КОНСТРУКТОР СИММЕТРИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ АТОМНЫХ ЯДЕР Российский патент 2025 года по МПК G09B23/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области техники - ядерная физика и может быть использовано для научно-технических исследований при моделировании внутриядерных структур и процессов, а также демонстрации полученных результатов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время модели атомных ядер химических элементов больше опираются на физические модели молекул, успешно демонстрирующие пространственное расположение атомов в структуре молекулы. Больше всего известны модели Стюарта и Фишера-Хиршфельда, предназначенные для наглядной демонстрации относительного положения атомов в молекулах химических соединений. Известны достаточно простые механические модели [патент RU2003183 (С1), Бухаров Б.Н., «Модель структуры химических веществ» МПК G09B23/26, дата 15.11.1993 г] и более сложные механические модели [патент GB1496196, Dreiding A., improvements in and relating to molecular models» МПК G09B23/26, дата 30.12.1977 г].

Недостатком данных моделей для описания структуры атомных ядер является то, что прямое использование молекулярных моделей затруднено слабыми знаниями внутриядерных процессов и малоизученная область квантово-механических взаимодействий протонов и нейтронов, не позволяет с высокой точностью описать пространственную структуру атомного ядра.

Известно несколько общепризнанных теоретических моделей атомного ядра. Модель жидкой капли предложена Вайцзекером в 1935 году. В этой модели свойство насыщения ядерных сил, вытекающее из их коротко действия и отталкивания на малых расстояниях, делает ядро похожим на жидкость [И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и частиц» Учебник Изд. 5-е, исп.и доп.-М.: ЛЕНАРД, 2017, стр. 33].

Недостатком данной модели является отсутствие структуры ядра, акцент делается на эмпирический расчет энергии связи.

Модель ядерных оболочек, сформулированная в 1949 году Марией Геппер-Майер и Йенсенном. В этой модели основным фактом, подтверждающим оболочечное строение ядра, являются «магические числа» нуклонов (протонов и нейтронов). Ядра, у которых число нейтронов и (или) протонов равно этим числам (2,8,20,50,82,126), обладают повышенной устойчивостью и распространенностью, а так же рядом других свойств, выделяющих их из других ядер [И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и частиц» Учебник Изд. 5-е, исп.и доп.- М.: ЛЕНАРД, 2017, стр. 128].

Недостатком данной модели следует считать отсутствие структуры ядра и параметров связей между нуклонами. Однако свойство насыщения ядерных сил приводит к выводу, что на один нуклон приходится фиксированное число взаимодействий, т.е. каждый нуклон взаимодействует только с несколькими соседними нуклонами [Типлер П.А., Ллуэллин Р.А. «Современная физика»: в 2-х т.Т. 2: пер. с англ. - М.: Мир, 2007 г., стр. 172].

Первыми физическими моделями атомного ядра, демонстрировавшие объемное расположение нуклонов в ядре, были протон - нейтронные модели. В них шарики изображающие протоны и нейтроны располагались в центре атома хаотично, эти модели отражали только количественный состав ядра. К таким моделям можно отнести изобретение [патент US 3183608, Russell R.B., «Molecular model» МПК G09B23/26, дата 18.05.1965 г].

Недостатком данной модели является отсутствие возможности демонстрации структуры атомного ядра.

Известна «Водородно-гелиевая модель атомных элементов» [Патент AU 2008202621 A1, Frank O.Collins, «Ucadia Hydro-Helio Model of Atomic Elements» МПК G09B 23/20, дата публикации 07.01.2010 г]. В основе этой модели лежат кластерные модели, появившиеся в тридцатых годах прошлого столетия, где атомы химических элементов представлены соединениями ядер более легких элементов, дополненных атомами водорода. Это связано с пониманием того, что внутри ядра имеются объединения нуклонов в группы, подтверждением которых является альфа-распад ядер.

Недостатком данной модели следует считать отсутствие данных, каким образом соединяются составные элементы атома, какова энергия связи этих элементов. Почему, например, по данным автора, атом урана 235 состоит из трех атомов цинка и двух атомов водорода, хотя эксперименты показывают наиболее вероятное деление на два осколка [К. Нордлинг, Д. Остерман «Справочник по физике для ученого и инженера» - СПб.: БХВ-Петербург, 2011 г, стр. 134].

Еще одним типом модели атомного ядра можно считать «Кристаллическую модель атомного ядра». Данная модель определяет структуру и межнуклонные связи через расчет энергии связи между протонами и нейтронами с учетом кварковой структуры нуклонов и особого свойства альфа-частиц [заявка №2018144189 RU, Денисов В.А., «Конструктор кристаллических моделей атомных ядер» МПК G09B23/06, (2006.01), дата публикации заявки 15.06.20 г. Бюл. №17]. Модель описана в работе [Денисов В.А., Разинкин В.П., «Кристаллическая модель атомного ядра» Высшая школа: научные исследования. Материалы Межвузовский международный конгресс (г.Москва, 21 января 2021 г. ). Том 1 - Москва: Издательство Инфинити, 2021. Стр.127., DOI 10.34660/INF.2021.59.30.017].

Недостатком этой модели следует считать отсутствие рассмотрения деформации структуры ядра.

Наиболее близким прототипом к данному изобретению следует считать «Конструктор моделей электронных оболочек и ядер атомов химических элементов». В конструкторе ядро рассматривается как объединение протонов и нейтронов в гексагональные структуры. Из этих структур можно конструировать ядра всех известных химических элементов [Патент RU 2558477 С2, Никитин А.Н., «Конструктор моделей электронных оболочек и ядер атомов химических элементов», МПК G09B 23/26, дата публикации 10.08.2015 г].

Недостатком данной модели следует считать отсутствие альфа-частиц (ядро атома гелий 4Не) как самостоятельных элементов ядра, из которых состоят многие ядра. В этом патенте структура ядра зависит от структуры электронных оболочек атома, что не может соответствовать действительности, поскольку энергия химических связей измеряется в единицах электрон вольт, а энергия нуклон-нуклонного взаимодействия в миллионах электрон вольт. Кроме того, конструктор не может демонстрировать процессы распада ядер, например, ряд «Урана».

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения - выяснение структуры и формы атомного ядра путем анализа величины энергии связи ядра для различных нуклидов химических элементов, предложить устройство способное демонстрировать расположение и связи между протонами, нейтронами и альфа-частицами, моделировать процессы распада и деления атомных ядер.

Для достижения поставленной задачи заявленное изобретение конструктор симметричных моделей атомных ядер - сокращенно конструктор СМЯ, как и прототип, имеют общие существенные признаки. Оба изобретения имеют сферические элементы, изображающие протоны и нейтроны, которые закрепляются в приспособлении для физического представления состава атомного ядра и демонстрации деления ядра.

По отношению к прототипу у заявленного изобретения имеются следующие отличительные признаки. Заявленное изобретение учитывает кварковую структуру протона и нейтрона. Это обосновывает нуклон-нуклонное взаимодействие согласно работе [Суханов А.Д. «Лекции по квантовой физике» Учеб. пособие/А.Д. Суханов, О.Н. Голубева - М.: Высш. шк., 2006 г, стр. 467], где показано: «... максимальное число нуклонов, с которыми каждый нуклон одновременно может быть связан обменными силами притяжения, равно трем...». Также это объясняет, почему альфа-частица обладает наибольшей средней энергией связи на одну нуклон-нуклонную связь, что позволяет считать альфа-частицу самостоятельным элементом структуры атомного ядра. В этой связи, расчет энергии связи ядра идет с учетом не только количества протонов и нейтронов, но и количества альфа-частиц, что дает более точное определение структуры ядра и количества связей между нуклонами.

В отличие от прототипа в заявленном изобретении можно моделировать процессы альфа и бета-распадов. Предлагаемое изобретение не только демонстрирует деление ядра, но и обоснованно показывает, почему большая часть осколков имеет именно такой состав изотопов. Кроме того, конструктор СМЯ устроен таким образом, что можно демонстрировать деформации структуры ядра.

