Термодинамика плазмы взаимодействующих элементарных частиц




В п. 1.3 приведена схема взаимодействующих частиц, представляющих, в первом приближении, плазму элементарных частиц, претерпевающих рекомбинационные процессы в поле действия гравитационных, электромагнитных и других сил, в том числе гиромеханических, гидродинамических и других.

Если проанализировать данные астрофизиков, то можно заметить, что среди элементов вещества в межпланетном и межзвездном пространстве чаще других встречаются элементы с дважды магическими ядрами. Это водород, гелий, углерод, кислород, кремний, кальций, никель, барий, свинец и близкие к ним элементы, в нуклонах которых число протонов и нейтронов близко к магическому числу (например, железо, у которого число протонов равно 26 и нейтронов 30, отличаясь от ближайшего магического числа 28 всего на две единицы). Видимо нуклоны других элементов - производные от двойных магических ядер, представляют собой переходные формы от магических низших к магическим высшим, более тяжелым ядрам. Энергетика образования ядер - нуклонов (или дейтонов) - одна из важнейших задач науки, так как решение ее представляет собой создание совершенно новой энергетики на базе фазовых переходов, в которых на равных участвуют лептоны, адроны, их аналоги, ядра и другие материальные образования, привычные нам в повседневном обиходе.

Известно, что потоки элементарных частиц представляют собой сильно разреженную плазму, в которой частицы взаимодействуют между собой, изменяя энергетическое состояние как самого потока, так и пересекаемых им потенциальных полей - гравитационных, электромагнитных и т.п., индуцируемых, в свою очередь, материальными частицами или волновыми пакетами от источников с широким спектром излучения энергии и вещества.

Для свободных турбулентных потоков заряженных частиц при их слабом взаимодействии [21] справедливо уравнение Боголюбова в форме:

где

Fn - частотная функция распределения, представляющая собой произведение одночастотных

функций:

kn, Vn - потенциалы взаимодействия одночастотных функций;

a = n r 02 - малый параметр системы;

n - число одночастотных взаимодействий ();

r 0 - радиус действия частицы;

β = U 0/T;

U - потенциальная энергия взаимодействия;
T - температура;

- скорость движения частиц.

Ограничиваясь нулевым приближением для свободного расширения газа в пустоту, начальное распределение f (r, ϑ, 0) задается формулой:

 

 

где σ(х) - некоторая ступенчатая функция.

Тогда пространственная плотность частиц найдется как:

 

 

средняя скорость их:

 

 

Следует заметить, что решения приведенных выше зависимостей обратимы только в случае, если все частицы имеют одинаковый заряд и движутся с одинаковой скоростью по строго заданным траекториям. Это возможно только для плазмы, описываемой уравнениями Больцмана или А.А.Власова для самосогласованного движения частицы в пространстве.

 

Из уравнения Боголюбова для самосогласованного поля достаточно легко получить периодическое решение вида с точностью до малых первого порядка , которое при описывает возникновение периодической структуры с периодом 2π/k:

(14)

где ρ - плотность частиц (вещества).

Условие (14) в кристаллографии [22] известно как условие кристаллизации, т.е. является одним из выражений первого фазового перехода при температуре:

 

 

В зависимости от знака в правой части можно сказать, что кристаллизации возможна только в случае отрицательности значения интеграла в правой части, а знак “+” свидетельствует о начале плавления.

Как явствует из изложенного, термодинамика плазмы - среды с частицами с одинаковыми зарядами - не может удовлетворить тому многообразию элементарных частиц: нуклонов, дейтонов и других образований, имеющих разные массы, скорости, заряды, температуру и, кроме того, непрерывно (возможно и периодически) взаимодействующих между собой (см.рис.3), т.е. многообразие частиц и их взаимодействий не исчерпывается взаимодействием куперовских пар (электрон-позитрон, протон-антипротон, ион - антиион и др.).

