МЕНЮ

Эфиродинамическая природа атомного магнетизма

В данной статье показана некорректность квантово-механических представлений магнетизма на основе движущихся электрических зарядов. На основе эфиродинамической концепции дается интерпретация магнетизма веществ на уровне атомов и элементарных частиц и методология их расчета.

Введение. Успехи атомной физики ХХ ст. позволили создать стройную и единую концепцию, охватывающую все типы магнитных явлений в веществе, и установить связь этих явлений с электрическими, оптическими, тепловыми, механическими и другими свойствами материи. [1]

В основе этой концепции лежит представление [2] о том, что источником магнитного поля является движущийся электрический заряд, то есть электрический ток. В атомных масштабах для электронов и нуклонов (протонов, нейтронов) имеются два типа микроскопических токов — орбитальные, связанные с переносным движением центра тяжести этих частиц, и спиновые, связанные с внутренними степенями свободы их движения.

            Количественной характеристикой  магнетизма частиц являются их орбитальный и спиновый магнитные моменты. Поскольку все микроструктурные элементы веществ — электроны, протоны и нейтроны — обладают магнитными моментами, то и любые их комбинации — атомные ядра и электронные оболочки — и комбинации их комбинаций, то есть атомы, молекулы и макроскопические тела, могут в принципе быть источниками магнетизма. Таким образом, магнетизм веществ имеет универсальный характер.

К числу наглядных и непосредственных опытов, доказывающих существование электронного спина и его магнитного момента, принадлежат опыты с отклонением атомных пучков в неоднородном  магнитном поле (опыт Штерна и Герлаха (опыт) [3]).

Эти опыты следует рассматривать как одни из основных экспериментов всей атомной физики, ибо они позволили наиболее непосредственно установить атомную природу магнетизма.

            Современная физика рассматривает опыт, как экспериментальное доказательство квантования проекции магнитного момента атома на направление магнитного поля.

Результаты, полученные в опыте, позволили сделать выводы, подтверждающие квантовые представления:

1) атом обладает магнитным моментом;

2) величина этого магнитного момента равна магнетону Бора;

3) проекции магнитного момента атома на направление магнитного поля могут принимать только дискретные значения. В дальнейшем было установлено, что измеренный в опыте магнитный момент атома (серебра) возникает благодаря нескомпенсированному спиновому магнитному моменту электрона внешней электронной оболочки.

Квантовая интерпретация опыта базируется на допущении, что если справедливо классическое рассмотрение, то проекция магнитного момента атома (М) на ось z будет принимать любые значения от -│М│до │М│и действие магнитного поля приведёт к равномерному уширению пучка атомов — на фотопластинке появилась бы широкая полоса с равномерным распределением интенсивности.

В соответствии с квантовой теорией проекция на направление магнитного поля квантована, т. е. принимает лишь определённые (дискретные) значения, причём число возможных значений М равно 2J+1, где J — внутреннее квантовое число полного момента атома (J = 0, 1, 2,…, n —1). Соответственно в неоднородном магнитном поле пучок атомов должен расщепляться на 2J+1компоненту, т. е. на k = 1, 3, 5, …, где k – количество компонент расщепления.

В опыте зафиксировано расщепление пучка атомов серебра на две узкие компоненты при отсутствии неотклонённого пучка. В дальнейшем опыты были проведены с атомами и молекулами разных веществ, а также с пучками протонов и нейтронов. Было зафиксировано расщепление пучков атомов и молекул на узкие компоненты (k = 2, 4, 6) при отсутствии неотклонённого пучка. Не совпадение опыта с теорией квантовая концепция объяснить не смогла и молча его игнорировала.

Из проведенных опытов по отклонению атомных и молекулярных пучков следует лишь то, что атом как целое обладает тем или иным значением магнитного момента. Из косвенных соображений о характере орбитальных состояний в ряде случаев приписывают

этот наблюдаемый атомный магнетизм электронному спину, хотя непосредственно из самого результата опыта этого не вытекает.

Таким образом, опыты с атомными и молекулярными пучками сами по себе не дают возможности однозначно разделить магнитные эффекты спина электрона и его орбитального движения. Поэтому на первый взгляд кажется весьма желательным провести аналогичный опыт с пучком свободных электронов.