В конструкторе СМЯ модели нуклонов имеют маркировку спина, что позволяет контролировать общий баланс спина атомного ядра, который всегда стремится к «нулю». Нуклоны, имеющие разные спины, условно разделены на протоны и антипротоны по знаку спина «+» или «-», и нейтроны и антинейтроны, также условно разделены по знаку спина «+» или «-», соответственно. Это не противоречит теории, поскольку каждой частице можно поставить в соответствие античастицу по определенной квантовой характеристике.

В конструкторе СМЯ в качестве моделей нуклонов используются компоненты, показанные на Фиг. 1. Модель антипротона - р. 1 имеет спин «минус» и представляет собой пластмассовую пустотелую полусферу темного цвета, на вершине которой нанесен знак «-». Модель протона - р₊2 имеет спин «плюс» и выполнен таким же, как антипротон р. 1, но на вершине нанесен знак «+». Модель антинейтрона - n_- 3 имеет спин «минус» и представляет собой пластмассовую пустотелую полусферу светлого цвета, на вершине которой нанесен знак «-». Модель нейтрона - n₊4 имеет спин «плюс» и выполнена так же, как антинейтрон п. 3, но на вершине нанесен знак «+». Модель альфа-частицы 5, для простоты обозначена А-частица, показана на Фиг. 1. Она собирается неразъемной из антипротона р. 1 и протона р₊2, а также, из антинейтрона n_- 3 и нейтрона n₊4 с разными спинами, расположенными по диагонали. В центре группы нуклонов А-частицы закреплен ярлык 6, на котором изображена заглавная буква «А» - альфа греческого алфавита.

Вершина буквы «А» обращена к антипротону р_- 1 и антинейтрону п. 3 с отрицательными спинами, а основание буквы «А» обращено к протону р₊2 и нейтрону n₊4 с положительными спинами. Положение буквы «А» на ярлыке позволяет не наносить знаки спина «+» или «-» на нуклоны находящиеся в блоке А-частицы. Эти компоненты структуры ядра закрепляются на специальном стенде, который моделирует физическую аксиально-симметричную форму ядра, либо прозрачной липкой лентой, либо магнитными вкладышами.

Стенд представляет собой универсальное устройство, показанное на Фиг. 2. Он состоит из подставки 10, в которую вставлена вертикальная опора 11, на которой закреплено шарнирное устройство 12. Шарнирное устройство 12 предназначено для подвижного соединения с горизонтальной осью 13, которая может вращаться вокруг своей оси. На оси 13 закреплены соосно слева и справа от шарнирного соединения, два пустотелых усеченных конуса 14 с равными углами раствора. Вершины конусов направлены навстречу друг другу. Конусы 14 могут быть металлическими, если модели нуклонов имеют магнитные крепления к конической поверхности. Конусы 14 покрашены в белый цвет и на поверхности нанесены темные соосные кольцевые полоски, где цифрами от «2» до «7» нанесены слои, равноотстоящие от центра шарнира 12, который обозначает центр атомного ядра. К конусам 14 над шарниром 12 закреплена площадка 15 с нанесенной на ней цифрой «1», обозначающей первый слой ядра, на котором размещается первый нуклон или первая А-частица. От центральных нуклонов пойдут связи к нуклонам и А-частицам в следующих слоях. Связи между нуклонами выполняются перемычками, например, с помощью черной липкой ленты. Для лучшего обзора всего стенда конструктора СМЯ, на горизонтальной оси имеется ручка 16, которая вращает конуса 14 с закрепленными структурными элементами на 180 градусов вокруг оси. Конусы 14 могут заменяться попарно на конусы с другими равными углами раствора, чтобы моделировать сплюснутые или вытянутые аксиально-симметричные по форме ядра. Фотография стенда представлена на Фиг. 3.

Технический результат заявленного изобретения выражается в следующем.

Конструктор симметричных моделей атомных ядер, сокращенно конструктор СМЯ, позволяет моделировать расположение и связи между протонами, нейтронами и альфа-частицами на базе научно обоснованного строения и формы атомного ядра.

Конструктор СМЯ наглядно моделирует процесс распада и деления атомных ядер, что повышает эффективность работы ученого при анализе результатов ядерных исследований.

Конструктор СМЯ дает возможность увидеть структуру и форму разделившихся осколков и сравнить со структурами и формами аналогичных природных изотопов, что позволит ученым и инженерам более эффективно разрабатывать устройства для работы с продуктами деления, чтобы синтезировать изотопы с новыми свойствами.

Конструктор СМЯ раскрывает причинно-следственные связи в изменении структуры и формы атомного ядра с ростом номера химического элемента.

Конструктор СМЯ может использоваться в демонстрационных целях в процессе обучения.

Моделирование научно обоснованного строения и формы атомного ядра можно разделить на два этапа. Во-первых, определить структуру ядра - принципиальную схему соединения нуклонов в конкретном ядре атома. Во-вторых, перенести схему соединения на физический стенд.

максимально учитывающий современные знания о форме ядер, их деформации и внутренних колебаниях системы нуклонов в ядре.

Первоначально рассматривается способ создания принципиальной схемы соединения нуклонов. Указанный технический результат достигается тем, что величина энергии связи не растет равномерно с ростом атомного номера химического элемента или увеличением количества нуклонов в ядре, а имеет ступенчатый характер и это отражает внутреннее изменение в структуре ядра.

Согласно сегодняшним представлениям о структуре ядра [П.А. Типлер, Р.А. Ллуэллин «Современная физика» в 2-х.т., т.2, Пер. с англ.-М.: Мир, 2007 г., стр. 271] энергия связи ядра В_я, состоящего из Z протонов и N нейтронов, равна

- масса ядра;

- масса протона;

- масса нейтрона;

- скорость света в вакууме.

Знак минус в формуле означает, что масса ядра для большинства нуклидов меньше суммарной массы всех протонов и нейтронов, входящих в состав данного ядра.

Чтобы определить структурные изменения в ядре, необходимо контролировать изменения энергии связи. Например, в изотопах атома углерода. Для изотопа 11С энергия связи ядра составляет, примерно, В_Я(11С)=73,44 МэВ, а для изотопа 12С составляет В_Я(12С)=92,162 МэВ [«Субатомная физика. Вопросы. Задачи. Факты.» Под ред. Б.С. Ишханова - М.: Изд-во МГУ, 1994 г., стр. 146]. Добавление только одного нейтрона увеличило энергию связи в ядре 12С на 18,722 МэВ.

Аналогично, если контролировать присоединение нейтрона в изотопах гелия, например, 5Не он имеет В_я(5Не)=27,406 МэВ, а 6Не имеет В_я(6Не)=29,268 МэВ, при этом, прирост энергии связи составит всего 1,862 МэВ.

Такая большая разница в приросте энергии связи указывает на серьезные структурные изменения в ядре изотопа 12С. Нельзя считать, что структуры 11С и 12С отличаются присоединением одного нейтрона. Расчеты становятся точными и понятными, если принять условие, что альфа-частица, сокращенно А-частица, входит в состав ядра как самостоятельный элемент с фиксированной величиной внутренней энергии связи равной, примерно, В_я(4Не)=28,296 МэВ.

При таком условии, в структуру 11С должны входить две А-частицы, два протона и один нейтрон, а в структуру 12С должны входить три А-частицы. Это подтверждается исследованиями, нуклид 12С синтезируется в результате так называемой «тройной гелиевой реакции» [Википедия https://ru.m.wikipedia.org/wiki/тройная_геливаевая_реакция].

Следовательно, общая энергия связи каждого ядра будет состоять из суммы энергии связи соединений между протонами, нейтронами и А-частицами, и общей внутренней энергии связи всех входящих А-частиц. Формула энергии связи (1) переписывается в виде

- количество А-частиц в ядре;

-масса А-частицы равная,

Общая формула энергии связи для конкретного ядра X записывается

- внутренняя энергия связи, вносимая всеми А-частицами равная,

- энергия связи, вносимая всеми связями между протонами, нейтронами и А-частицами в конкретном ядре X.

Согласно такому расчету энергия связи ядра углерода 12С, состоящая из внутренней энергия связи трех А-частиц (N_A(12C)=3), входящих в состав ядра, примерно равна,

Тогда энергия связи между тремя А-частицами равна,

Для ядра изотопа углерода 11С, состоящего из двух А-частиц (N_A(12C)=2), двух протонов и одного нейтрона энергия связи между частицами равна,

Для ядра изотопа гелия 6Не, состоящего из одной А-частицы (N_A(6He)=1), двух нейтронов энергия связи между частицами равна,

Однако мало знать количество частиц, входящих в состав ядра, необходимо установить число и характер связей между протонами, нейтронами и А-частицами. Для этого необходимо рассмотреть структуру и характер нуклон-нуклонного взаимодействия частиц в атомном ядре.

