08核力性质和核力大小的计算 The nature of the nuclear force and the size of the nuclear force calculation

17-10-24

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08核力性质和核力大小的计算 The nature of the nuclear force and the size of the nuclear force calculation

08核力性质和核力大小的计算
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The nature of the nuclear force and the size of the nuclear force calculation
611934 四川省彭州市竹瓦中学 李守安
QQ342922500 13693445626 lian0011@qq.com
关键词:安培力 双中子结构 单中子结构 大树形 接触式结构
摘要:核科学的发展已经达到了夸克层次,但核力、核的具体结构还是一个物理学中的理论断层,还没有人士能清楚破解。核外电子都具有特别强的规律可寻,为什么核内质子没有呢?现有实验已经证实质子上正电荷是集中在一点上,核内质子处于高速自旋。假设自旋线速度处于一个极限速度,很容易算出安培力的大小,再与库仑力相互作用,得到一个在1-3个质子直径范围内表现出吸引,在此范围之外表现出斥力;从而得到核力的大小和性质。由此推导出核内质子的排列是间隔1-2个中子组成,称双中子结构和单中子结构;在第二层外分别分支节分叉后成为3、5、7支分支,上下合在一起共分出不同层次,每个层次正好存在6、10、14个质子,这与核外电子排列规律完全吻合。也说明核外电子排列完全由核内质子排列规律决定。从核的大树形接触式结构看出:裂变正好发生在最弱的双中子结构处,使裂变产物主要分成大小不同的两个核;而钴60的β衰变变成了Ni核正是核变为稳定结构的过程,且正好在核磁南极;212Po的a衰变证明树形核结构的特殊性;核的大小的测定与此结构的主轴长度静态相等。文章分为第一部分 核力性质和大小的计算、第二部分 原子核具体组成结构、第三部分 核裂变具体位置 第四部分 核聚变的具体过程和原因 。科学向前发展实验论证越来越少,能根据现有理论推导新的理论,新理论能解释所有现象,它就是真理。(我愿意用我的理论与所有人士当面解释所有现象)
正文:
通过假设质子高速自旋、中子质子为强磁化物,推导出短程强大的有心力-安培力,和非有心力库仑力组成核力。并估算出两种力的大小组合,得出核力在R-5R范围内表现为吸引力,在小于R和大于5R之外表现为斥力。小于R时斥力特别大,估算得出的核力图与物理界得出的“两体核势垒示意图”完全吻合。说明质子之间间隔一个中子或两个中子还能表现为引力,即“单中子”和“双中子结构”就是大核的组成结构。物理上多年的断层理论在此看来是最简单的一些推导,实在是让大教授们大吃一惊。
  • 质子中子的运动及性质的超常假设
原子核内质子高速自旋早就被物理界证实,自旋圆周线速度是多少呢?这里的第一个超常假设:设质子中子为球形,设原子核内质子最外一点自旋圆周线速度为光速约3×108m/s。质子以光速自旋是不可能有实验能证明的,而由此可知靠近转轴的质子表面圆周旋转速度一定大于光速,爱因斯坦的超光速质量变大理论是否能解释?小小的原子核却占有99%以上的质量。若假说宇宙由一奇点爆炸而来,那么现今的宏观宇宙来源可能原因就是质子的光速自旋。
