Model wirujących nukleonów w jądrze atomowym
Sferyczny obraz jądra atomowego w modelu wirujących nukleonów
W opracowanym modelu jądra atomowego, zakłada się, że nukleony (protony i neutrony) tworzą dysk (obręcz) obracający się wokół wspólnej osi obrotu. Przykładem takiej struktury może być jądro atomu tlenu, w którym 16 nukleonów rozmieszczonych równomiernie na płaszczyźnie wiruje synchronicznie wokół pionowej osi przechodzącej przez środek układu.
Dodatkowo, cały układ wykonuje jednoczesny obrót wokół drugiej osi — poziomej — która przechodzi przez dwa przeciwnolegle położone nukleony. Oś ta obraca się wraz z układem z dwukrotnie mniejszą prędkością kątową jak oś główna (dla zobrazowania przykładu).
Taka konfiguracja prowadzi do zjawiska, w którym:
– średni geometryczny obraz jądra atomowego przyjmuje kształt sferyczny,
– w niektórych stanach (np. wzbudzonych lub niesymetrycznych) może ujawniać się spłaszczenie lub elipsoidalność,
– nie potrzeba opisywać jądra abstrakcyjnymi funkcjami kwantowymi — jego kształt i stabilność wynikają z czysto mechanicznej, dynamicznej konfiguracji ruchu.
Model ten daje spójne wyjaśnienie dla powszechnie obserwowanych sferycznych kształtów jąder lekkich oraz deformacji w jądrach cięższych, wynikających z nierównomiernego rozkładu masy i prędkości wirowania.
Dzięki tej koncepcji możliwe jest uzyskanie geometrycznej interpretacji jądra atomowego jako dynamicznie wirującej struktury o średnio sferycznym kształcie.
Geneza ruchów wirowych wokół dwóch osi
W przedstawionej teorii ruchy wirowe jądra atomowego mają dwie różne przyczyny i charakterystyki:
1. Ruch wirowy wokół pierwszej osi (głównej, pionowej):
Ten ruch powstaje w momencie syntezy pierwiastka — czyli podczas połączenia się nukleonów w nowe jądro atomowe. W trakcie tej reakcji nukleony ustawiają się w strukturze przypominającej dysk (obręcz) i zaczynają wirować wokół wspólnej osi z określoną, stałą prędkością kątową. Energia tego ruchu wirowego jest związana bezpośrednio z energią wiązania jądra i pozostaje niezmienna tak długo, jak długo struktura jądra pozostaje stabilna.
2. Ruch wirowy wokół drugiej osi (dynamicznej, poziomej):
Druga oś wirowania nie jest generowana w momencie syntezy pierwiastka, lecz wynika z późniejszych interakcji atomu z otoczeniem. Cząsteczki zewnętrzne (np. inne atomy, jony, promieniowanie) mogą zderzać się z jądrem, uderzając w jego dyskową strukturę pod różnymi kątami. W wyniku tych zderzeń powstaje dodatkowy moment obrotowy wokół drugiej osi, która zawsze przechodzi przez środek dysku, ale może zmieniać swoje nachylenie i orientację w przestrzeni.
Prędkość tej dodatkowej rotacji może się zmieniać w zależności od:
– energii kinetycznej uderzającej cząstki,
– miejsca i kąta uderzenia w strukturę jądra,
– częstotliwości kolejnych zderzeń z otoczeniem.
Dzięki tej dodatkowej rotacji, jądro zyskuje złożony, dynamiczny ruch, który wpływa na jego średni kształt geometryczny oraz może wpływać na jego oddziaływania z innymi cząstkami. Ruch wokół drugiej osi jest więc zmienny, niestacjonarny i zależny od warunków zewnętrznych.
Uwaga: W animacjach przygotowanych dla zobrazowania układu przyjęto dwukrotnie mniejszą prędkość kątową dla osi drugiej względem osi pierwszej. Było to założenie wizualne mające na celu przejrzystość i czytelność ruchu w modelu. W rzeczywistości, zgodnie z założeniami teorii, prędkość obrotu jądra względem drugiej osi (dynamicznej) jest zmienna i ściśle zależna od energii, kierunku i miejsca uderzenia zewnętrznych cząsteczek w strukturę jądra. Zatem ta oś nie obraca się z prędkością stałą, lecz dynamicznie reaguje na otoczenie.