Нуклон- нуклонное взаимодействие рассматривается в книге по ядерной физике [И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и частиц» Изд. 5-е, исп.и доп.- М.: ЛЕНАНД, 2017, стр. 85]. Нуклон-нуклонные силы (NN-силы), зависят от квантовых характеристик нуклонов. Состав и фактор коротко действия NN-сил определяют внутреннюю структуру ядра. На расстояниях между нуклонами r_nn>0,8 Фм действуют силы притяжения. При r_nn<0,8 Фм приоритет принадлежит силам отталкивания. Так же необходимо учитывать, что каждый нуклон в ядре имеет не более трех связей с соседними нуклонами, согласно выводам в работе [Суханов А.Д. «Лекции по квантовой физике» Учеб. пособие/А.Д. Суханов, О.Н. Голубева - М.: Высш. шк., 2006 г, стр. 467].

Графическое изображение протона р и нейтрона n показано на Фиг. 4 и Фиг. 5. Частицы обозначены: р₊ 20 - протон со спином «+»; р_- 21 - антипротон со спином «-»; n₊ 22 - нейтрон со спином «+»; n_- 23 - антинейтрон со спином «-». На Фиг. 6 показано соединение протона р₊20 с антинейтроном n_- 23 в результате чего происходит синтез частицы дейтрон Н2₊ 30. Если соединится антипротон р_- 21 с нейтроном n₊ 22, то синтезируется частица антидейтрон Н2_- 31, показанная на Фиг. 7. В структуре ядра к внешним нуклонам могут присоединяться другие протоны и нейтроны, но необходимо учитывать, что количество связей с другими нуклонами не может быть более трех.

Наиболее устойчивой структурой является ядро атома геля 4Не или альфа-частица, показанное на Фиг. 8. В структурных схемах альфа-частицу удобно обозначать заглавной буквой «альфа» из греческого алфавита и записывать А-частица. На рисунках буква А в центре изображения будет указывать на то, что у вершины буквы А расположены антипротон р_- 21 и антинейтрон n_- 23, а в основании буквы А расположены протон р₊ 20 и нейтрон n₊ 22. Это позволит изображать структуру тяжелых ядер, куда входят А-частицы, не перегружая изображение деталями.

А-частица сбалансированная по спину частица, поскольку состоит из протона и антипротона, нейтрона и антинейтрона. Общий спин частицы равен нулю. Для четырех связей между нуклонами, показанных на Фиг. 8 цифрой 35, среднее значение энергии связи на одну связь примерно равно В_я(4Не) / 4=28,296 / 4=7,074 МэВ. Такие «внутренние» связи в А-частице будем обозначать - связи «А-типа» 35.

Максимально возможная сила нуклон-нуклонного взаимодействия внутри А-частицы, определяется тем, что нельзя разорвать любые из четырех связей «А-типа», необходимо отдать сразу всю энергию связи В_я(4Не)=28,296 МэВ, только тогда нуклоны покинут ядро А-частицы. Это своеобразный «конфайнмент» альфа-частицы, данная структура существует только в единстве входящих нуклонов. Именно поэтому, при расчете энергии связи любого ядра необходимо знать, сколько А-частиц входит в его состав.

Из Фиг. 8 видно, что А-частица может устанавливать не более четырех соединений с внешними протонами, нейтронами и другими А-частицами. На Фиг. 9 А-частица с помощью двух соединений обозначенных цифрой 36, которые будут обозначаться связи «С-типа», присоединила антинейтрон n_- 23 и нейтрон n₊ 22, образовав ядро атома 6Не с энергией связи ядра В_я(6Не)=29,268 МэВ. Эти две связи «С-типа» 36 обладают средней энергией связи на одну связь равную, В_с(6Не)/2=(В_я(6Не) - В_А(6Не))/2=(29,268 - 28,296)/2=0,486 МэВ. Такая энергия существенно меньше средней энергии связи на одну из четырех связей «А-типа», равную В_я(4Не)/4=7,074 МэВ. Поэтому ядро быстро распадается за время полураспада Т_1/2=806,7 миллисекунды. На Фиг. 9 показан В-распад ядра 6Не в стабильное ядро 6Li (вероятность 99,99972%). В этом ядре две связи «С-типа» 36 будут обладать средней энергией связи на одну связь равную, Bc(6Li)/2=(В_я(6У) -B_A(6Li))/2=(31,994 - 28,296)/2=1,849 МэВ. Нейтрон n₊ 22 при распаде теряет электрон е^- и превращается в протон р+20 (Фиг. 9). Такое соединение нуклонов в ядре 6Li является стабильным.

Главное отличие связей «А-типа» от «С-типа» в том, что связи «А-типа» имеют максимальную фиксированную величину средней энергии связи на одну связь, равную 7,074 МэВ, а «С-типа» имеют переменное и всегда меньшее, чем 7,074 МэВ значение средней энергии связи на одну связь в любом атомном ядре.

Представляется целесообразным и удобным для описания ядерных структур использовать специальное название, как название молекула для описания атомных структур. Это название должно отражать происхождение ядер. Синтез ядер происходит в основном на Солнце. Предлагается назвать структуру ядра - «Ольгойд» (англ. «Olgoid»), что означает - «солнечный вид». Это слово состоит из слова «Ольга» - женское имя, означающее «солнечная». А также, греческого слова «Ид» - означающее «вид». Ольгойды это только принципиальные схемы соединения нуклонов в ядре атома на плоскости, которые помогают создать объемную модель ядра на специальном стенде, близком по конструкции к физической модели ядра.

Ольгойды ядер некоторых изотопов химических элементов, от водорода с атомным номером Z=1 до ртути с атомным номером Z=80, изображены на фигурах от Фиг. 10 до Фиг. 31. Основные характеристики таких ольгойдов даны в форме таблиц и представлены на фигурах от Фиг. 32 до Фиг. 59. Таблицы связей нуклонов в ядрах изотопов содержат характеристики для наиболее устойчивых и распространенных на Земле элементов, а также важных для понимания построения ольгойдов искусственно полученных изотопов. Зная правила легко дополнить фигуры ольгойдов и таблицы. Для наглядности изображения структуры связей между нуклонами, ольгойды представлены плоскими, а не объемными. В ольгойдах показывается структура ядер, где черный кружок означает протон, а белый кружок - нейтрон и А-частица упрощена. Однако структурные построения обязательно подразумевают одинаковое или примерно одинаковое количество частиц и античастиц, чтобы баланс спина в ядре стремился к нулю. Так же на ольгойдах круговыми пунктирными линиями обозначены слои, показывающие количество нуклонов от центральных протонов в ядре к периферийным протонам. Эти слои обозначены цифрами по нарастанию от центра ядра.

Данные по энергии связи ядер взяты из статьи [G. Audi, А.Н. Wapstra, С.Thibault "The Ame 2003 atomic mass evaluation (2)", "Nuclear Physics A",Vol.729,№1, December 22, 2003, p.337-676] и незначительно дополнены из [Meng Wang, G. Audi, F.G. Kondev, W.J. Huang, S. Naimi, Xing Xu "The Ame 2016 atomic mass evaluation ", "Chinese Physics C", Vol.41, №3, (2017), 030003. doi: 10.1088/1674-1137/41/3/030003].

Колонки в таблицах на фигурах от Фиг. 32 до Фиг. 59 обозначены следующим образом:

- количество протонов в ядре или номер атомного элемента в таблице Д.И. Менделеева;

- количество нейтронов в ядре;

-общее количество нуклонов в ядре (массовое число);

- условное обозначение химического элемента;

- удельная энергия связи ядра на один нуклон; - энергия связи данного ядра;

- процент распространенности изотопа в природе в составе данного химического элемента;

- указание фигуры, на которой изображен ольгойд данного ядра;

- количество А-частиц в составе ольгойда;

- количество связей «А-типа» в составе ольгойда;

-энергия связи ядра заключенная во всех А-частицах данного ольгойда;

- количество связей «С-типа» в составе ольгойда;

- средняя энергия связи на одну связь «С-типа» в составе ольгойда (знак «минус» - это требование дополнительной энергии ядра для осуществления связи);

- общее количество связей между нуклонами ядра в составе ольгойда.

