靜止質量為2.01MeV/c2,對應靜止質量3.5832×10-30kg,下夸克靜止質量為4.79MeV/c2,對應靜止質量8.5309×10-30kg,質子的兩個上夸克和一個下夸克的靜止質量為1.56973×10-29kg,而質子質量為1.67262163783×10-27kg,夸克組團靜止質量約占質子質量的0.94%。

而實際科學測定質子中夸克組的質量占比為7%,相當于夸克組動質量m=7.4468m0,m=m0/(1-v2/c2)0.5,可以進一步推算出v=0.99094c。

1.2 氫原子核外電子速度 由牛頓第二定律知,對氫原子核外電子有ke2/r2=mev2/r,這里靜電力恒量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,則v=0.007292515c。

1.3 質子的分層數估算 我們把穩定宇宙模型反轉估算質子的膠子圈層分層數,v1=0.99094c≈c,而vn=2-(n-1)/2c=0.007292515c,兩邊取自然對數解得n=15.1987357。考慮到去除r=0.52917×10-10m的電子軌道,取n=15。

早些年,科學家認為質子半徑為rp=1.128644848×10-15m,最近的科學測試結果為rp=0.831×10-15m。而夸克平均間距L=0.43×10-18m,我們忽略夸克的大小,取r=Lcos30°×2/3=0.2482606158×10-18m。認為r～rp為質子的15個膠子圈層。

1.4 質子膠子圈層的精細軌道半徑估算 在這里我們認為強相互作用力是庫侖力與磁場力(安培力)的合力,忽略弱相互作用,并把四種相互作用簡單看成是與距離r成平方反比,與r軌道內物質動質量M成正比的關系。進一步設定r1=0.2482606158×10-18m,約定r1～√2r1區域內的膠子線速度為c,緊接著其外的較小區域為虛空區,以后按照等比數列依次向外遞推到rp。

類似于穩定宇宙模型的分層分布半徑公式調整為rn=xn-1r1,令rn=0.831×10-15m,n=15。代入r1方程兩邊取自然對數解得x=1.78551625。換句話說膠子圈層間的各級虛空區厚度為(x-√2)rn=0.37138063rn。

2 中子精細結構

2.1 中子夸克質量分析 中子由一個上夸克和兩個下夸克組成,上夸克靜止質量為2.01MeV/c2,對應靜止質量3.5832×10-30kg,下夸克靜止質量為4.79MeV/c2,對應靜止質量8.5309×10-30kg,中子的一個上夸克和兩個下夸克的靜止質量為2.0645×10-29kg,而中子質量為1.674921184×10-27kg,夸克組團靜止質量約占中子質量的1.23%。

而實際科學測定中子中夸克組的質量占比為7%,相當于夸克組動質量m=5.691m0,m=m0/(1-v2/c2)0.5,可以進一步推算出v=0.98444c。

2.2 中子分層膠子圈層數 類比于質子,我們認為中子的分層數為n=15層。早些年,科學家認為中子半徑為rn=1.1133755748×10-15m,最近的科學測試結果為rn=0.833×10-15m。而夸克平均間距L=0.43×10-18m,我們忽略夸克的大小,取r=Lcos30°×2/3=0.2482606158×10-18m。認為r～rn為質子的15個膠子圈層。近似取v1=0.99844c≈c,由于rn與rp相當接近,可以直接引用質子的膠子分層半徑數據。

3 四種基本相互作用力的量化

3.1 在核子膠子圈層的四種基本相互作用力的量化 為便于問題研討,我們僅僅基于質子進行相關研究。

基于上面的與穩定宇宙模型的類比假設,我們設在核子膠子圈層區域的四種基本相互作用力F=k Mm/r2。我們設定r1=0.2482606158×10-18m,m是膠子的質量,Mn是第n膠子圈層內部的所有物質的動質量,rn是第n膠子圈層的軌道半徑,為便于計算,取v1=c,n=15,則對第n膠子圈層外側膠子有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。

經過公式變形得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 核子膠子圈層的四種基本相互作用力的精準量化 考慮到弱相互作用力主要作用于10-18m量級,強相互作用力主要作用于10-15m量級,而在10-10m量級主要取決于庫倫力,該處萬有引力極小完全可以忽略。我們設在r=0.52917×10-10m處的氫原子的核外電子所受到得四種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 核子精細結構建模重構