Модель Боголюбова может быть распространена на более обширный круг явлений, если отвлечься от мысли о постоянстве коэффициентов и , представляющих собой в общем случае степень ионизации и синтеза вещества, т.е. величины типично термодинамические с точки зрения феноменологии, вполне удовлетворяющие уравнению Саха для сильномагнитной плазмы. Но в модель следует ввести многообразие частиц с многообразием их взаимодействий и энергосостояний, имеющих существенно разные скорости и траектории движения. Учет этих многообразий - своеобразные возмущения состояния среды, описываемой уравнениями Боголюбова, Власова, Саха, Ли, Юкава и других.

В общем виде уравнение Боголюбова для спектра действующих частиц и полей формально можно записать в виде интегродифференциального уравнения:

(15)

к которому можно применить операцию идентификации по случайному малому параметру по Спирмену:

 

где и - занимаемое место в ряду выборки в порядке убывания. Полагая трехмерное распределение нормальным, ступенчатую функцию можно представить как:

 

и уравнение (15) примет более простой вид:

(16)

 

 

Дополнительным условием процесса, как это было установлено ранее, служит промежуточный интеграл , где

 

С учетом высказанных замечаний уравнение состояния плазмы в конкретной точке фазового пространства с координатами оценивается рекуррентными соотношениями вида:

 

 

(17)

где выражение в квадратных скобках в (16) обозначено через

А,В -соответственно обозначены правые части уравнения (16).

 

Система уравнений (17) разрешима, если существует интеграл уравнения (16) после шагов интегрирования, т.е. если существует интеграл . Полагая уравнение (16) в этом случае как:

 

 

которое после использования метода вариации постоянных, приводится к общему решению вида:

 

 

свидетельствуя о разрешимости системы рекуррентных соотношений (17).

 

Таким образом, можно констатировать, что некорректно изначально поставленная задача имеет достаточно устойчивое решение для широкого спектра частиц с разными энергетическими характеристиками функции энергосостояния элементарных частиц).

Решение уравнения относительно температуры плазмы удовлетворительно подтверждается температурой атмосферы и отдельных зон в межпланетном пространстве, что подтверждается результатами исследований, выполненных на межпланетных станциях типа " Эксилорер - 35", экипажей станции "Апполон - 12...16", станциями "Маринер", отечественной программой космических исследований [26].

2. ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

2.1. Лептоны в потенциальном поле

Результаты математического моделирования, выполненного при рассмотрении нейтронных систем [23], показали, что потенциал взаимодействия - потенциал Рида - описывается формулой

где , а численные коэффициенты получены обработкой статистических данных методами математической статистики.

Распространяя значение на набор элементарных частиц с разными характеристиками и действующими в системе в общем случае с нерегулярными возмущениями общее уравнение потенциала поля формально можно записать как

(18)

Здесь следует иметь в виду, что численные коэффициенты в формуле для - другие и величина их зависит не только от энергии взаимодействия частиц, но и положения их в пространстве, т.е. траектории движения, допустимого сближения между ними , где - фермирадиус частицы, - расстояние между частицами, определяемое в астрофизике как радиус зоны Шварцшильда .

С учетом принятого значения радиусы зон Шварцшильда для элементарных частиц, начиная от , имеющего массу порядка 0,4 кЭВ, и кончая у.а.е.м. (1,6605x10-27 кг), в зависимости от скорости, колеблются в интервале 10-14...10-19 м, т.е. в потенциальном поле (18) вероятность взаимодействия частиц на несколько порядков выше, чем при предположении о прямолинейном распространении частиц.

При взаимодействиях частиц между собой за пределами сферы Шварцшильда, т.е. когда частицы не объединяется в единое образование, а только меняют направление движения (а значит и энергетический потенциал), угол отклонения частицы от начального направления [24] определится как:

(19)

где - расстояние между траекториями движения частиц.

Расчетами по (19) установлено, что угол расхождения лептонов при скорости встречи порядка 250 тыс км/с составляет порядка 1…15° при . Встречное (под углом) движение и приводит к их аннигиляции, если при . В этом случае , причем величина энергии зависит от частоты и собственного момента количества движения нейтрино и антинейтрино, аннигилирующих по схеме большого резонанса.