В компьютерной электронной таблице отсутствует возможность записи подстрочных знаков поэтому обозначения записаны в колонках как соответственно.

Построения ольгойдов подчиняются определенным правилам.

Первое правило. Симметрия относительно центра ольгойда. Нарушение симметрии приводит к уменьшению энергии связи, например, четные изотопы с четным количеством протонов (то есть симметричные) обладают большим абсолютным приростом энергии связи, чем нечетные. И это согласуется с законами симметрии атомного ядра, открытыми Нобелевским лауреатом Е. Вигнером в 1937 году [Е. Wigner "On the consequences of the symmetry of the nuclear Hamiltonian on the spectroscopy of nuclei", Phys. Rev. 1937, 51,106]. Это правило очень важное, поэтому модель атомного ядра называется «Симметричная модель ядра» - СМЯ (англ. Symmetric Model Nuclei -SMN).

Второе правило. Симметричное относительно центра ядра расположение нуклонов с разными спинами, что автоматически приводит к почти нулевому общему балансу спина в ядре. Это означает, что количество протонов и антипротонов, нейтронов и антинейтронов, имеющих разные спины, стремится к равенству.

Третье правило. Заполнение слоев ольгойдов протонами, для устойчивых нуклидов, совпадает с заполнением электронных оболочек в атомах и имеет согласованность с периодами в таблице химических элементов Д.И. Менделеева. Это указывает на то, что свойства химических элементов закладываются еще на этапе синтеза ядра, а электроны в атомах образуют пары с конкретными протонами в ядре посредством квантов взаимодействия. На примере ольгойда изотопа ртути 200Hg, изображенного на Фиг. 60, показано расположение протона S-группы 6-го слоя ядра. Далее вниз по правой доли ольгойда отмечены три протона Р-группы 5-го слоя ядра. За ними отмечены пять протонов D-группы 5-го слоя ядра. Далее отмечены семь протонов F-группы 4-го слоя ядра. Так же выглядит схема заполнения слоев протонами для левой доли ольгойда, только направление заполнения слоев меняется на противоположное - снизу вверх.

Четвертое правило. Объемная форма ядра должна быть аксиально-симметричной, которая стремится к сферической, сплюснутой или вытянутой [И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и частиц» Учебник Изд. 5-е, исп.и доп.- М.: ЛЕНАРД, 2017, стр. 54]. На Фиг. 61 показана объемная форма ядра. Для получения такой формы левая и правая доли ольгойда закручиваются в конусы в разных направлениях с одинаковым углом конусности, при этом внутренние нуклоны не взаимодействуют друг с другом, поскольку каждый нуклон уже использовал все три свои меж нуклонные связи. Периферийные нуклоны S-группы должны обладать несколько большей средней энергией связи, чем Р-группы, а Р больше, чем D и D больше, чем F-группы, поэтому они сильнее притянуты к центру ядра.

Пятое правило. Одни и те же изотопы химических элементов могут иметь различные ольгойды с разным числом А-частиц и присоединением нуклонов в разных местах. Например, на Фиг. 51 указано, что ксенон 132Хе имеет в своем составе 25 А-частиц, но это наиболее вероятная структура. В смеси так же имеются ольгойды данного изотопа с количеством А-частиц равным 24, 129Хе и энергия связи у них немного меньше. Ольгойды неустойчивых изотопов химических элементов отличаются огромным разнообразием, поэтому не представлены подробно в данном описании. Такие ольгойды можно изобразить самостоятельно, если знать какой базовый ольгойд использовался при синтезе искусственного изотопа и какими частицами протонами, нейтронами или А-частицами облучался базовый ольгойд.

Шестое правило. Ольгойды наиболее распространенных в природе и особо устойчивых нуклидов имеют заполненную структуру упаковки ядра нуклонами. На Фиг. 62 представлен график логарифма распространенности нуклидов во Вселенной в зависимости от массового числа (Z+N) по данным Е. Андерса и Н. Гривса за 1989 год. Выбраны такие единицы, в которых распространенность Si принята равной 10⁶ [И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и частиц» Учебное пособие - М.: Едиториал УРСС, 2002, стр. 369]. Из графика видно, что ядра у которых число нейтронов и (или) протонов равно «магическим числам» (2, 8, 20, 50, 82,126), о которых говорилось ранее, соответствуют ольгойдам, в которых слои максимально заполнены А-частицами, а протоны и нейтроны заполняют периферийные ветви так, чтобы ядро максимально защитить от изменений при столкновениях с другими ядрами.

Распространенность нуклидов с массовым числом более 208 резко падает, что говорит о качественно другом процессе синтеза ядер тяжелых химических элементов, а многие тяжелые ядра получаются в результате распада еще более тяжелых ядер.

Из расчетов средней энергии связи на одну связь «С-типа», представленных в таблицах от Фиг. 32 до Фиг. 59, следует, что ни одна связь «С-типа» не обладает средней энергией связи более 7,074 МэВ. Это означает, что любое ядро разделится на части, но А-частицы останутся целыми, если их не разобьют энергией более 28,296 МэВ, в которых средняя энергия связи на одну связь «А-типа» равна 7,074 МэВ. Эти выводы позволяют обосновать вероятный процесс синтеза и распада ядер тяжелых элементов.

Вторым этапом моделирования научно установленного строения атомного ядра является перенос ольгойда ядра (схематического изображения соединения нуклонов) на физический стенд (Фиг. 2), максимально приближенный по форме к известным сведениям о формах ядер. На примере 1 показано, как переносится ольгойд на стенд для разных изотопов. На примере 2 показано, как с помощью стенда моделируются аксиально-симметричные вытянутые и сплюснутые формы ядра. На примере 3 показана возможность моделирования на стенде СМЯ различных форм колебаний нуклонов в ядре. На примере 4 моделируется процесс распада ядра урана 238U. На примере 5 моделируется процесс деления ядра урана 235U. Эти примеры наглядно показывают соответствие представленной симметричной модели атомного ядра, известным научно установленным характеристикам ядер. Это позволяет сделать вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость».

А также из приведенного описания сущности изобретения можно сделать следующие выводы.

Рассмотренные технические решения, отображения структуры атомного ядра через расчеты энергии связи протонов, нейтронов и А-частиц, в совокупности с другими существенными признаками, в том числе с законами симметрии атомных ядер, открытыми Нобелевским лауреатом Е. Wigner в 1937 году, позволяют сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизна».

Предлагаемое изобретение не следует явным образам для специалиста из известных моделей ядра, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Предлагаемое изобретение может быть использовано в качестве демонстрационного конструктора в процессе анализа результатов исследования и изучения строения атомного ядра, взаимодействия протонов, нейтронов и альфа-частиц, процессов деления и распада ядра, что также позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «промышленная применимость».

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 показаны модели протона, нейтрона и альфа-частицы.

На Фиг. 2 показан стенд конструктора симметричных моделей атомного ядра - СМЯ.

На Фиг. 3 показана фотография стенда конструктора СМЯ.

На Фиг. 4 показаны схематическое обозначение протона р₊ и антипротона р_-.

На Фиг. 5 показаны схематическое обозначение нейтрона n₊ и антинейтрона n_-.

На Фиг. 6 показана схема связи между нуклонами в дейтроне Н2₊.

На Фиг. 7 показана схема связи между нуклонами в антидейтроне Н2_-.

На Фиг. 8 показана схема связей между нуклонами в А-частице.

На Фиг. 9 показана схема связей между А-частицей, нейтроном n₊ и антинейтроном n_- в ядре атома 6Не, а также между протоном р₊ и антинейтроном n_- в ядре 6Li, после β^- распада.

На Фиг. 10 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: нейтрона n, водорода Н, гелия Не.

На Фиг. 11 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: лития Li, бериллия Be.

На Фиг. 12 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: бора В, углерода С.

На Фиг. 13 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: азота N, кислорода О, фтора F, неона Ne, натрия Na.