3.3.1 前面的建模中存在幾個重大問題

(1)在建模中我直接把氫原子核外電子的線速度當成質子半徑處最外膠子圈層的線速度;

(2)我分層計算了在膠子圈層中四大基本相互作用力對應的k值是明顯變化的;

(3)如果把核子膠子圈層以及夸克組團的作用力視為是有心力,基于氫原子核外電子的線速度用角動量守恒界定質子半徑處的膠子的線速度將達到400倍真空光速(視為運動粒子質量不變,未考慮粒子的相對論效應)。這充分說明前面的建模是徹底失敗的。

3.3.2 質子精細結構的科學建模

(1)建模假設。質子由高速自轉夸克組團附加膠子球核和外部的膠子光障區組成。并且限定飛米級及以下尺度內的四大基本相互作用力F=k Mm/r2=mc2/r,認為這個區域的k值恒定。

(2)參數計算。對質子半徑rp處的膠子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軌道半徑內的球體物質動質量M=rc2/k∝r。我們知道,科學實驗測定質子中夸克膠子組團形成的夸克膠球的動質量為7%mp。由此確定質子中的夸克膠球的半徑為rk=0.07rp,對應的周期近似為T=2πrk/c=2×3.14159265×0.07×0.831×10-15/(2.99792458×108)s=1.219153×10-23s,轉速n=1/T=8.2024159×1022r/s。

3.3.3 核力公式的改進

(1)1935年日本著名核物理學家湯川秀樹提出介子理論界定了核力,基于核力存在于所有核子之間通過交換介子發生相互作用,給出了核力公式。我把這個公式變形為F=km1m2(L-r)/[r3e(L/r)],L為飛米級的核力作用范圍的常數。

(2)基于精準實驗表明,把核力視為質子+e電子的庫侖力與+e電子環流的安培力的合力,在飛米級距離范圍內吻合度相當的高,在0.72rp和3.2rp處F=0,rp=0.831×10-15m。

核力F=km1m2(3.2rp-r)(0.72rp-r)/[r4e(3.2rp/r)],F>0為斥力,F<0為引力。k為比例系數。我們把rp簡化為單位1,把r簡化為x,得出簡化核力y=(3.2-x)(0.72-x)/[x4e(3.2/x)],得出以下函數圖像。

在上述公式中,我們基本統一了強弱相互作用力。我們認為在r＜0.497934rp的時候,力作用表現為弱相互作用;在0.72rp-3.2rp的時候,力作用表現為強相互作用;在r＞25.6rp的時候核力消失;在更大的區域則帶電物體表現為庫侖力或安培力,中性宏觀物體則表現為萬有引力。

4 推論

基于r=5.67825rp處有較大的核斥力,考慮到在較小距離區間有強相互作用力,由球體積公式V=4πr3/3,5.678253=183,考慮到球狀核內部的質子填充和中子填充時的夸克膠子團的存在,根據化學核外電子殼層分布規律,可以大膽推斷元素周期表的封頂號為9層電子殼層對應的170號元素。

5 核力公式

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

假設我們把兩個質子從間距是2rp處移動到無窮遠處,把核力做功視為庫倫斥力做功。即r2)dr(k0是靜電力恒量)。而

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

6 四種基本相互作用的關聯關系

弱相互作用力和強相互作用力都是短程力,嚴格說來合稱核力。弱相互作用力作用范圍為0～0.5rp(rp=0.831×10-5m),為弱斥力。強相互作用力作用范圍主要是0.72rp～3.2rp,,為引力。在0.5rp～0.72rp以及3.2rp-25.6rp核力為斥力。廣義的核力被認為作用到10-10m,其實已經十分微小,早已可以被忽略掉。電磁相互作用力和萬有引力都是長程力,一般認為電磁力作用范圍是0.5×10-10m～∞,萬有引力作用范圍是10-6m～∞。電磁力表現為帶電物體、帶電粒子及電流與磁場之間,萬有引力表現為中性物體之間,從本質上看萬有引力是極弱磁化后中性物體之間的電磁力的合力。