Однако такой опыт и любой другой эксперимент по определению магнитного момента у свободного электрона, как показал Бор, обречён на неудачу. Это является простым следствием соотношения неопределённостей квантовой механики. Дело в том, что поскольку спиновый магнетизм электрона носит кинематический характер, его

нельзя отделить от магнитных эффектов, связанных с поступательным движением электрона — заряженной частицы. Оказывается, что при любой попытке определить магнитный момент спина вносится неизбежная неопределённость в величину импульса электрона, которая обусловливает неопределённость магнитного действия от поступательного движения, всегда превышающую весь магнитный эффект спина. [4]

Квантовая теория магнетизма стала доминирующей в современной физике, однако она не ответила на главный вопрос: в чем сущность магнетизма?  каковы механизмы магнитных сил?

К понятию спина электрона квантовая механика пришла через интерпретацию линейчатых спектров различных атомов. Факт появления дублетов и величину их расщепления оказалось возможным легко объяснить, если допустить, что электрон обладает собственным механическим моментом количества движения (спином). При этом пришлось также принять, что этот спиновый момент может иметь лишь две ориентации, и притом такие, что относительно какого-нибудь внешнего поля его две возможные проекции на направление этого поля равны по величине и обратны по знаку.

Спину электрона соответствует магнитный момент, две возможные проекции которого на направление внешнего магнитного поля оказались по абсолютной величине равны магнетону Бора — естественной атомной единице магнитного момента. [4]

Введение в обиход понятия спин электрона привело квантовую механику к необходимости отказаться от представления структуры электрона, что в свою очередь привело к невозможности расчета магнитного момента электрона по законам классической электродинамики. Кроме того, как следует из выше изложенного, невозможность проведения прямого опыта с пучком электронов указывает, что не существует экспериментальных доказательств того, что спиновый момент электрона имеет две ориентации. А, если учесть, что к линейчатым спектрам атомов, электрон вообще не имеет никакого отношения, то вся теория атомного магнетизма на основе квантовой механики становится не состоятельной.

Данное обстоятельство указывает только на то, что представлениями о магнетизме, оперируя понятиями от уровня макро физики до уровня атомной физики и элементарных частиц, определить природу магнетизма нельзя. Становится объективно необходимым для решения проблем магнетизма  привлечение представлений более глубокого уровня физической материи – эфира.

Эфиродинамическая интерпретация  опыта Штерна – Герлаха. Согласно опыту [3]: в колбе с вакуумом, 10–5 мм рт. ст., нагревался серебряный шарик, до температуры испарения. Атомы серебра летели с тепловой скоростью около 100 м/с через щелевые диафрагмы  и, проходя сильно неоднородное магнитное поле, попадали на фотопластинку.

            Если бы момент импульса атома  (и его магнитный момент) мог принимать произвольные ориентации в пространстве (т.е. в магнитном поле), то можно было ожидать непрерывного распределения попаданий атомов серебра на фотопластинку с большой плотностью попаданий в середине. Но на опыте были получены совершенно неожиданные результаты: на фотопластинке получились две резкие полосы – все атомы отклонялись в магнитном поле двояким образом, соответствующим лишь двум возможным ориентациям магнитного момента.

В эфиродинамических моделях [5] элементарные частицы трактуются как замкнутые вихревые образования (кольца), вращающиеся вокруг собственной оси, в стенках которых эфир существенно уплотнён, а элементарные частицы, атомы и молекулы, — это конструкции, объединяющие такие вихри. В частности, протон и электрон это дуэтоны [6]  – спаренные торцами два кольца. 

Исходя из сущности  образования  следует, что все элементарные частицы обладают механическим моментом количества вращения. В процессе взаимодействия элементарных частиц в среде – эфире, их вращательное движение вокруг собственной оси приводит к увлечению масс эфира. В результате в пространствах между взаимодействующими частицами образуются зоны низкого или высокого давления, в зависимости от направлений увлекаемых масс эфира, что обуславливает или притяжение частиц друг к другу или отталкивание. Таким образом, направления механических моментов количества вращения определяют или притяжение элементарных частиц, или  — отталкивание. При этом силы притяжения или отталкивания трактуются как магнитные. Следовательно,  механический момент количества вращения соответственно будет трактоваться как магнитный.

В свою очередь непременным свойством элементарных частиц является электрический заряд. Таким образом, используя понятие электрический заряд можно получить представление о магнитном моменте элементарных частиц на основе  модели кольцевых токов (движении электрического заряда). В работе [7] на основе модели кольцевых токов и фундаментальной физической величины магнетона протона [8] было показано, что магнитный момент атома определяется магнетоном протона и значительно больше его. В таком электродинамическом представлении следует иметь в виду, что электрический заряд, как мера потока эфира [9],  это свойство вращающегося тела (элементарной частицы) в целом, это значит что, как такового кольцевого тока нет. Т. е. электродинамическая модель кольцевых токов это феноменологическая модель, которая не отражает сущности магнетизма элементарных частиц, но с помощью методов и законов электродинамики позволяет дать оценку явлениям магнетизма.

Из вышеизложенного следует, что атомы серебра в опыте Штерна – Герлаха, априори обладали магнитным моментом. При прохождении сильно неоднородного магнитного поля атомы серебра ориентировались, как железные опилки возле магнита в известном опыте Фарадея, по направлению действия магнитной силы магнита. При этом возможна ориентация только двух видов: магнитный момент атома направлен или по направлению действия магнитной силы, или против. Соответственно атомы серебра в магнитном поле ожидаемо распределялись двояким образом, соответствующим лишь двум возможным ориентациям магнитного момента. Что и фиксировала фотопластинка. Данная интерпретация также объясняет отсутствие нулевой ориентации – третьего компонента пучка, прогнозируемого квантовой механикой.

Таким образом, опыт Штерна – Герлаха является экспериментальным доказательством наличия магнитного момента у атомов вещества, но ничего не доказывает относительно спинового момента электрона. Однако, эфиродинамическая структура элементарных частиц, в частности, протона и электрона позволяет установить значение их спина, отличное от феноменологического, определенного в квантовой механике.

Эфиродинамическая модель электрона и протона это дуэтон, т. е. геометрическая фигура, симметричная относительно всех трех осей (x, y, z). Согласно представления о спине [10]: тела имеющие ось симметрии имеют значение спина равное 2. Следовательно, у протона и электрона, как у тела вращения вокруг собственной оси, значение спина будет равно 2 (их состояние при повороте вокруг оси будет повторяться каждые 180°). Спин это собственный момент импульса элементарных частиц, не связан с реальным вращением частицы, он тем не менее порождает определенный магнитный момент. Спин равный 2 указывает, что магнитный момент частицы имеет две степени свободы, на которые и указал опыт Штерна – Герлаха.

Протон и электрон, как вращающееся тело, имеющее структуру, характеризуется моментом импульса, который, в отличие от квантовой механики, определяется векторным произведением её радиус-вектора и импульса L = [rmv] , где m – масса частицы, v – её скорость, r – радиус-вектор. 

Для систем, совершающих вращение как целое (как абсолютно твёрдое тело) вокруг одной из осей симметрии, справедливо соотношение [11]:

L = I ω,                                                                                         (1)

где I — момент инерции относительно оси вращения, ω = rv — вектор угловой скорости.

Момент инерции торообразного тела, в случае, когда ось вращения  — вертикальная ось [12] имеет вид:

I = (r2 + ¾ r02) m.

Для протона и электрона при r0 ≈ 0.3r момент инерции можно представить в виде:

Ir2m.                                                                                          (2)

Из выше изложенного следует, что магнитный момент электрона и протона полностью определяется их спиновым, который в данном случае представляется как собственный момент количества вращения частицы.

Теоретическое обоснование эфиродинамической концепции магнетизма. В виду несостоятельности квантовой механики в части вскрытия сущности магнетизма и практического отсутствия экспериментальных данных в области магнетизма элементарных частиц в качестве фундаментальной базы для проверки и утверждения эфиродинамической концепции магнетизма была использована методология вскрытия сущности электрического заряда. Это обусловлено тем, что теоретическое значение электрического заряда фотона, полученное в рамках этой методологии, также как для протона и электрона, хорошо согласуется  с экспериментальными данными, полученными в ряде известных экспериментов, проведенных Иоффе – Милликеном. [13]

Из физической сущности электрического заряда следует: электрический заряд, как и масса, которой он пропорционален, величина знакоопределенная, т.е. положительная;

электрический заряд электрона – величина положительная и меньше электрического заряда протона, вследствие того, что масса протона в 1836 раз больше массы электрона; величина электрического заряда протона  qр = 0,743∙10-17 [Кл], электрона qе = 0,157∙10-19  [Кл]. [13]

            На основании полученных значений электрических зарядов протона и электрона была рассчитана электрическая (Кулоновская) сила взаимодействия протона и электрона в протон-электронной паре, на примере атома водорода. Ее величина оказалась равна  0,1763·10-3 [Н].

            В атоме водорода протон и электрон находятся в динамическом равновесии, в котором электрические силы притяжения скомпенсированы магнитными силами отталкивания. Из чего следует, что магнитная сила отталкивания электрона от протона в атоме водорода также равна 0,1763·10-3 [Н]. Так как эта сила приложена непосредственно к электрону и спроецирована на условную прямую, соединяющую центры протона и электрона, то рассматривая протон-электронную пару как механическую систему, в которой электрон вращают вокруг протона, можно допустить, что электрическая сила (магнитная сила)  будет соответствовать центростремительной силе, приложенной к электрону, которая уравновешивается центробежной:

            Fe  = rнmе ωн2,                                                                              (3)

где rн =  5,2917720859·10−11 м – радиус атома водорода.

Из выражения (3)  определим частоту вращения протон-электронной пары (атома водорода) вокруг собственной оси:

ωн = √ Fе/( rнmе) = √0,1763·10-3 [Н] /(5,2917720859·10−11 [м]·0,911·1031[кг]) = 0,6·1019-1].

Частота вращения протон-электронной пары это одновременно и частота вращения протона вокруг собственной оси ωн = ωр = 0,6·1019 с-1.

Согласно выражений (1) и (2) определим орбитальный момент вращения протона:

Lр = Iр ωр = rр2mр ωр2 = (0,8751·10-15[м] )2 ·1,672·10-27[кг] ·0,6·1019 -1]=

     = 0,768·10-38[Дж·с].                                                          

Атом водорода это протон-электронная пара, представляющая собой взаимосвязанную и взаимодействующую совокупность протона и электрона. В такой паре орбитальные моменты вращения как у электрона, так и у протона будут равны друг другу, вследствие закона сохранения момента количества вращения, т. е. орбитальный момент вращения электрона будет равен Lе = 0,768·10-38Дж·с.

Из выражения (3)  определим частоту вращения электрона  вокруг собственной оси:

ωе = Lе / rе2mе = 0, 768·10-38[Дж·с]/( (0,715·10-16[м] )2 ·0,911·10-31[кг])  =

=0,165·1024-1].

Из квантовой механики известно [14] отношение величины магнитного момента к величине спина (для протона и электрона орбитальный  момент), называемое гиромагнитным отношением, которое для электрона равно  {\displaystyle g_{\mathrm {e} }=2{,}00231930436153(53).}ge ≈ 2,0023193, для протона gр ≈ 5,586.

            Тогда магнитные моменты электрона и протона будут равны:

µе = 0,768·10-38Дж·с ·2,0023193 = 1,538·10-38Дж·с.

µp = 0,768·10-38Дж·с ·5,586 = 4,39·10-38Дж·с.

Оценим орбитальный момент вращения атома водорода в целом, принимая во внимание, что частота вращения атома определяется частотой вращения протона.

Тогда:

Lн = Iн ωр = rн2(mр + mе) ωр = (5,29 10-11[м])2 (1,672·10-27[кг] + 0,911·10-31[кг]) ·

         0,6 ·1019-1] = 0,169·10-28 Дж·с.

Очевидно, что орбитальный момент вращения атома водорода значительно больше орбитальных моментов протона и электрона соответственно.

Оценим величину магнитного момента протона и электрона с использованием электродинамической модели кольцевых токов. Магнитный момент кольца площадью S, по которому течет ток I вычисляется как [15]:

M = I S n,

где n — единичный вектор нормали к плоскости кольца. 

Ток протона, как вращающееся кольцо:

            Iр = qp/t = qpωр/2π.

            Магнитный момент протона:

µр = Iр Sр n = qpωр Sр /2π = qpωр 2π (0,7rp)2/2π = 0,49 qpωр rp2.

µр =0,49·0,743∙10-17 [Кл]·0,6·1019-1] (0,8751·1015[м] )2 = 0,167·10-28 [Дж/Тл].

            Магнитный момент электрона:

µе = 0,49 qеωе rе2  = 0,49·0,157∙10-19 [Кл]0,165 ·1024-1](0,715·1016[м])2 =

0,65·10-29 [Дж/Тл].

В современной физике в качестве единицы измерения магнитного момента атомов, атомных ядер, протона и электрона используют магнетон, в частности магнетон Бора [16].

Величина магнетона Бора µВ составляет, в зависимости от выбранной системы единиц: в системе СИ — 927,400968(20)⋅10−26 Дж/Тл, СГС — 927,400968(20)⋅10−23 эрг/Гс.

Согласно квантово-механическим представлениям магнитный момент электрона равен магнетону Бора µе = µВ, а магнитный момент протона определяется, как µp = 2,79 µВ .

            Сравнение теоретических результатов эфиродинамической и квантово-механической концепций показывает их несовпадение на 6 порядков: например, эфиродинамический магнитный момент электрона  µе =0,65·10-29 Дж/Тл, а магнетон Бора µВ = 0,9274⋅10−23 Дж/Тл. Однако следует учитывать, что квантово-механическое значение магнетона Бора  получено с помощью феноменологической формулы:

µВ = eħ/me,                                                                                (4)

где е = 1,602 176 634⋅10−19 Кл – удвоенный электрический заряд фотона,

ħ = 1.054 571 800⋅10-34 Дж⋅с – приведенная постоянная Планка (параметр фотона), me — масса электрона. 