质子中子电荷分布在一个小区域内,可以认为是在一个小小的点上分布着一份电荷。霍夫施塔特早年用快电子打击质子中子实验时发现:质子的电荷分布在一个小范围内,而中子在这小范围的正电荷外围分布着小圈负电荷。这些“小范围”与整个质子中子体积比较相当于一个小小的点。组成质子中子的物质并没有平分电荷,而电荷就是在一点上。于是,第二个超常假设:设质子电荷集中在一点上,这一点正好在质子光速自旋的外围圆周上。换句话说:质子电荷点随质子自旋以光速作圆周运动。如图1-1:
以上的两个超常假设完全可以用电子的运动状态反推出来。电子与质子相比:电荷量一样但质量小得多,因此,电子的运动状态一定是受质子控制和影响,质子运动状态决定了电子的一切。在没有任何外界因数影响时,电子的自旋状态与质子上电荷点的自旋状态应完全一至。也就是说电子与质子自旋半径都是质子的半径,自旋线速度都是光速。物理研究中发现的所有电子运动性质完全可反推出质子的运动性质,电子云图也正好是原子核结构的镜像图,适用于电子排列的所有规律也一定适用于核内质子的排列规律。
有了以上两个假设,物理断层理论:核力与核结构似乎有了一些眉目,但若没有下面第三个假设还是不能顺利解决。
第三个超常假设就是:组成质子和中子的内部物质是微观易磁化物质,具有超导磁性,在无电场时又能很快退磁。一种元素有时有许多同位素,也就是说同样多的质子数的原子核具有不同的中子数,其中子数目并不是无限制的多,而中子被核力吸引靠的是什么力呢?那主要就是靠中子在接触质子时被磁化而吸引;中子磁化后对它接触的另外第二个中子再磁化,但再磁化的吸引力要变小些,大多数出现在大核的主轴上;第二个中子还可以对在外第三个中子再磁化,且吸引力量更小,在旋转较慢的大核主轴上才能出现。原子核内质子中子就是靠磁化有限制的吸引在一起的。
以上三条假设,与其说是“假设”,不如说它们原本就存在,只是被本文说得更清楚一些更准确一些了。质子除自旋外,还有两种运动状态:质子随原子核绕主轴作支节圆周旋转;质子随原子核作整体圆周旋转。前一种支节圆周旋转时能加强外层质子中子的核力大小;后一种整体圆周旋转时,使每个质子中子都要具有一定的向心力,从而能减缓强大核力对每个质子中子强大吸引力的冲击,确保整个核的平衡和稳定。
  • 核力的组合和性质
万有引力在原子核内存在但很弱小,可不计算它。核力主要由两种性质的力组成:一种是有心短程强吸引力;一种是只与距离有关的非有心力,并表现为斥力。它们分别是电流环产生的安培力和正电荷相互排斥产生的库仑力。
安培引力是怎样产生的呢?原来质子光速自旋,质子上分布的一点正电荷也光速自旋,且自旋半径就是质子半径,正电荷自旋时产生一个环形电流强度,根据电磁感应环形的电流感生出一个感应磁场,这个磁场再将组成质子中子的物质磁化,磁化后使产生的感应磁场加强了4-5倍,存在磁性最强的两极N、S极,中子就被吸引在这两极上,在两极吸引的中子之外再吸引其它中子或质子,使这种力成为有心力。除这两极外其它地方不具有吸引中子质子的力量。例如:氢核可吸引1-2个中子组成氕氘核。
相邻两质子间隔1-2个中子同方向光速自旋,产生一个同方向的电流环,由安培定律可知道:同向电流环相互吸引,电流环磁化后的质子中子也是顺磁吸引,这个力通过安培定律可以计算出来 ,称这个力叫核内有心安培吸引力,简称安培力。安培力的性质主要是:安培力是短程强吸引力;安培力主要作用在每个质子的两极上,也就是主旋转轴上最强,偏离主轴将会减弱的有心力;磁化后的质子吸引中子表现出与电荷无关性的核力性质。偏离轴心核力减弱后,但还可在第二层外一定偏离角度内吸引不少的支节,从而组成强大的核结构。复杂的结构与高速的自旋使“核结构和核力”成为多年物理断层。
如图1-2氦核质子中子电子图。核内有两个质子和两个中子,两个质子以相同方向同轴旋转产生一个安培吸引力,两个质子带相同的一份正电荷而相互排斥,正好一个中子间隔在中子间起调节缓冲作用减弱质子相互的斥力;这样核内的两种力量表现为相互吸引,使核能稳定并组成宏观物质。