7 理論驗證及應用

7.1 理論驗證

7.1.1 核聚變等離子態的高溫條件 假設我們把兩個質子從間距是2rp處移動到無窮遠處,把核力做功視為庫倫斥力做功。即-r)(3.2rp-r)/[r4e(3.2rp/r)]dr=(e2/r2)dr(k0是靜電力恒量)。令該式子為△E=2×3/2KT(K是玻爾茲曼常數,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,代入數據解得T=2.785×109K。考慮到核力作用的有效范圍可以把上述溫度下降2-3個數量級,輕核聚變仍然能夠有效地發生。

7.1.2 輕核聚變的能量驗證 氫彈核反應的一般性方程式為+17.6MeV。17.6MeV=2.816×10-12J。我們用球體積公式V=4πr3/3,估算原子核半徑r的長度系數21/3=1.26,31/3=1.44,41/3=1.59,11/3=1。

取積分限1.5～∞,簡化核力y=f(x)的積分約為0.085,5個核子參與約為0.435,則△E=0.435=0.435×4.2069008×1026×(1.67262163783×10-27)2/(0.831×10-15)J=6.16×10-13J約等于前者的22%。如此看來核反應中除核力做功以外,膠子介子參與,直接導致靜止質量虧損是主要因素。

7.2 應用

7.2.1 常溫超導材料原理研究 考慮核力為零的中間穩定點r=3.2rp,用球體積公式V=4πr3/3估算原子核對應的原子序數3.23=32.77,一般地我們認為32號元素的鍺的核力為零,因此常溫超導材料的主體是鍺,可以適度摻雜銅鋅硒等微量元素。

7.2.2 宇宙大爆炸理論的否定 考慮核力公式F=km1m2(0.72rp-r)(3.2rp-r)/[r4e(3.2rp/r)]對應的圖像,我們可以確定r→0,弱斥力F→0。所以距今約138億年前的從一個極小極高溫超高密度的奇點開始的宇宙大爆炸根本不存在,而宇宙觀察中的紅移實際上在于傳播過程中的能量的衰減,頻率減小,波長變大出現紅移現象。

8 核子精細結構的確定

我們考慮到前面的若干假設中在不同力的公式中的k值有明顯的變化,且差距甚大。這充分說明我們的建模是不成功的。為了讓我們的建模更加貼近實際的情形,我提出以下的核子精細結構模型。

我們假定在0～0.72rp區域是一個由膠子與核子內三個夸克組成的一個相對穩定的膠團,三個夸克在其中心區域在間距為0.43×10-18m的正三角形分布,它們與彌漫的膠子組成的膠團在r=0.72rp的赤道處的自轉線速度為v,在0.72rp～rp區域存在單純的膠子層,且以恒定速率c球對稱分布環繞。

基于上述假設大幅度簡化核子精細結構,極大地消除了大量不同力的公式的k值的巨大差距,也同時彌補了輕核聚變驗證中存在的巨大能量相對誤差,這個相對誤差的消除可以解釋為在0.72rp～rp區域存在的膠子層參與了核反應并出現質量虧損現象。

對質子半徑rp處的膠子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。代入數據解得v=9.40030684×107m/s。略為c/3。膠團對應的周期 T=2πrp/v=5.5544219×10-23s,轉速n=1/T=1.80036738×1022r/s。這個區域屬于禁閉場區域。在0.72rp～rp區域存在單純的膠子層,且以恒定速率c球對稱分布環繞,但是這個區域的膠子層的動質量較小,我們前面的計算中沒有考慮這部分的質量貢獻。

9 展望

考慮到在研究過程的艱辛過程以及獲得我國幾個科學家的相繼幫助,我還是保留了科研過程的絕大部分全景內容,即便少數部分內容是錯誤的我也保留下來了。我想這對于全球核科學家繼續深入精準探究科學理論是有極大地幫助的。

我深信在全球理論物理學家的共同努力下,我們在完善核力理論,推進新物質的發現構建中,必將迎來一輪新的理論革命,比如暗物質就是膠子和黑洞光障區物質,因為在核子里面膠子的質量占比與宇宙中暗物質暗能量的質量占比相同。我們只有徹底破解了電子、夸克、介子和光子的定量轉化關系,才能更進一步向暗物質暗能量研究領域挺近。我為重構基礎物理理論做出重大的推進作用,繼而掀起新一輪的偉大的科技革命的浪潮。

在這里我感謝民科吧里的陳彼方、達瓦里希、木葉蝶等學者的大力幫助,謝謝您們!