Содержание выражения (4) показывает комбинацию параметров фотона и электрона  ничем и никем  не обоснованную.  Поэтому о достоверности магнетона Бора говорить не приходится.

            Соотношение между магнитными моментами протона и электрона в эфиродинамической концепции равно 1,67·10-29 /0,65·10-29 = 2,57. Тогда спиновый g-фактор для протона будет равен 5,14.

В современной ядерной физике одной из фундаментальных характеристик протона является его магнитный момент µp = 1,41060761(47) 10-26 Дж/Тл. [8] Такой вывод сделан на допущении, что при воздействии магнитного поля на частицу, в частности, протон, эта частица будет прецессировать, т. е. ее момент импульса  будет менять своё направление в пространстве. [17] В основе объяснения явления прецессии лежит экспериментально подтверждаемый факт, что скорость изменения момента импульса вращающегося тела L прямо пропорциональна величине приложенного к телу момента силы M: dL/dt = M.

С точки зрения эфиродинамической концепции в случае протон-электронной пары, протон и электрон находятся в физической связи между собой в виде джетов, вращающихся потоков уплотненного эфира, образующих трубчатую конфигурацию. При воздействии внешнего магнитного поля, джеты не дают возможности прецессировать ни протону ни электрону. Электрон может двигаться только по прямой, соединяющей центры протона и электрона. В случае отдаления электрона от протона (этот процесс называется возбуждением протон-электронной пары) протон-электронная пара генерирует фотоны. В обратном процессе происходит поглощение фотонов. В основе физики данного процесса лежит явление магнитоэлектрической индукции, открытое Фарадеем в 1831 г. и рассмотренное в работе [7].

Очевидно, что явления магнитоэлектрической индукции и прецессии несовместимы на уровне физической материи “элементарные частицы”. Поэтому значение магнетона протона, указанное выше, не является реальным магнитным моментом протона. Анализируя его значение можно допустить, что это магнитный момент некоторого атома.

Выводы.  На основании вышеизложенного следует, что источником магнитных сил (магнитного поля) являются газодинамические процессы, происходящие в среде эфира при взаимодействии вращающихся вокруг собственной оси элементов физической материи: элементарных частиц, атомов, молекул.

Количественной характеристикой  магнетизма частиц является их собственный механический момент вращения (спин). Поскольку все микроструктурные элементы веществ — электроны, протоны, протон-электронные пары — обладают магнитными моментами, то и любые их комбинации и комбинации их комбинаций, то есть атомы, молекулы и макроскопические тела, могут в принципе быть источниками магнетизма. Таким образом, магнетизм веществ имеет универсальный характер.

Результаты, полученные в опыте Шмидта — Герлаха, позволили сделать выводы, подтверждающие выше указанные представления:

1) атом обладает магнитным моментом;

2) величина этого магнитного момента определяется “магнетоном протона”;

3) квантовая концепция магнетизма и магнетон Бора это мифы современной физики.

На сегодняшний день в современной физике не существует ни теории ни экспериментальной базы по определению магнитных моментов элементарных частиц.

Эфиродинамическая концепция дает теоретически обоснованное значение, как собственных орбитальных моментов вращения элементарных частиц, так и магнитных.

Литература.

  1. Вонсовский С.В. Магнетизм. Магнитные свойства диа-, пара, ферро-, антиферро-, и ферримагнетиков. М.: Наука, гл. ред. физ. -матем. лит. 1971. — 1032 с.
  2. https://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/072/319.htm   Вонсовский С. В. Магнетизм.
  3. http://femto.com.ua/articles/part_2/4581.html  ШТЕРНА — ГЕРЛАХА ОПЫТ.
  4. Вонсовский С. В. СОВРЕМЕННОЕ УЧЕНИЕ О МАГНЕТИЗМЕ, УФН  Т.XXXV, вып. 4 (1948).
  5. Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире. Издание второе. М.: Энергоатомиздат, 2003. 584 с.
  6. http://logicphysic.narod.ru/ Яковлев В. В.  ЛОГИКА ЯВЛЕНИЙ.
  7. http://nauka2000.com/   Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Эфиродинамическая концепция природы магнитоэлектрической индукции.
  8. Физические величины: Справочник /А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина,

А. М. Братковский и др.; Под. ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. — М.; Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов

1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звёзд6 звёзд7 звёзд8 звёзд9 звёзд10 звёзд (Еще не оценили)
Загрузка...


Вы можете оставить комментарий к записи