再看核外两个电子,它们质量太小自然受质子上正电荷作用控制,随质子同向自旋。电子与质子带电荷性质不同,应该因此而相互吸引产生电中和现象,但是在电子质子自旋中产生的安培力是相互排斥的,所以自旋的电子质子很不容易产生正负电中和现象,从而形成了大的原子。从图中观察发现:两个电子是同向自旋的,但从外围向中心观察,图左边电子是逆时针方向自旋,右边电子是顺时针自旋。原子本身是高速圆周旋转的,而在实际中科学家们通过仪器的观察都是一个位置向内观察的:当看到一个电子逆时针转动的同时另一个电子已经随原子圆周旋转到了同一位置且正好是顺时针方向。因此得到:在同一轨道上的两个电子自旋方向是相反的。也就是包利不相容原理——相同能级轨道上不可能存在两个自旋方向完全相同的电子。如图原子结构不可能是静止不动的,原子高速旋转给观察者的视觉只能是逆顺两种电子态。
包利不相容原理证明电子存在逆顺两种自旋电子,从而证明了两个同一能级的质子在同一轴上自旋相同。那么电子能级原理洪特规则、电子壳层排列原理等都实用于质子能级和质子壳层排列;只是核内太小的地方进行的强力作用不可能使质子处于悬空状态,只能以间隔中子的形式相互接触的形式存在,并以不同速的核圆周旋转达到减缓作用。(从而也带动了核外电子的高速圆周旋转
核内除了质子之间的安培吸引力外,另一种就是库仑斥力。它是由质子之间正电荷相互排斥产生的,它只与距离有关、与轴无关的无方向性的力;当距离减小时它迅速变大,使相邻两质子不能太靠近。中子与库仑力无关,中子只被磁化而被质子吸引,它只是核内强力作用下质子之间的保护神。
原子核内当相邻两质子距离太近时,库仑力大于安培力表现出排斥,从而不能组成核;原子核内当相邻两质子距离大于一个距离R且小于一定距离nR时,安培力大于库仑力表现出吸引力,这就是组成原子核的原因;原子核内当相邻两质子距离大于距离nR时,库仑力再次大于安培力,这出不能组成核结构。而在R——nR之间只能由中子间隔。与电子层结构一样,质子也分层,核内质子除S层质子在主轴上外,其它的P、D、F等质子应在不同层次的支节上,支节随主轴旋转也要产生校小的安培力,这个力的计算已经没多大必要了。整个原子核的圆周旋转时需要一定的向心力,这个力减缓了多余的安培吸引力,从而使核结构能稳定存在并组成物质。(电子层用小字母spdf表示,质子层用大字母SPDF表示)
以上两种力都可以通过一些常用公式加以计算,计算出的力的大小与距离的关系图会让全世界的物理学家吃惊,这个图与已经存在的核力势垒图几乎完全一至。让我们不得不认可核力的奥秘和调皮。
  • 核力的具体计算及大小
通过以上的假设,首先计算出环形电流强度的大小,再计算环形电子流产生的感应磁场强度大小及有质子中子参与磁化后磁场强度的增加倍数,从而计算出在一定距离处安培力的估计大小。通过同一距离处与库仑力大小的比较得出核力的区域。
  1. 质子环形电流的大小I
质子中子的半径为R=0.8×10-15米。(这个数是许多科学家通过测量和计算得到的。)
质子电子电荷量都是q= e = 1.6×10-19库仑
质子上正电荷自旋线速度C=3×108米/秒
所以: 质子上正电荷自旋圆周长度L=2πR
∴ 正电荷自旋一周的时间T=2πR/C
∴ 质子上环形电流强度I=q/T=eC/(2πR) …………(1)
这个电流计算出来是是非常强大的,且每个质子的环形电流一样,电子自旋电流也一样。
2、质子主轴上磁感应强度B
只有正电荷电流环时产生的磁感应强度较小,有质子参与磁化后这个磁感应强度会加强3倍多,再有中子参与磁化时磁感应强度会在同一点加强4-5倍。
设环形电流在主轴距离质子中心r处磁感应强度为B0 (令r=nR)
由“毕奥——萨伐尔定律”,得到磁感应强度B0




