stringtranslate.com

Модель тороидального кольца

Модель тороидального кольца , изначально известная как магнетон Парсона или магнитный электрон , является физической моделью субатомных частиц . Она также известна как плазмоидное кольцо , вихревое кольцо или геликонное кольцо . Эта физическая модель рассматривала электроны и протоны как элементарные частицы и была впервые предложена Альфредом Лауком Парсоном в 1915 году.

Теория

Вместо одного вращающегося заряда тороидальное кольцо было задумано как совокупность бесконечно малых элементов заряда, которые вращались или циркулировали вдоль общего непрерывного пути или « петли ». В общем, этот путь заряда мог принимать любую форму, но стремился к круговой форме из-за внутренних отталкивающих электромагнитных сил . В этой конфигурации элементы заряда циркулировали, но кольцо в целом не излучало из-за изменений в электрических или магнитных полях, поскольку оно оставалось неподвижным. Кольцо создавало общее магнитное поле (« спин ») из-за тока движущихся элементов заряда. Эти элементы циркулировали по кольцу со скоростью света c , но с частотой ν  =  c /2π R , которая обратно зависела от радиуса R. Инерционная энергия кольца увеличивалась при сжатии , как пружина , и также была обратно пропорциональна его радиусу, и, следовательно, пропорциональна его частоте ν . Теория утверждала, что константа пропорциональности была постоянной Планка h , сохраняющимся угловым моментом кольца.

Согласно модели, электроны или протоны можно рассматривать как пучки « волокон » или « плазмоидов » с общим зарядом ± e . Электростатическая сила отталкивания между элементами заряда одного знака уравновешивалась силой магнитного притяжения между параллельными токами в волокнах пучка, согласно закону Ампера . Эти волокна закручивались вокруг тора кольца по мере продвижения по его радиусу, образуя спираль , похожую на Slinky . Завершение цепи требовало, чтобы каждое спиральное волокно плазмоида закручивалось вокруг кольца целое число раз по мере продвижения по кольцу. Считалось, что это требование учитывает « квантовые » значения углового момента и излучения . Хиральность требовала, чтобы число волокон было нечетным , вероятно, тремя, как у веревки. Считалось, что спиральность закручивания отличает электрон от протона.

Тороидальная или «геликонная» модель не требовала постоянного радиуса или инерционной энергии для частицы. В целом ее форма, размер и движение корректировались в соответствии с внешними электромагнитными полями из ее окружения. Эти корректировки или реакции на изменения внешнего поля составляли испускание или поглощение излучения для частицы. Модель, таким образом, претендовала на объяснение того, как частицы соединяются вместе, образуя атомы .

История

Начало

Развитие геликона или тороидального кольца началось с Андре-Мари Ампера , который в 1823 году предложил крошечные магнитные «петли заряда» для объяснения силы притяжения между элементами тока. [1] В ту же эпоху Карл Фридрих Гаусс и Майкл Фарадей также открыли основополагающие законы классической электродинамики , позже собранные Джеймсом Максвеллом в виде уравнений Максвелла . Когда Максвелл выразил законы Гаусса , Фарадея и Ампера в дифференциальной форме , он предположил точечные частицы , предположение, которое остается основополагающим для теории относительности и квантовой механики сегодня. В 1867 году лорд Кельвин предположил, что вихревые кольца идеальной жидкости, открытые Германом фон Гельмгольцем, представляют собой «единственные истинные атомы ». [2] Затем, незадолго до 1900 года, когда ученые все еще спорили о самом существовании атомов, Дж. Дж. Томсон [3] и Эрнест Резерфорд [4] произвели революцию экспериментами [5], подтвердившими существование и свойства электронов, протонов и ядер . Макс Планк подлил масла в огонь, когда решил проблему излучения черного тела , предположив не только дискретные частицы, но и дискретные частоты излучения, исходящего от этих «частиц» или « резонаторов ». Знаменитая статья Планка [6] , в которой, между прочим, были рассчитаны как постоянная Планка h, так и постоянная Больцмана k B , предполагала, что что-то в самих «резонаторах» обеспечивало эти дискретные частоты.

Многочисленные теории о структуре атома развивались вслед за всей новой информацией, [7] [8] из которых модель Нильса Бора 1913 года стала преобладающей. Модель Бора [9] предполагала электроны на круговой орбите вокруг ядра с квантованными значениями углового момента . Вместо того, чтобы непрерывно излучать энергию , как того требовала классическая электродинамика от ускоряющегося заряда, электрон Бора излучал дискретно, когда он « перескакивал » из одного состояния углового момента в другое.

Парсон Магнетон

В 1915 году Альфред Лаук Парсон предложил свой « магнетон » [10] как улучшение модели Бора , описывающий частицы конечного размера, способные сохранять стабильность и испускать и поглощать излучение электромагнитных волн . Примерно в то же время Ли Пейдж разработал классическую теорию излучения черного тела, предполагающую вращающиеся « осцилляторы », способные хранить энергию без излучения. [11] Гилберт Н. Льюис был частично вдохновлен моделью Парсона при разработке своей теории химической связи . [12] Затем Дэвид Л. Вебстер написал три статьи, связывающие магнетон Парсона с осциллятором Пейджа [13] и объясняющие массу [14] и альфа- рассеяние [15] в терминах магнетона. В 1917 году Ларс О. Грондаль подтвердил модель своими экспериментами со свободными электронами в железных проводах. [16] Затем теория Парсона привлекла внимание Артура Комптона , который написал ряд статей о свойствах электрона, [17] [18] [19] [20] и Х. Стэнли Аллена , в статьях которого также высказывались доводы в пользу «кольцевого электрона». [21] [22] [23]

Текущий статус

Аспект магнетона Парсона с наибольшей экспериментальной значимостью (и аспект, исследованный Грондалем и Вебстером) заключался в существовании магнитного дипольного момента электрона ; этот дипольный момент действительно присутствует. Однако более поздние работы Поля Дирака и Альфреда Ланде показали, что точечная частица может иметь внутренний квантовый спин , а также магнитный момент. Весьма успешная современная теория, Стандартная модель физики элементарных частиц, описывает точечный электрон с внутренним спином и магнитным моментом. С другой стороны, обычное утверждение о том, что электрон является точечным, может быть условно связано только с «голым» электроном. Точечный электрон имел бы расходящееся электромагнитное поле, которое должно создавать сильную поляризацию вакуума. В соответствии с КЭД отклонения от закона Кулона предсказываются на расстояниях масштаба Комптона от центра электрона, 10−11 см  . Виртуальные процессы в комптоновской области определяют спин электрона и перенормировку его заряда и массы. Это показывает, что комптоновскую область электрона следует рассматривать как единое целое с ее точечным ядром, образующим физический («одетый») электрон. Обратите внимание, что теория электрона Дирака также демонстрирует своеобразное поведение комптоновской области. В частности, электроны демонстрируют zitterbewegung в масштабе Комптона. С этой точки зрения кольцевая модель не противоречит КЭД или теории Дирака, и некоторые версии, возможно, могут быть использованы для включения гравитации в квантовую теорию.

Вопрос о том, имеет ли электрон подструктуру какого-либо вида, должен решаться экспериментально. Все эксперименты на сегодняшний день согласуются со Стандартной моделью электрона, без подструктуры, кольцевой или какой-либо другой. Два основных подхода — это высокоэнергетическое электрон-позитронное рассеяние [24] и высокоточные атомные тесты квантовой электродинамики [25], оба из которых согласны с тем, что электрон является точечным при разрешениях вплоть до 10 −20  м. В настоящее время комптоновская область виртуальных процессов, 10 −11  см в поперечнике, не демонстрируется в высокоэнергетических экспериментах по электрон-позитронному рассеянию.

Никодем Поплавский использовал метод мультипольного расширения Папапетру, чтобы показать, что кручение изменяет модель Буринского электрона Дирака, заменяя сингулярное кольцо Керра–Ньюмена размера Комптона на тороидальную структуру с внешним радиусом размера Комптона и внутренним радиусом размера Картана (10−27 м  ) в теории гравитации Эйнштейна–Картана . [26]