Эффект торможения , по Эрдеи - Грузу [25], оценивается как:

 

где - длина волны электрона. Принимая равной комптоновской длине волны электрона при известной массе покоя электрона кг, выражение,

 

т.е. скорость синтезированного электрона на три-четыре порядка меньше, чем у исходных частиц.

Оценивая энергетический эффект рассматриваемой реакции как локальное поле температуры , получим:

Полученный результат, казалось бы, абсурден. Но это кажущееся противоречие, так как резкое снижение скорости (эффект торможения), несмотря на излучение энергии взаимодействия в виде электромагнитного кванта , ведет к росту запаса энергии во вновь образованном объекте, кинетическая анергия движения частично переходит в тепловую энергию движения электрона. Найденная температура в этом случае представляет собой энергию торможения системы из нейтрино, анти-нейтрино, двух квантов и электрона (позитрона).

Время взаимодействия, по И.А. Климишину [26], определяется практически только плотностью частиц, участвующих во взаимодействии, т.е. их массой, заключенной в пределах зоны Шварцшильда:

 

Сравнивая со временем жизни элементарных частиц [27], можно убедиться в возможности взаимодействия между любыми частицами, имеющими время жизни порядка 10-16...10-6 с. Это обстоятельство важно с точки зрения образования материальных образований и концентрации их в определенных зонах пространства.

Изменение потенциала в уравнении (18) можно описать уравнением Штермера для траекторий частиц в поле Земли при [28].

(20)

где - коэффициент Штермера, численные значения которого определяют траектории частиц в поле; (см. табл.1).

По Штермеру орбиты частиц относят к финитным при и инфинитным при любом . Первые из траекторий относят, как правило, к задержанным в поле с потенциалом частицам, во втором случае частицы распространяются с изменением направления движения в поле соседней частицы.

Полагая из соотношения находим, что коэффициент имеет размерность, обратную длине, соответствуя отставанию частицы от потенциала поля , представляя своеобразную вязкость поля и имея что-то общее (по размерности!) с постоянной Ридберга, имеющей смысл изменения потенциала двух электронов (вернее зарядов), бесконечно удаленных друг от друга.

Исследованиями установлено, что финитные траектории () периодические (рис.4), инфинитные - огибающие пучности напряженности полей, представляя собой касательные траектории к полю центра масс системы.

Для системы частиц решение уравнения (18) с возмущениями вида (20) - это решение вопроса о заселенности пространства, так как из него следуют выводы о разрешенных и запрещенных областях движения частиц в потенциальных полях.

Разрешенные и запрещенные области движения, для лептонов (равно как и других частиц) без учета заселенности области другими частицами можно определить, пользуясь формулой астрофизики (для трехмерного пространства):

 

 

где - плотность потока частиц в определяемом объеме. Для ансамбля частиц:

(21)

 

где - доля частиц -го вида.

 

Рис. 4. Траектории движения частиц

 

В связи с введением возмущения (21) в систему, снова возникает необходимость возврата к физическому смыслу коэффициента . Пользуясь соотношением из выражения (20), легко убедиться, что для каждого - макро- или микрообъема (или микромассы) величина имеет собственную величину, представляющую собой единичный вектор напряженности суммарного поля в пространстве, пересекаемом частицами. В такой трактовке коэффициент в некоторой степени аналогичен коэффициенту теплопроводности, представляя собой градиент напряженности поля на единицу длины.

Еще одна аналогия: коэффициент по физической природе аналогичен геохимическому градиенту Земли [22], свидетельством чего можно считать миграционную подвижность частиц, их спектральную природу (как у элементов в Земной коре - разные заряды, массы и т.п.).

Учитывая величину , полученную Штермером из эксперимента и расчета движения частиц в поле магнитного диполя, коэффициент может быть представлен как относительный градиент поля:

где - напряженность поля в пространстве, свободном от частиц, т.е. это напряженность поля тяготения в пространстве, на которое накладывается электромагнитное поле частиц, разнесенных на и в пределах стерадиан.