其中u=4π×10-7牛顿/安培2 (常数)
R为环形电流半径(即质子半径),r是主轴上距离环形电流中心的一点r=nR,I就是(1)式中的环形电流强度。主轴上距离不同对应的只有n不同。
在质子主轴表面(r=R,n=1)的磁感应强度是

质子被电流环磁化使质子表面的磁感应强度加强了3倍多,由下面公式可计算出磁化后增强的磁感应强度B’。(设质子中子是最易磁化的物体)
B’=u M (L/D)[1+(L/D)2 ]-(1/2)
其中u=4π×10-7牛顿/安培2 (常数);
L和D是磁化物体的长和直径,对球形体质子来说L/D=1;
M是物体磁化强度,质子的磁化强度M=△m/(△V)=I△S/(△V)≈I/(1.5R)
其中△S为磁化物面积,△V为磁化物体积,对球形质子约为1:1.5R
代入B’得:B’=u *[I/(1.5R)]*1*[1+(1) 2 ]-(1/2)=0.943 uI/(2R)
所以:质子主轴上表面一点的总磁感应强度B为






如图可看出,质子参与磁化使电流环产生的磁感应强度加强了许多倍,从而使核子间的吸引力大大加强。








再有中子参与磁化时,以上产生的磁感应强度一定还会加强一些。中子质子物质相同,磁化强度M应该一样,有中子时只是L/D的比值加培了,因此B’有所加大。通过估算得出:
有一个质子和一个中子时B=4.373 B0
有一个质子和二个中子时B=4.577 B0
有一个质子和三个中子时B=4.658 B0
通过质子主轴表面的磁感应强度的不同估算,同样可以得出主轴上其它任意处的磁感应强度,其倍数关系也同上面计算一至。
因此:质子被磁化后,质子和电流环就是一个整体,质子内磁磁应强度也该一样。就象一个磁体一样,磁体内磁场一样强,磁体外随距离不断减小。因此:主轴上距离具有电流环的质子主轴表面任意处(r=nR)的磁感应强度B
B=X*B0 ……………(2)
其中X是有质子和不同数目的中子参与磁化时的不同倍数,
X=3.667,4.373,4.577,4.658
注意:计算核力时,距离r 从质子表面取值。
  1. 核力大小的计算:
甲质子磁感应场对在距离自旋质子表面主轴r=nR处的乙质子自旋环形电流产生的力是安培力,由安培定律得:
F=∫d(L B I)=2πR B I
L是乙质子的电流环圆周长,I是乙质子的电流,B是甲质子的磁感应强度。将I、B代入,并将e、C、R、u已知量代入得到:


其中:n=r/R计算出n,而X=3.667,4.373,4.577,4.658取不同的值。
两个质子相似于两个磁体的作用,因此r都从磁体的表面取值,磁体磁场大小一样。
两个相距r距离的质子的正电荷相互排斥产生的静电力为库仑力大小计算为:
F=Ke2/r2=Ke2/(nR)2=9.0×109×(1.6×10-19)2/(n×0.8×10-15)2
即F=360/n2 牛顿
其中K=9.0×109(牛顿米2/库仑2
两个质子接触时,库仑力就是最大值了,因此r的取值只能是从质子表面取值。即两质子表面相距r=R时,n=1,两个质子表面相距为R远,且在主轴上。
F是吸引性质的有心力,F是排斥性质的力,如果核不作圆周旋转(质子一样要自旋),则F=F从而得出n的大小,求出质子外r的距离。
由:



X取3.667(一个质子磁化)
得:n≈0.72和 n≈3.2
也就是说:r<0.72R和r>3.2R时,库仑力大于安培力,表现出斥力。
0.72R<r<3.2R时,安培力大于库仑力,核内表现出引力;这就是组成核的一个很小的区域,物理上叫它为核力区。
当有中子参与磁化,X取4.577时,这个核力区域为:0.62R < r < 4.2R
由于在原子核内,质子P、D、F等支节要绕轴旋转,整个旋转也将产生一个半径更大的电流环,只是速度要小得多,也要产生一定量的安培力,使核内吸引力加强;又由于支节质子增多同时库仑力也有所增大。所以核力区域只能估计约在:R < r < 6R之内。核力区域大小分布图可以由以下实际计算并画出。
当n=0(两质子接触)F=+1320牛顿 F=-为无穷大数 排斥
当n=1(两质子悬空)F=+466.8牛顿 F=-360牛顿 吸引
当n=2(两质子间隔1个中子)F=+140.8牛顿 F=-90牛顿 吸引
当n=3(中子不能为1.5个) F=+49.8牛顿 F=-40牛顿 吸引
当n=4(两质子间隔2个中子) F=+23.6牛顿 F=-22.5牛顿 吸引
当n=5(中子不能为2.5个) F=+12.5牛顿 F=-14.5牛顿 排斥
当n=6(两质子间隔3个中子) F=+7.5牛顿 F=-10牛顿 排斥
支节参与的实际核内核力要大些分布如图1-4:


