На Фиг. 14 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: магния Mg, алюминия AI, кремния Si, фосфора Р, серы S.

На Фиг. 15 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: серы S, хлора Cl, аргона Ar, калия K.

На Фиг. 16 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: кальция Са, скандия Sc, титана Ti.

На Фиг. 17 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: ванадия V, хрома Cr, марганца Mn, железа Fe.

На Фиг. 18 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: железа Fe, кобальта Со, никеля Ni, меди Cu.

На Фиг. 19 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: цинка Zn, галлия Ga, германия Ge, мышьяка As, селена Se.

На Фиг. 20 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: брома Br, криптона Kr, рубидия Rb, стронция Sr.

На Фиг. 21 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: иттрия Y, циркония Zr, ниобия Nb, молибдена Мо.

На Фиг. 22 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: технеция Тс, рутения Ru, родия Rh, палладия Pd.

На Фиг. 23 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: серебра Ag, кадмия Cd, индия In, олова Sn.

На Фиг. 24 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: сурьмы Sb, теллура Те, йода I, ксенона Хе.

На Фиг. 25 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: цезия Cs, бария Ва, лантана La, церия Се.

На Фиг. 26 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: празеодима Pr, неодима Nd, прометия Pm, самария Sm.

На Фиг. 27 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: европия Eu, гадолиния Gd, тербия Tb, диспрозия Dy.

На Фиг. 28 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: гольмия Но, эрбия Er, тулия Tm, иттербия Yb.

На Фиг. 29 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: лютеция Lu, гафния Hf, тантала Та, вольфрама W.

На Фиг. 30 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: рения Re, осмия Os, иридия Ir, платины Pt.

На Фиг. 31 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: золота Au, ртути Hg.

На Фиг. 32 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: водорода Н, гелия Не, лития Li, бериллия Be.

На Фиг. 33 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: бора В, углерода С, азота N.

На Фиг. 34 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: кислорода О, фтора F, неона Ne.

На Фиг. 35 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: натрия Na, магния Mg, алюминия Al.

На Фиг. 36 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: кремния Si, фосфора Р. На Фиг. 37 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: серы S, хлора Cl. На Фиг. 38 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: аргона Ar, калия K. На Фиг. 39 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: кальция Са, скандия Sc.

На Фиг. 40 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: титана Ti, ванадия V.

На Фиг. 41 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: хрома Cr, марганца Мп, железа Fe.

На Фиг. 42 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: кобальта Со, никеля Ni, меди Си.

На Фиг. 43 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: цинка Zn, галлия Ga, германия Ge.

На Фиг. 44 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: мышьяка As, селена Se, брома Br.

На Фиг. 45 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: криптона Kr, рубидия Rb, стронция Sr.

На Фиг. 4б представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: иттрия Y, циркония Zr, ниобия Nb.

На Фиг. 47 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: молибдена Мо, технеция Тс, рутения Ru.

На Фиг. 48 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: родия Rh, палладия Pd, серебра Ag.

На Фиг. 49 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: кадмия Cd, индия In, олова Sn.

На Фиг. 50 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: сурьмы Sb, теллура Те, йода I.

На Фиг. 51 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: ксенона Хе, цезия Cs, бария Ва.

На Фиг. 52 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: лантана La, церия Се, празеодима Pr.

На Фиг. 53 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: неодима Nd, прометия Рт, самария Sm.

На Фиг. 54 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: европия Ей, гадолиния Gd, тербия Tb.

На Фиг. 55 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: диспрозия Dy, гольмия Но, эрбия Er.

На Фиг. 56 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: тулия Тт, иттербия Yb, лютеция Lu.

На Фиг. 57 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: гафния Hf, тантала Та, вольфрама W.

На Фиг. 58 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: рения Re, осмия Os, иридия Ir.

На Фиг. 59 представлена таблица связей нуклонов в ядрах изотопов: платины Pt, золота Аи, ртути Hg.

На Фиг. 60 показана симметричная структура атомного ядра - ольгойда ртуть 200Hg.

На Фиг. 61 показана объемная аксиально-симметричная форма ядра атома.

На Фиг. 62 представлен график логарифма распространенности нуклидов во Вселенной в зависимости от массового числа (Z+N) по данным Е. Андерса и Н. Гривса за 1989 год. Выбраны такие единицы, в которых распространенность Si принята равной 10⁶ [И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и частиц» Учебное пособие - М.: Едиториал УРСС, 2002, стр. 369].

На Фиг. 63 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: торий 232Th, уран 235U и таблица количества связей нуклонов в этих ядрах.

На Фиг. 64 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: углерод 12С_а, углерод 12С_b.

На Фиг. 65 показана симметричная структура атомного ядра - ольгойд: кислород 160.

На Фиг. 66 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: неон 20Ne, неон 22Ne.

На Фиг. 67 показан процесс проецирования изображения ольгойда неон 22Ne на стенд конструктора СМЯ (создание физической аксиально-симметричной модели ядра 22Ne).

На Фиг. 68 показаны симметричные структуры атомных ядер - ольгойды: железо 56Fe, медь 63Cu.

На Фиг. 69 показана фотография симметричной модели атомного ядра железа 56Fe на стенде конструктора СМЯ при угле поворота ручки 16 на угол «0» градусов.

На Фиг. 70 показана фотография симметричной модели атомного ядра железа 56Fe на стенде конструктора СМЯ при угле поворота ручки 16 на угол «90» градусов.

На Фиг. 71 показан процесс проецирования изображения ольгойла медь 63Cu на стенд конструктора СМЯ (создание физической аксиально-симметричной модели ядра 63Cu).

На Фиг. 72 показано атомное ядро, имеющее форму аксиально-симметричного вытянутого (слева) или сплюснутого (справа) эллипсоида [И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и частиц» Учебник Изд. 5-е, исп.и доп.- М.: ЛЕНАРД, 2017, рис. 3.2].

На Фиг. 73 показано моделирование на стенде СМЯ вытянутых (а) и сплюснутых (б) ядер. Ось Z повернута на угол 90 градусов.

На Фиг. 74 показаны поляризационные колебания ядер [И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и частиц» Учебник Изд. 5-е, исп.и доп.- М.: ЛЕНАРД, 2017, рис. 7.19].

На Фиг. 75 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: золото 197Au, 206Au, протактиний 230Ра, плутоний 238Ри, уран 238U.

На Фиг. 76 показаны симметричные структуры атомных ядер-ольгойды: уран 234U, радий 226Ra, полоний 218Ро, висмут 214Bi, свинец 210Pb, 206Pb.

На Фиг. 77 представлена таблица энергии связи ядер при синтезе и распаде изотопа уран 238U.

На Фиг. 78 показана фотография симметричной модели атомного ядра золото 197Аи на стенде конструктора СМЯ при угле поворота ручки 16 на угол «90» градусов.

На Фиг. 79 показана фотография симметричной модели атомного ядра уран 238U на стенде конструктора СМЯ при угле поворота ручки 16 на угол «90» градусов.

На Фиг. 80 показана фотография симметричной модели атомного ядра свинец 206Pb на стенде конструктора СМЯ при угле поворота ручки 16 на угол «90» градусов.

На Фиг. 81 показаны симметричные структуры атомного ядра уран - ольгойды: 235U_a, 235U_b, 235U_c [V.A. Denisov, V.P. Razinkin, V.V. Atuchin, "Fission mechanism of 235U+n reaction according to the symmetrical atomic nucleus model", Atoms 2022, Vol.10, Issue 4, Fig.3a, b, c. https://doi.org/10.3390/atomsl0040134].

На Фиг. 82 показаны симметричные структуры атомного ядра уран - ольгойды: 235U_d, 235U_e, 235U_f [V.A. Denisov, V.P. Razinkin, V.V. Atuchin, "Fission mechanism of 235U+n reaction according to the symmetrical atomic nucleus model", Atoms 2022, Vol.10, Issue 4, Fig.4a, b, c. https://doi.org/10.3390/atomsl0040134].

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРИМЕР 1

Пример практической работы с конструктором симметрических моделей атомных ядер, который показывает, как перенести ольгойд на физически близкую к реальности модель ядра на стенде конструктора СМЯ.