Подобная трактовка коэффициента Штермера приводит к интересному выводу: совместное решение уравнений (18), (20) с учетом (19) и (21) показывает возможности образования спиралевидных потоков частиц с с диаметрами рукавов в сотни и более световых лет. Этими же причинами объясняются сгущения и разрежения межзвездного вещества как в пределах Галактик, так и между ними. Если в межзвездных пространствах в процессе взаимодействия превальвируют лептоны типа , а также (возможно!) электроны и позитроны с квантами ,то в окрестностях больших сосредоточений массы (Звезды, планеты) проявляется взаимодействие как между лептонами, так и между ними и другими частицами, в том числе с дейтонами элементов (в атмосфере), ионами и т.п., концентрация которых в окрестностях названных объектов меняется экспоненциально [23]. Но инфинитное взаимодействие лептонов с лептонамии, адронами или дейтонами вблизи сосредоточенных масс вызывает уплотнение траектории, обтекающих объект, в то время как финитное взаимодействие заключается в зонной концентрации вещества в поле тяготеющей массы.

2.2. p-n - ионные переходы в околосолнечном и околоземном пространстве

Работами ряда астрофизиков [19,20,23,26,30] доказано, что в межзвездное пространство, кроме лептонов, происходит выброс элементов в виде ионов, дейтонов, наличие которых в коронах звезд установлено спектральными исследованиями, а наличие водорода и гелия подтверждается, кроме того, радиоастрономическими наблюдениями.

Наблюдениями за космическими излучениями установлено наличие мощных потоков адронов - протонов, нейтронов, гиперонов, имеющих постоянный фон и усиливающихся в результате энергоактивности светил. Например, отзвуки выброса протуберанцев Солнцем через 12...18 ч обнаруживаются на Земле в виде магнитных бурь. Доказано, что последние вызываются в магнитосфере потоками протонов и нейтронов, взаимодействующих с магнитным полем Земли, изменяя его напряженность.

В табл.1 отмечается существенное снижение скорости протонов и других адронов по сравнению с лептонами. Это обстоятельство обусловливает возможности взаимодействия между ними в поле действия электромагнитных сил Земли с генерацией собственного магнитного поля при образовании финитных траекторий, образовавшихся в результате взаимодействия объединений материальных частиц.

Из физики ядра известно, что нейтрон, лишенный связи с протоном, неустойчив, время жизни его не превышает 17 мин. Его распад осуществляется по схеме [31]. Следовательно, по истечении 2...3 ч после излучения нейтронов Солнцем их не должно остаться, если считать, что часть из них обладает большей энергией, чем медленные нейтроны. Однако в спектре космических излучений доля нейтронного излучения остается достаточно высокой и на высоте порядка 1000 км от поверхности Земли оно составляет до 10 % от общего потока частиц, траектории которого должны замыкаться на Землю [8]. В то же время на долю протонного излучения приходится до 45 % от общего потока. На долю лептонного излучения остается 45-50 % потока, часть которого (примерно 60 %) в виде квантов света и нейтрино достигает поверхности Земли, обусловливая энергетику планеты.

В то же время в околоземном пространстве наблюдаются элементы, в которых содержится одинаковое количество нейтронов и протонов: водород, гелий, углерод, азот, кислород, неон, кремний, сера, кальций, а также нуклоны некоторых легких элементов, в которых число нейтронов больше числа протонов не более чем на один (Li, Be, B, F, Nа, Mg, Аl, Р, К, Cl). В короне Солнца отмечены элементы, в нуклонах которых число нейтронов превышает число протонов на 5 и более, т.е. элементы, равновесие нуклонов которых невозможно сохранить, без сильного взаимодействия частиц и полей.

Как видно из вышеизложенного, поток адронов, достигающий Земли, должен был бы состоять полностью из протонов. Однако этого не происходит. Видимо при спирально-поступательном движении последних они взаимодействуют со встречными (или движущимися по пересекающимся траекториям) потоками лептонов и адронов, восстанавливаясь до нейтронов с последующим их распадом и т.д. Реакции этих взаимодействий были рассмотрены Займидорогой и Кулюкиным , Пайком , Вайсбергом [31] и другими исследователями, доказавшими высокую энергетическую вероятность восстановления нейтронов.