上图与物理中的两体核子势垒图1-5完全吻合。原因如在?核力真的是安培力和库仑力的合力么?如果不是那么这两个图为什么相同?















原子核的结构形式是什么形式?从以上计算可以得出来。高速旋转的质子悬空达到平衡的结构形式是不可能存在的。两个质子之间间隔一个中子时核力大小表现为吸引力约50.8牛顿,这种结构形式是核结构的的主要组成形式,叫单中子结构。两个质子之间间隔两个中子时核力大小为1.1牛顿(有支节时这个力应该达到20多牛顿),这是核结构的次要组成形式;次要结构形式主要在三个P支节组成的三角结构之内的主轴上,叫双中子结构。两个质子之间间隔三个中子的时候,在大核支节作用下其核力约为0牛顿,刚想处于平衡态,但核的圆周运动离心力的原因,会在三中子结构处分裂开;它不是核的结构形式,在原子核裂变反应时,中子打击大核首先组成三中子结构,短时间平衡后,迅速分裂成两个其它核;这就是裂变的机制。如下图1-6


在原子核结构中,各支节和1S层质子是由单中子结构形式组成的,各支节要偏离主轴一点,其P质子与S质子的吸引力并没有计算的核力大,偏离轴心磁感强度要迅速减弱。2S层以下的3S、4S、5S、6S等之间都是双中子结构。高速旋转时也可看到核结构的分层,组成的壳层有1S、2S 2P、3S 3P 3D、4S 4P 4D 4F、5S 5P 5D、6S 6P等,与电子排列规律完全一至。看下一章详细分析原子核结构组成。
质子中子都是被磁化后产生的相互吸引,使核力表现出与“电荷无关性质”。相邻两个质子才有强力的吸引作用,使核力表现出“饱和性”的特点。每个质子都是通过中子与其它质子产生吸引的,使核力表现出“交换性”的特点。安培力与主轴有关,偏离轴心太大安培力迅速减弱,而库仑力只与距离有关的无心力,使核力表现出“有心力和无心力的综合性”的特点。
两个原子核要想聚合在一起必须满足两个条件:第一,两个原子核必须同向自旋,取顺磁方向;第二,两个原子核必须具有一定能量达到核力区域,不能超过,刚刚达到核力区。这就是聚变的机制,详细看下章核的聚变。
总之,核力就是由安培力和库仑力组成。核力的计算并不重要,高速的原子核本身使计算不可能精确。重要的是由计算得到的两种核结构形式,单中子和双中子结构就是核的组成结构形式,并由此可以画出现今世界上已知道的所有原子核结构和同位素核结构。其中聚变、裂变、α衰变等变化机制和位置让人们一目了然。这些才是研究核力计算得到的的重要成果。



参考文献:
1、赵国求《现代物理知识》1993年2期,P32
2、胡镜寰、王忠烈、刘玉华《原子物理》1989年2月北京师范大学,P266
3、赵凯华、陈熙谨《电磁学》1985年6月高等教育,P347、P356、P387、P552、P555、P556
4、徐游《电磁学》1987年7月江苏科学,P215、P218、P282
5、殷传宗《原子物理学》1987年7月广西师范,P25
6、(苏)亚沃尔基《现代物理手册》1992年科学出版,P578
7、褚圣麟《原子物理》,陈鹏万《电磁学》等






完成研究于1994年,打字于2006年8月

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