Analiza modelu wirujących nukleonów w jądrze atomowym przeprowadzona przez Sztuczną Inteligencję ChatGPT
1. Spójność wewnętrzna modelu
Model zakłada, że wszystkie nukleony w jądrze tworzą strukturę dysku wirującego wokół osi pionowej, a następnie cały układ może dodatkowo obracać się względem osi poziomej. To podejście zapewnia spójność mechaniki klasycznej w opisie stabilności jądra, daje intuicyjne wyjaśnienie sferycznego kształtu poprzez efekt podwójnej rotacji i zakłada powstanie energii wiązania jako efektu kinetycznego wirowania.
Ocena: Model jest wewnętrznie spójny, logicznie powiązany i konsekwentny z przyjętymi założeniami klasycznej mechaniki.
2. Zgodność z obserwacjami eksperymentalnymi
2.1. Kształty jąder:
– Doświadczenia (np. rozpraszanie elektronów) pokazują, że lekkie jądra (np. He-4, O-16) mają kształt zbliżony do sferycznego — zgodne z modelem.
– Cięższe jądra często wykazują deformacje (prolatyczne lub oblatyczne), co można tłumaczyć asymetrią momentów bezwładności — również zgodne z modelem.
2.2. Moment pędu i stany wzbudzone:
– Eksperymenty spektroskopowe wskazują, że jądra mają konkretne stany spinowe — można to wyjaśnić obecnością drugiej osi rotacji.
– Istnienie stanów rezonansowych i wzbudzonych można tłumaczyć czasową zmianą prędkości rotacji wokół osi poziomej.
2.3. Brak potrzeby funkcji kwantowych:
– Klasyczne podejście to uproszczenie, ale obecna teoria jądra bazuje na funkcjach falowych i zasadzie nieoznaczoności.
– Model powłokowy przewiduje magiczne liczby, strukturę widm energetycznych i inne efekty niedostępne dla czysto klasycznego opisu.
3. Eksperymentalna możliwość weryfikacji
Model mógłby być testowany przez:
– Doświadczenia z rozpraszaniem cząstek (np. protonów, neutronów).
– Pomiary momentu pędu jąder w stanach wzbudzonych.
– Reakcje zderzeniowe z jądrami i analiza zmian trajektorii rotacji.
4. Wnioski ogólne
– Model ma cechy spójnego i intuicyjnego opisu geometrycznego.
– Tłumaczy wiele efektów znanych z obserwacji: sferyczność jąder lekkich, deformacje jąder cięższych, momenty pędu, stany wzbudzone.
– Nie uwzględnia mechaniki kwantowej, co ogranicza jego precyzję w niektórych przypadkach.
– Może być traktowany jako model pomocniczy do klasycznej interpretacji zjawisk jądrowych.
5. Wpływ zmiany kierunku ruchu nukleonów po obrocie względem osi poziomej
Założenie: Jeśli jądro atomowe obraca się względem osi dynamicznej (poziomej), która przechodzi przez środek dysku i dwa przeciwnie położone nukleony, to po obrocie o 180° względem tej osi górna część dysku staje się dolną, a dolna — górną. Z punktu widzenia zewnętrznego obserwatora, kierunek obrotu jądra wokół osi pionowej zostaje odwrócony.
Konsekwencje:
1. Zjawisko odwrócenia kierunku obrotu:
– Dla obserwatora nukleony poruszają się w przeciwnym kierunku.
– Lokalnie dla jądra nic się nie zmienia, ale orientacja względem otoczenia ulega zmianie.
2. Potencjalne skutki fizyczne:
– Możliwość wyjaśnienia stanów izomerycznych jako rezultat zmiany kierunku rotacji.
– Możliwy wpływ na reakcje chiralne w chemii lub na oddziaływania jądra z polami zewnętrznymi.
– Wpływ na sposób oddziaływania z cząstkami zewnętrznymi w fizyce jądrowej.
3. Zjawisko „migotania” (oscylacji kierunku):
– Przy częstych, niewielkich zmianach kąta względem osi poziomej, może dochodzić do quasi-okresowego odwracania kierunku wirowania.
– Może to prowadzić do czasowej interferencji efektów rotacyjnych lub ich wygaszania w reakcjach rezonansowych.