Спутное движение нейтрона и протона, обладающих практически одинаковой скоростью (см.табл.1) должно быть неустойчивым, особенно для частиц с противоположными спинами. Эта неустойчивость объясняется возмущениями приливно-отливного характера в самосогласованных гравитирующих системах простейшего вида где - неопределенные коэффициенты.

При подобном возмущении в осевом направлении возникают изменения плотности, и в гравитирующей среде образуется пучности шириной:

где - относительная амплитуда (в астрофизике - толщина слоя), К=0,1,2,...;

- частота колебаний системы в момент вхождения частиц во взаимодействие;

- частота колебаний частиц без взаимодействия.

Ширина пучности в данном случае представляет собой относительную ширину зоны, в которой взаимодействуют частицы по схемам, приведенным ранее.

Известно, что движение частиц в потенциальных полях описывается уравнением [32]:

Это состояние можно считать как уравнение возмущения движения частицы около произвольного положения равновесия. Если положить , то можно получить, что

(22)

=0,

где - заряд протона;
Е - напряженность поля.

Так как определитель (22) равен нулю, то движение двух частиц с противоположными спинами по параллельным траекториям невозможно, и между двумя частицами, одна из которых нейтральна, при сближении на некоторое расстояние начинают действовать силы

(23)

где

- суммарная скорость центра массы объединения нейтрон - протон;

- линейная скорость движения протона.

Линейная скорость движения вновь образованного объекта массой определится из уравнения релятивистской механики (23), если под величиной F понимать силу взаимодействия между названными частицами, разнесенными на расстояние, равное предельному между нейтроном и протоном в нуклоне , [33-36].

Полагая величину получим

(24)

откуда видно резкое снижение скорости движения новообразования, гироскопический момент которого

(25)

где - магнитный момент протона;

- вектор энергонапряженности системы.

Результирующий вектор энергонапряженности для ансамбля частиц, движущихся в энергетическом поле, можно записать как т.е. снова приходим к формуле для гироскопической силы. Следовательно, для того, чтобы протон и нейтрон объединились в одно целое, необходимо, чтобы сумма гироскопических сил последних не была равна нулю:

(26)

А это значит, что система открыта для энергообмена и преобразований в пределах действия сил гравитации и сильных взаимодействий.

Кинетическая энергия гироскопической частицы "протон + нейтрон" определится как

(27)

где

A - экваториальный и c - осевой моменты инерции системы;

- угловая скорость и -собственная угловая скорость образования.

Используя подобную трактовку кинетической энергии объединения [37] и учитывая ранее приведенные данные по скоростям, угловым величинам движения и моментам, нами получено, что кинетическая энергия системы равна 1460 МэВ, а суммарная энергия и при их раздельном движении - 1870...2875 МэВ, т.е. явно прослеживается дефицит W около 410...415 МэВ. Гироскопические силы в этом случае равны 1387 МэВ, т.е. система обладает запасом энергии порядка 80...87 МэВ, что дает возможность присоединения к системе лептонов с массой 20...40 МэВ для полного уравновешивания системы.

Дефицит Δ W, прослеживаемый при объединении нейтрона и протона, расходуется на сближение их на расстояние r, т.е. до пределов дальнодействия сил сильного взаимодействия. Рожденная частица представляет собой дейтрон, т.е. атом водорода, лишенный электрона. Для других элементов схема взаимодействий адронов более сложна и может быть проиллюстрирована моделью гибели и размножения.

Однако образование дейтонов с неравным числом нейтронов и протонов можно объяснить, если будет определена энергетическая нескомпенсированность системы. Об этом свидетельствует концентрация дейтонов некоторых элементов в верхних слоях атмосферы Земли (> 500 км), а также в околосолнечном пространстве.

Поток лептонов (нейтрино, электроны, кванты энергии ) при взаимном перемещении с адронами также участвуют во взаимодействиях, рождая протоны, нейтроны, а при наличии мощных магнитогравитационных масс, испытывая термическое торможение, служат источником повышения температуры термосферы. Замедление скорости перемещения электронов в пределах зоны рождения дейтонов может послужить основой для образования электронных оболочек дейтонов,



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-11 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: