Model pierścienia toroidalnego - Toroidal ring model
Model pierścienia toroidalnego , znany pierwotnie jako magneton Parsona lub elektron magnetyczny , jest fizycznym modelem cząstek subatomowych . Jest znany również jako Plazmoid pierścienia , wirowej pierścienia lub Heliconem pierścienia . Ten model fizyczny traktował elektrony i protony jako cząstki elementarne i został po raz pierwszy zaproponowany przez Alfreda Laucka Parsona w 1915 roku.
Teoria
Zamiast pojedynczego ładunku orbitującego , pierścień toroidalny został pomyślany jako zbiór nieskończenie małych elementów ładunku, które krążyły lub krążyły wzdłuż wspólnej ciągłej ścieżki lub „ pętli ”. Ogólnie rzecz biorąc, ta ścieżka ładunku mogła przybrać dowolny kształt, ale skłaniała się ku kształtowi kołowemu z powodu wewnętrznych odpychających sił elektromagnetycznych . W tej konfiguracji elementy ładunku krążyły, ale pierścień jako całość nie promieniował z powodu zmian pola elektrycznego lub magnetycznego, ponieważ pozostawał nieruchomy . Pierścień wytwarzał ogólne pole magnetyczne („ spin ”) z powodu prądu poruszających się elementów ładunku. Pierwiastki te krążyły wokół pierścienia z prędkością światła c , ale z częstotliwością ν = c /2π R , która zależała odwrotnie od promienia R . Energia bezwładności pierścienia wzrastała po ściśnięciu , podobnie jak sprężyna , i była również odwrotnie proporcjonalna do jego promienia, a zatem proporcjonalna do jego częstotliwości ν . Teoria głosiła, że stała proporcjonalności była stałą Plancka h , zachowanym momentem pędu pierścienia.
Zgodnie z modelem elektrony lub protony mogą być postrzegane jako wiązki „ włókien ” lub „ plazmoidów ” o całkowitym ładunku ± e . Siła odpychania elektrostatycznego między elementami ładunku o tym samym znaku została zrównoważona przez siłę przyciągania magnetycznego między równoległymi prądami we włóknach wiązki, zgodnie z prawem Ampère'a . Włókna te skręcały się wokół torusa pierścienia, przesuwając się wokół jego promienia, tworząc spiralę podobną do Slinky . Ukończenie obwodu wymagało, aby każde spiralne włókno plazmoidowe skręcało się wokół pierścienia całkowitą liczbę razy, gdy poruszało się wokół pierścienia. Uważano, że wymaganie to uwzględnia „ kwantowe ” wartości momentu pędu i promieniowania . Chiralność wymagała, aby liczba włókien była nieparzysta , prawdopodobnie trzy, jak lina. Helikalności skrętu, uważano odróżnić elektronu z protonu.
Model toroidalny lub „helikonowy” nie wymagał dla cząstki stałego promienia ani energii bezwładności. Ogólnie jego kształt, rozmiar i ruch są dostosowywane do zewnętrznych pól elektromagnetycznych z jego otoczenia. Te regulacje lub reakcje zewnętrznych zmian pola stanowiły emisji lub absorpcję w promieniowaniu na cząstki. Model twierdził zatem, że wyjaśnia, w jaki sposób cząstki łączą się ze sobą, tworząc atomy .
Historia
Początki
Rozwój helikonu lub pierścienia toroidalnego rozpoczął André-Marie Ampère , który w 1823 roku zaproponował maleńkie magnetyczne „pętle ładunku” w celu wyjaśnienia siły przyciągania między obecnymi pierwiastkami. W tej samej epoce Carl Friedrich Gauss i Michael Faraday również odkryli fundamentalne prawa klasycznej elektrodynamiki , zebrane później przez Jamesa Maxwella jako równania Maxwella . Kiedy Maxwell wyrażał prawa Gaussa , Faradaya i Ampère'a w postaci różniczkowej , przyjął cząstki punktowe , założenie, które pozostaje fundamentem dzisiejszej teorii względności i mechaniki kwantowej . W 1867 Lord Kelvin zasugerował, że pierścienie wirowe płynu doskonałego odkryte przez Hermanna von Helmholtza reprezentują „jedyne prawdziwe atomy ”. Niedługo przed 1900 rokiem, gdy naukowcy wciąż debatowali nad samym istnieniem atomów, JJ Thomson i Ernest Rutherford wywołali rewolucję, przeprowadzając eksperymenty potwierdzające istnienie i właściwości elektronów, protonów i jąder . Max Planck dodał do ognia, gdy rozwiązał problem promieniowania ciała doskonale czarnego , zakładając nie tylko dyskretne cząstki, ale dyskretne częstotliwości promieniowania emanującego z tych „cząstek” lub „ rezonatorów ”. Słynny papier Plancka, który nawiasem mówiąc wylicza się zarówno stałą Plancka h i Boltzmanna stałą k B , zasugerował, że coś w „rezonatory” sami warunkiem tych dyskretnych częstotliwości.