В одинаковых изотопах химических элементов могут быть ядра с различной структурой связи нуклонов, только процентное содержание этих структур различно. Например, ядро атома углерода 12С, состоящего из трех ядер гелия 4Не, может иметь разные связи А-частиц, показанные на Фиг. 64, имеющие обозначения 12С_а, 12С_b.

Наиболее устойчивой структурой является ольгойд углерода 12С_а, который состоит из трех А-частиц, нуклоны которых связаны двенадцатью связями «А-типа» и двумя связями «С-типа», и эта структура внесена как основная на Фиг. 12. Структура ольгойда 12С_b менее вероятна, поскольку нарушается правило симметрии нуклонов относительно центра ядра. Однако процесс синтеза ядер сложный процесс слияния и распада частиц, поэтому структура ольгойда 12С_b может оказаться более полезной для синтеза следующих ядер химических элементов. Например, ольгойда кислород 160, показанного на Фиг. 65.

Из структуры ольгойда неон 20Ne, показанного на Фиг. 66 видно, что он состоит из пяти А-частиц, двадцати связей «А-типа» и четырех связей «С-типа». Периферийные А-частицы, находящиеся во втором слое ядра, имеют по одной связи «С-типа» с центральной А-частицей, находящейся в первом слое ядра. Ольгойд неон 20Ne синтезирован из ольгойдов углерода 12С_а или 12С_b добавлением двух А-частиц. Однако такая структура хоть и составляет 90,48% всех изотопов неона, но является последней в цепочке преобразований этой группы ольгойдов. Им на смену приходит структура ольгойда неон 22Ne (Фиг. 66), которая составляет 9,25% всех изотопов неона. Ольгойд неон 22Ne отличается от неона 20Ne, добавлением к двум А-частицам поперечных связей «С-типа» к соседним А-частицам и двух нейтронов. Такая структура отвечает всем требованиям устойчивости, симметрии и стабильности ядра. Кроме того, она увеличивает энергию связи по диагональной группе протонов, которые наиболее сильно притягивают нуклоны, поэтому на периферии ядра к протонам диагональной группы присоединяются симметрично двумя связями «С-типа» нейтрон 4 и антинейтрон 3. Таким образом общий баланс спина ядра равен нулю, что соответствует научным данным [«Субатомная физика. Вопросы. Задачи. Факты.» Под ред. Б.С. Ишханова - М.: Изд-во МГУ, 1994 г., стр. 147]. Всего ольгойд неон 22Ne содержит пять А-частиц, нейтрон и антинейтрон, двадцать связей «А-типа» и восемь связей «С-типа».

Конструктор СМЯ позволяет перенести структуру ольгойда на материальный стенд и создать близкую к научным данным аксиально-симметричную форму атомного ядра. Для этого нуклоны центра ольгойда, находящиеся в слое «1», проецируются как модели нуклонов на площадке 15, а остальные модели протонов, нейтронов и блоков А-частиц на конусах 14 в соответствующих слоях от «2» до «7». Процесс проецирования ольгойда неон 22Ne на стенд конструктора СМЯ показан на Фиг. 67.

Атомные ядра химических элементов железа 56Fe и меди 63Cu имеют очень значимые различия в структуре, которые сказываются на дальнейшем синтезе более тяжелых и устойчивых ядер. Ольгойды железа 56Fe и меди 63Си показаны на Фиг. 68.

Симметричная модель атомного ядра железа 56Fe получается проецированием ольгойда железа 56Fe на стенд конструктора СМЯ. Она состоит из одиннадцати блоков А-частиц 5, протона 2, антипротона 1, трех нейтронов 4, трех антинейтронов 3, сорок четыре связи «А-типа» и двадцать шесть связи «С-типа». В этом случае общий баланс спина равен нулю и наблюдается полная симметрия. Представлены фотографии симметричной модели атомного ядра железа 56Fe на Фиг. 69 и Фиг. 70 при углах поворота «0» и «90» градусов ручки 16. Угол поворота «0» градусов соответствует виду «спереди» на площадку 15, угол поворота «90» градусов соответствует виду «сбоку» на площадку 15, а угол поворота «180» градусов соответствует виду «сзади» на площадку 15. Таким образом, показано, как схематическое представление ядра - ольгойд 56Fe, преобразуется в физическую модель ядра 56Fe на стенде конструктор СМЯ.

Необходимо обратить внимание на то, что симметричная модель атомного ядра железа 56Fe имеет четыре доли расположенных симметрично относительно центра ядра. У большинства более тяжелых устойчивых ядер будут только две доли, слева и справа от центра. Это хорошо демонстрирует структура следующего ольгойда атомного ядра меди 63Cu, которая показана на Фиг. 68.

Симметричная модель атомного ядра меди 63Си получается проецированием ольгойда меди 63Си на физический стенд конструктора СМЯ. Она состоит из тринадцати блоков А-частиц 5, протона 2, трех нейтронов 4, трех антинейтронов 3, пятидесяти двух связей «А-типа» и тридцати одной связи «С-типа». Пара протон и антипротон объединены в ядро дейтрона 2Н₊ 30 и пара антипротон и протон объединены в ядро антидейтрона 2Н_- 31, чтобы смоделировать перемычки в структуре ядра меди 63Си, показанные на Фиг. 68. Эти перемычки объединяют две левых и две правых доли в единые доли - левый и правый. Такая структура ядра становится базовой для всех более тяжелых стабильных ядер. Это серьезное изменение в структуре ядра подтверждается и тем, что удельная энергия связи на один нуклон начинает уменьшаться после атомного ядра железа 56Fe. Процесс проецирования ольгойда меди 63Cu на физический стенд конструктора СМЯ показан на Фиг. 71.

ПРИМЕР 2

Пример моделирования научно установленной формы атомных ядер с помощью конструктора СМЯ.

Ядро как система зарядов и токов обладает определенными свойствами. Если у ядра есть ось симметрии (как, например, у аксиально-симметричного эллипсоида), то значение квадрупольного момента ядра Q зависит от ориентации оси Z (собственной системы координат) относительно этой оси симметрии [И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и частиц» Учебник Изд. 5-е, исп.и доп. - М.: ЛЕНАРД, 2017, стр. 54]. Модуль Q максимален, если ось Z совпадает с осью симметрии, и эту величину рассматривают как классический квадрупольный момент ядра и обозначают Q₀. Q₀ -характеризует отличие распределение заряда ядра от сферически симметричного, т.е. характеризует форму ядра. При Q₀>0 ядро вытянутый вдоль оси Z эллипсоид. При Q₀<0 ядро является сплюснутым вдоль оси Z эллипсоидом, они показаны на Фиг. 72 [И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и частиц» Учебник Изд. 5-е, исп.и доп.- М.: ЛЕНАРД, 2017, рис. 3.2].

Определено, что подавляющее большинство несферических ядер имеет форму аксиально-симметричного эллипсоида. Предлагаемый конструктор СМЯ позволяет наглядно демонстрировать установленные изменения формы атомных ядер. На Фиг. 2 показаны элементы конструктора СМЯ. Под номером 14 обозначены встречно расположенные конусы, на которые крепятся модели протонов, нейтронов и А-частиц. В зависимости от угла φ между образующей конуса и осью симметрии конуса, совпадающей с осью Z (как показано на Фиг. 73), можно моделировать аксиально-симметричные ядра. Вытянутые ядра (Фиг. 73 а), где Q₀ > 0, φ < 45 градусов. Или сплюснутые ядра (Фиг. 73 б), где Q₀ < 0, φ > 45 градусов. При значении угла φ=45 градусам, можно моделировать ядра близкие по форме к сферически симметричным ядрам. При демонстрации различных структур ядер нужно заранее установить на стенд пару одинаковых конусов с заданным углом φ.

ПРИМЕР 3

Пример моделирования колебаний структуры атомного ядра с помощью конструктора СМЯ.

Ядерные спектры очень сложны. Они содержат одно частичные и много частичные возбуждения нуклонов. По крайней мере, существует два типа коллективных возбуждений: вибрационные (колебания формы ядра) и вращательные [И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и частиц» Учебник Изд. 5-е, исп. и доп.- М.: ЛЕНАРД, 2017, стр. 154].

Низкочастотные колебания возникают между группами нуклонов, расположенных в слоях ядра 1 и 2 на Фиг. 67 для неона 22Ne. Или колебаниями группы нуклонов в слое ядра 3 и нуклонами в слоях 1 и 2, показанными на Фиг. 71 для меди 63Cu. Более высокочастотные колебания возникают в наиболее сильно связанных нуклонах ядра гелий 4Не.

На Фиг. 74 показаны три примера возбуждений: электрические дипольные (Е1), электрические квадрупольные (Е2) и магнитные дипольные (Ml), называемые ножничными [И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и частиц» Учебник Изд. 5-е, исп. и доп.- М.: ЛЕНАРД, 2017, рис. 7.19]. Показаны крайние положения протонной и нейтронной составляющих ядра в процессе этих колебаний (они меняются местами через половину периода). Частота подобных колебаний в ядрах 10²¹- 10²² Гц. Поляризационные дипольные Е1 колебания относятся к внутриядерным возбуждениям и протекают без смещения центра масс ядра.

Подобные отклонения протонов и нейтронов легко демонстрируются с помощью конструктора СМЯ, что позволяет наглядно изучать ядерные спектры различных изотопов. Это показывает практическое применение данного изобретения.

ПРИМЕР 4

Пример моделирования распада тяжелых атомных ядер с помощью конструктора СМЯ.

Тяжелые ядра радиоактивны и распадаются на фрагменты. Наиболее известны последовательности распада, такие как: «ряд Урана», «ряд Актиния», «ряд Тория» [К. Нордлинг, Д. Остерман «Справочник по физике для ученого и инженера» - СПб.: БХВ-Петербург, 2011 г, стр. 132,133]. Однако если распад уже хорошо изучен, то синтез ядер, с которых начинаются ряды распада, будет рассмотрен в данном примере описания изобретения. В этом примере акцент делается на структуру ядра, а общий баланс спина временно выведен из рассмотрения.

«Ряд Урана» определен изотопом урана 238U. Синтез этого ядра возможен в разных последовательностях присоединения нуклонов и А-частиц, но наиболее вероятным представляется синтез в два этапа.

Первый этап. Происходит облучение нейтронами базового высокостабильного ядра золота 197Аи, образовавшегося в первичной Звезде и находящегося в больших количествах в облаке частиц после взрыва Звезды [И.М. Капитонов «Введение в физику ядра и частиц» Учебное пособие - М.: Едиториал УРСС, 2002, стр. 369]. Ольгойд ядра золота 197Аи показан на Фиг. 75. После облучения нейтронами ольгойд изменит свою структуру. Более правильно говорить о присоединении девяти нейтронов к базовому ядру, поскольку в космическом вакууме и невесомости нейтроны быстрее и легче А-частиц они быстрее «окутывают» базовое ядро. Процесс синтеза 238U продолжат лишь те присоединения нейтронов, которые соответствуют ольгойду ядра золота 206Аи, показанному на Фиг. 75. Более точные изменения в характеристиках ядер при синтезе даны на Фиг. 77 в форме таблицы. Из таблицы следует, что присоединение одного нейтрона увеличивает энергию связи ядра примерно на 6 МэВ. Эти расчеты важны для контроля всех шагов процесса синтеза.

Второй этап. За легкими и быстрыми нейтронами, должны следовать более тяжелые А-частицы. Облучение ядра 206Аи А-частицами должно привести к образованию более тяжелых ядер. Если к ядру 206Аи добавить шесть А-частиц, то получится ядро протактиния 230Ра, структура которого представлена ольгойдом 230Ра на Фиг. 75. Этот нуклид на 91,6% испытывает е-захват электрона, которые всегда присутствуют в космосе, что приведет к образованию нуклида тория 230Th. Наиболее вероятно, что захват электрона проведет единственный протон, находящейся в шестом слое ядра. Поскольку облучение А-частицами продолжается, то 230Th не успеет распасться, а присоединение еще двух А-частиц, создаст нуклид плутония 238Ри, ольгойд которого показан на Фиг. 75. Важно отметить, что последние присоединившиеся две А-частицы имеют очень тонкую связь с ядром через цепочку протон-нейтрон в пятом слое ядра. Эти два протона очень чувствительны к изменению структуры ядра. Когда происходит присоединение к ним А-частиц они испытывают е-захват двух электронов и нуклид плутония 238Ри преобразуется в нуклид урана 238U, ольгойд которого показан на Фиг. 75. На этом синтез условно стабильного ядра урана 238U заканчивается. Важно помнить, что синтез ядер - вероятностный процесс, при этом рождается огромное множество структур присоединения нейтронов и А-частиц, но они неустойчивы и быстро распадаются, остаются лишь те, которые обладают определенным набором требований: симметрией, периодичностью структуры и необходимой энергией связи.

Распад ядра урана 238U не является процессом полностью обратным синтезу, он имеет свои особенности и закономерности. Уран 238U условно стабилен и когда он потеряет одну А-частицу, то эта будет одна из двух А-частиц, присоединившихся последними, которые вызвали е-захват двух электронов. В данном случае будет обратный процесс, произойдет В-распад двух нейтронов, которые снова станут протонами, как и раньше при синтезе. Ядро урана 238U распадается до урана 234U, ольгойд которого показан на Фиг. 76. Потеря еще двух А-частиц преобразует ядро в радий 226Ra, ольгойд которого показан на Фиг. 76. Важно отметить, что путь распада уже идет через образование других нуклидов не через те, которые имели место при синтезе. Дальнейший распад приводит к потере еще двух А-частиц и образованию ядра полоний 218Ро, ольгойд которого показан на Фиг. 76.

Далее распад в «ряду Урана» может происходить двумя каналами. Либо сначала А-распад, а затем В-распад и получение ядра висмут 214Bi. Либо наоборот сначала В-распад, а затем А-распад с образованием того же ядра висмут 214Bi. На самом деле в этом распаде есть существенное отличие от других А-распада и В-распада. Это отличие видно при анализе энергии связи, показанной в таблице на Фиг. 77.

Из таблицы на Фиг. 77 следует, что потеря одной А-частицы от урана 234U до полоний 218Ро, уменьшает энергию связи всего ядра в среднем на АВ_Я=23,3 МэВ. Потеря же А-частицы вместе с В-распадом уменьшает энергию связи всего ядра от полоний 218Ро до висмута 214Bi только на АВ_Я=21,95 МэВ. И та же потеря А-частицы вместе с В-распадом на следующем этапе от висмута 214Bi до свинца 210РЬ уменьшает энергию связи всего ядра еще меньше на ДВ_Я=17,97 МэВ. Это говорит о том, что в этих процессах имеется существенное отличие. Объяснить это можно появлением дополнительной связи у протона (появившейся в результате В-распада) с другим нейтроном. Для этой цели наиболее подходящим является протон в 6-ом слое, показанном на ольгойде висмут 214Bi на Фиг. 76. Дополнительная связь в 6-ом слое образует цепочку протон-нейтрон и укрепляет связь двух А-частиц к ядру, точно так же, как это происходит в 3-ем слое при синтезе ольгойда меди 63Cu на Фиг. 68. Дополнительная связь образуется симметрично в 6-ом слое при потере А-частицы вместе с В-распадом от висмут 214Bi до свинец 210Pb, ольгойд которого показан на Фиг. 76. Именно поэтому, уменьшение общей энергии связи ядра меньше, чем при обычном А-распаде. Это своеобразный «внутриядерный замок», который делает ядро более устойчивым и запрещает повторный процесс синтеза по первоначальному пути. На первый взгляд, кажется, что дополнительные две связи в 6-ом слое должно увеличивать общую энергию связи ядра, но происходит обратное, поскольку для удержания двух «связанных» перемычкой А-частиц уже требуется меньшее значение общей энергии связи.

На последнем этапе после двух В-распадов снова отделяется А-частица от полония 210Ро, что уменьшает общую энергию связи ядра примерно на обычную величину ДВ_Я=22,89 МэВ. Ольгойд конечного высокостабильного ядра свинец 206РЬ показан на Фиг. 76.

Рассмотренный процесс синтеза и распада ядра уран 238U можно промоделировать с помощью конструктора СМЯ. Для этого на стенде в пошаговой последовательности таблицы Фиг. 77, необходимо собрать модели ядер соответствующие структурам ольгойдов показанных на Фиг. 75 и Фиг. 76. Фотографии демонстрации трех этапов моделирования в «раду Урана» показаны на Фиг. 78 - фотография симметричной модели ядра золото 197Au, на Фиг. 79 - фотография симметричной модели ядра уран 238U, на Фиг. 80 - фотография симметричной модели ядра свинец 206Pb.

ПРИМЕР 5

Пример моделирования процесса деления атомного ядра уран 235U и анализ осколков деления с помощью конструктора СМЯ.

На Земле изотоп урана 235U извлекают в малых количествах (приметно 1%) из руды изотопа 238U. Анализ осколков деления изотопа урана 235U тепловыми нейтронами определяет наиболее вероятные конфигурации структуры ядра этого изотопа, ольгойды которых (235U_a, 235U_b, 235U_c, 235U_d, 235U_e, 235U_f) показаны на Фиг. 81, 82. Исследование этих конфигураций имеет важное практическое значение в процессах деления ядра урана 235U в ядерных реакторах и медицинской диагностической аппаратуре. Представленные ольгойды разделены линией В-В или В'-В' на два фрагмента. Существует гораздо больше вариантов ольгойдов, однако, эти шесть наиболее вероятны, они дают наибольшее число фрагментов, соответствующих экспериментальным данным. В справочнике [К. Нордлинг, Д. Остерман «Справочник по физике для ученого и инженера» - СПб.: БХВ-Петербург, 2011 г, стр. 134,135] представлен выход продуктов деления и вероятности появления фрагментов в результате деления изотопа уран 235U.

Более подробно этот процесс описан автором предлагаемой заявки на изобретение в статье «Механизм деления реакции 235U+n в соответствии с симметричной моделью атомного ядра» с соавторами статьи проф. В.П. Разинкиным и проф. В.В. Атучиным в зарубежном рецензируемом журнале «Atoms» [V.A. Denisov, V.P. Razinkin, V.V. Atuchin, "Fission mechanism of 235U+n reaction according to the symmetrical atomic nucleus model", "Atoms", 2022, Vol.10, Issue 4,134. https://doi.org/10.3390/atoms100401341.

Все варианты деления ядра уран 235U легко моделируются с помощью конструктора СМЯ. Достаточно собрать на стенде модель симметричного ядра уран 235U_a (или b, с, d, е, f), и обозначить линию разрыва В-В или В'-В' убрав четыре связи «С-типа» между соответствующими нуклонами. Этим примером подтверждается технический результат, что конструктор СМЯ демонстрирует деление атомного ядра на фрагменты в соответствии с установленными научными данными. Тем самым подтверждается критерий «промышленная применимость» данного изобретения. Очень важно, что конструктор СМЯ дает возможность увидеть структуру фрагментов деления и сравнить со структурой атомных ядер природных изотопов. Поэтому ученые и инженеры могут в дальнейшем более эффективно разрабатывать устройства для работы с продуктами деления и синтезировать новые изотопы с заданными характеристиками. Особенно это важно в медицинской диагностике при поиске и лечении заболеваний. Кроме того, можно подробно изучить малоэффективные в плане энергетической отдачи структуры ольгойдов ядра уран 235U, чтобы в дальнейшем научится отделять их от эффективных структур, чтобы повысить отдачу топлива на АЭС.

Конструктор симметричных моделей атомных ядер (СМЯ) относится к области техники - ядерная физика и используется для научных исследований и демонстрации структуры атомного ядра. Конструктор СМЯ состоит из моделей протонов, нейтронов и альфа-частиц (ядер атома гелий четыре). В конструкторе СМЯ один протон или нейтрон может иметь только одно соединение с другим протоном или нейтроном и не более трех соединений с разными протонами или нейтронами, поэтому соединения нуклонов в ядре приобретают строго согласованную структуру. Способ расчета количества протонов, нейтронов и альфа-частиц, входящих в состав атомного ядра, и расчет количества соединений между этими частицами, осуществляется через известную величину - общую энергию связи атомного ядра. Конструктор СМЯ используют как наглядное пособие для демонстрации аксиально-симметричных вытянутых или сплюснутых структур ядра и отображения связей между нуклонами. Технический результат заключается в создании конструктора СМЯ, позволяющего на основе научных данных моделировать строения атомных ядер и понимать условия, при которых происходит синтез, распад и деление ядер. 6 з.п. ф-лы, 82 ил.

1. Конструктор симметричных моделей атомных ядер, состоящий из сферических элементов, изображающих протоны и нейтроны, закрепленные в приспособлении для физического представления взаимного расположения протонов и нейтронов в атомном ядре, отличающийся тем, что конструктор состоит из полусфер, изображающих модели протона, и полусфер, изображающих модели нейтрона, на вершинах полусфер для протонов нанесен знак плюс или минус, обозначающий спин протона, для нейтронов нанесен знак плюс или минус, обозначающий спин нейтрона, блок модели альфа-частицы (ядро атома гелий четыре) собирается неразъемным из двух протонов и двух нейтронов с разными спинами, расположенными по диагонали, в центре группы нуклонов закреплен ярлык, на котором изображена заглавная буква «А» - альфа греческого алфавита, вершина буквы «А» обращена к протону и нейтрону с отрицательным спином, а основание буквы «А» обращено к протону и нейтрону с положительным спином, эти компоненты конструктора симметричных моделей атомных ядер закрепляются на специальном стенде, стенд представляет собой универсальное устройство из подставки, в которую вставлена вертикальная опора, на которой закреплено шарнирное устройство для подвижного соединения с горизонтальной осью, которая может вращаться вокруг своей оси, на которой закреплены соосно слева и справа от шарнирного соединения два одинаковых пустотелых усеченных конуса, вершины конусов направлены навстречу друг другу, на поверхности конусов нанесены соосные кольцевые полоски, где цифрами от «2» до «7» нанесены слои равноотстоящие от центра шарнира, обозначающего центр ядра, к конусам над шарниром закреплена площадка с нанесенной на ней цифрой «1», означающей первый слой ядра, на которой размещается первые нуклоны или блок альфа-частицы, между нуклонами устанавливают перемычки, выполненные липкой лентой, показывающие соединения между нуклонами, для лучшего обзора симметричной модели атомного ядра на горизонтальной оси имеется ручка, которая вращает оба конуса с закрепленными структурными элементами на 180 градусов вокруг оси.

2. Конструктор по п. 1, отличающийся тем, что количество моделей протонов, нейтронов и альфа-частиц в симметричной модели атомного ядра определяется через расчет энергии связи между протонами, нейтронами и альфа-частицами как совокупность всех соединений между нуклонами в ядре X по формуле

где

- количество протонов в ядре,

- количество нейтронов в ядре,

- количество альфа-частиц в ядре,

- количество протонов в ядре, не входящих в альфа-частицы,

- количество нейтронов в ядре, не входящих в альфа-частицы,

- масса протона,

- масса нейтрона,

- масса альфа-частицы,

- масса ядра X,

- скорость света в вакууме,

- внутренняя энергия связи между нуклонами в альфа-частице, равная примерно 28,296 МэВ.

3. Конструктор по п. 1, отличающийся тем, что количество перемычек, изображающих соединения между моделями нуклонов, не может превышать трех соединений к одной модели нуклона, при этом один нуклон может иметь только одно соединение с другим нуклоном.

4. Конструктор по п. 1, отличающийся тем, что модели протонов и нейтронов, имеющие положительные и отрицательные значения спина, должны соединяться так, чтобы общий баланс спина в ядре стремился к нулю.

5. Конструктор по п. 1, отличающийся тем, что модели протонов, нейтронов и альфа-частиц, которые заполняют структуру высокостабильных атомных ядер, должны располагаться симметрично от центра ядра к периферии, при этом протоны образуют слои с равным количеством радиальных соединений от центра ядра, а заполнение слоев протонами идет согласованно с заполнением оболочек атома электронами в соответствии с номером химического элемента в таблице Д.И. Менделеева.

6. Конструктор по п. 1, отличающийся тем, что, располагая на стенде парно одинаковые конусы с малыми и большими углами конусности, можно демонстрировать аксиально-симметричные вытянутые или сплюснутые формы ядер.

7. Конструктор по п. 1, отличающийся тем, что, меняя или удаляя соответствующие нуклоны, можно демонстрировать процессы распада и деления ядра.