Ссылки

  1. ^ Андре-Мари Ампер (1823). «Sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiciques uniquement déduite de l'expérience» [О математической теории электродинамических явлений, выведенных только из опыта]. Mémoires de l'Académie des Sciences de l'Institut de France Académie des Sciences (на французском языке). 6 : 175.
  2. ↑ Уильям Томсон , «О вихревых атомах», Труды Королевского общества Эдинбурга , т. 6, стр. 94–105 (1867) {перепечатано в Philosophical Magazine , т. 34, стр. 15–24 (1867)}.
  3. ^ Дж. Дж. Томсон , «Катодные лучи», Philosophical Magazine , S5, V44, стр. 293 (1897).
  4. ↑ Эрнест Резерфорд , «Урановая радиация и электропроводность. Архивировано 8 сентября 2007 г. в Wayback Machine », Philosophical Magazine , S5, V47, стр. 109–163 (январь 1899 г.).
  5. ^ Подробности см . в экспериментах Томсона и Резерфорда .
  6. ↑ Макс Планк , «О законе распределения энергии в нормальном спектре», Annalen der Physik, V4, стр. 553 и далее (1901). Архивировано 25 октября 2007 г. на Wayback Machine
  7. ↑ Дж. Дж. Томсон , «О структуре атома... Архивировано 9 сентября 2007 г. в Wayback Machine », Philosophical Magazine , S6, V7, N39, стр. 237–265 (март 1904 г.).
  8. ↑ Эрнест Резерфорд , «Рассеяние α- и β-частиц материей и структура атома. Архивировано 5 февраля 2007 г. в Wayback Machine », Philosophical Magazine , S6, V21, стр. 669–688 (май 1911 г.).
  9. ↑ Нильс Бор , «О строении атомов и молекул». Архивировано 4 июля 2007 г. в Wayback Machine , Philosophical Magazine , S6, V26, стр. 1–25 (июль 1913 г.).
  10. ^ Альфред Л. Парсон , «Теория магнетона в структуре атома», Smithsonian Miscellaneous Collection, Pub 2371, 80 стр. (ноябрь 1915 г.) {Переиздано Pub 2419, V65, N11 (1916 г.)}.
  11. ↑ Ли Пейдж , «Распределение энергии в спектре нормального излучения», Physical Review , S2, V7, N2, стр. 229–240 (февраль 1916 г.).
  12. ↑ Гилберт Н. Льюис , «Атом и молекула. ​​Архивировано 18 сентября 2007 г. в Wayback Machine », Журнал Американского химического общества , V38, стр. 762–786 (1916).
  13. ↑ Дэвид Л. Вебстер , «Заметки о теории теплового излучения Пейджа», Physical Review , S2, V8, N1, стр. 66–69 (июль 1916 г.).
  14. ↑ Дэвид Л. Вебстер , «Теория электромагнитной массы магнетона Парсона и других несферических систем», Physical Review , S2, V9, N6, стр. 484–499 (июнь 1917 г.).
  15. ↑ Дэвид Л. Вебстер , «Рассеяние альфа-лучей как доказательство гипотезы магнетрона Парсона», Physical Review , S2 (февраль 1918 г.).
  16. ↑ Ларс О. Грондаль, «Труды Американского физического общества: экспериментальные доказательства магнетона Парсона», Physical Review , S2, V10, N5, стр. 586–588 (ноябрь 1917 г.).
  17. ↑ Артур Х. Комптон , «Размер и форма электрона – выступление на заседании Американского физического общества (декабрь 1917 г.)», Журнал Вашингтонской академии наук , стр. 330 (январь 1918 г.).
  18. ↑ Артур Х. Комптон (июль 1919 г.). «Размер и форма электрона». Physical Review . 14 (1). doi :10.1103/PhysRev.14.20.
  19. ↑ Артур Х. Комптон , «Возможная магнитная полярность свободных электронов», Philosophical Magazine , S6, V41 (февраль 1921 г.).
  20. ↑ Артур Х. Комптон , «Магнитный электрон», Журнал Института Франклина , V192, N2, стр. 145–155 (август 1921 г.)
  21. ^ HS Allen (1918). «Дело в пользу кольцевого электрона». Труды Физического общества Лондона . 31 : 49–68. doi :10.1088/1478-7814/31/1/303.
  22. ^ Х. Стэнли Аллен , «Оптическое вращение, оптическая изомерия и кольцевой электрон», Philosophical Magazine , S6, V40, N6, стр. 426 (1920).
  23. ^ Х. Стэнли Аллен , «Угловой момент и некоторые связанные с ним свойства кольцевого электрона», Philosophical Magazine , S6, V41, N6, стр. 113 (1921).
  24. ^ Д. Бурилков, «Намек на аксиально-векторные контактные взаимодействия в данных по e + e − → e + e − ( γ ) при энергиях центра масс 192–208 ГэВ», Phys. Rev. D 64, 071701 (2001), Physical Review Online Archive .
  25. ^ Б. Одом, Д. Ханнеке, Б. Д'Урсо и Г. Габриэльсе, Новое измерение магнитного момента электрона с использованием одноэлектронного квантового циклотрона, Phys. Rev. Lett. 97, 030801 (2006), PHYSICAL REVIEW LETTERS .
  26. ^ Popławski, Nikodem J. (2010). «Несингулярные частицы Дирака в пространстве-времени с кручением». Physics Letters B. 690 ( 1): 73–77. arXiv : 0910.1181 . Bibcode : 2010PhLB..690...73P. doi : 10.1016/j.physletb.2010.04.073.

Дальнейшее чтение