W następstwie wszystkich nowych informacji powstały liczne teorie dotyczące budowy atomu , wśród których dominował model Nielsa Bohra z 1913 roku . Model Bohra proponował elektrony na orbicie kołowej wokół jądra ze skwantowanymi wartościami momentu pędu . Zamiast emitować energię w sposób ciągły , jak wymagała to klasyczna elektrodynamika od przyśpieszającego ładunku, elektron Bohra promieniował dyskretnie, gdy „ przeskakiwał ” z jednego stanu momentu pędu do drugiego.
Magneton Parsona
W 1915 roku Alfred Lauck Parson zaproponował swój „ magneton ” jako ulepszenie w stosunku do modelu Bohra , przedstawiający cząstki o skończonej wielkości, zdolne do utrzymywania stabilności oraz emitowania i pochłaniania promieniowania z fal elektromagnetycznych . Mniej więcej w tym samym czasie Leigh Page opracował klasyczną teorię promieniowania ciała doskonale czarnego, zakładającą obracające się „ oscylatory ”, zdolne do magazynowania energii bez promieniowania. Gilbert N. Lewis był po części zainspirowany modelem Parsona w rozwijaniu swojej teorii wiązań chemicznych . Następnie David L. Webster napisał trzy prace łączące magneton Parsona z oscylatorem Page'a i wyjaśniające masowe i alfa rozpraszanie w kategoriach magnetonu. W 1917 Lars O. Grondahl potwierdził model swoimi eksperymentami na swobodnych elektronach w żelaznych drutach. Teoria Parsona przyciągnęła następnie uwagę Arthura Comptona , który napisał serię artykułów o właściwościach elektronu, oraz H. Stanleya Allena , którego prace również argumentowały za „elektronem pierścieniowym”.
Aktualny stan
Aspektem magnetonu Parsona o największym znaczeniu eksperymentalnym (oraz aspektem badanym przez Grondahla i Webstera) było istnienie magnetycznego momentu dipolowego elektronu ; ten moment dipolowy jest rzeczywiście obecny. Jednak późniejsze prace Paula Diraca i Alfreda Landé wykazały, że cząstka punktowa może mieć wewnętrzny spin kwantowy , a także moment magnetyczny. Bardzo udana współczesna teoria, Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych, opisuje punktowy elektron z wewnętrznym spinem i momentem magnetycznym. Z drugiej strony, zwykłe twierdzenie, że elektron jest punktowy, można konwencjonalnie kojarzyć tylko z „gołym” elektronem. Punktowy elektron miałby rozbieżne pole elektromagnetyczne, które powinno wytworzyć silną polaryzację próżni. Zgodnie z QED, odchylenia od prawa Coulomba są przewidywane w odległościach skali Comptona od środka elektronu, 10-11 cm. Wirtualne procesy w regionie Comptona determinują spin elektronu oraz renormalizację jego ładunku i masy. Pokazuje, że region Comptona elektronu należy traktować jako spójną całość z jej punktowym rdzeniem, tworzącą fizyczny („ubrany”) elektron. Zauważ, że teoria elektronów Diraca również wykazuje szczególne zachowanie regionu Comptona. W szczególności elektrony wykazują drganie w skali Comptona. Z tego punktu widzenia model pierścienia nie jest sprzeczny z QED ani teorią Diraca, a niektóre wersje mogłyby być wykorzystane do włączenia grawitacji do teorii kwantowej.
Pytanie, czy elektron ma jakąkolwiek podstrukturę, musi być rozstrzygnięte eksperymentalnie. Wszystkie dotychczasowe eksperymenty zgadzają się z Modelem Standardowym elektronu, bez podstruktury, pierścieniowej lub innej. Dwa główne podejścia to wysokoenergetyczne rozpraszanie elektronów i pozytonów oraz wysoce precyzyjne testy atomowe elektrodynamiki kwantowej , z których oba zgadzają się, że elektron jest podobny do punktu w rozdzielczości do 10-20 m. Obecnie obszar wirtualnych procesów Comptona o średnicy 10-11 cm nie jest prezentowany w wysokoenergetycznych eksperymentach dotyczących rozpraszania elektronów i pozytonów.
Bibliografia
27- David L. Bergman, J. Paul Wesley ; Spinning Charged Ring Model of Electron
Yielding Anomalous Magnetic Moment, Galilean Electrodynamics. Vol. 1, 63-67 (Sept./Oct. 1990).