Электрон и слабое взаимодействие

На первый взгляд электрон никак не может “вписаться” в развиваемую нами концепцию частотного характера взаимосвязей в микромире.

Масса и частота электрона почти в 600 раз меньше усредненной эффективной массы кварков и соответствующей частоты (ГЧВ), “господствующей” в микромире. При таком соотношении частот трудно ожидать наличия какого-то резонансного взаимодействия между этими частицами.

Но здесь на помощь приходит “слабое взаимодействие”!

Протон и нейтрон, небезосновательно объединяемые одним названием – нуклоны, имеют, тем не менее, разный кварковый состав и незначительную разницу в массе покоя. Этими различиями и определяется характер связи нуклонов с электронами.

Прямым указанием на эту связь являются процессы взаимного превращения друг в друга протонов и нейтронов с “участием” электронов (позитронов). Кроме того, разница масс нейтрона и протона имеет порядок величины массы электрона. Более того, присмотревшись еще внимательнее, мы заметим, что эта разница с точностью в 1% равна 2,5 массам электрона [7]. Это небольшое отклонение в 1%, как в случаях мюона и тау, связано с нейтрино.

Таким образом, взаимодействие нуклонов с электронами происходит не “напрямую”, а опосредованно – через разностную частоту “кварков”, входящих в состав нуклонов. Именно поэтому эта связь является по-настоящему слабой!

Слабое взаимодействие, как видим, также “действует постоянно”! Электроны находятся в постоянном “общении” с разностной частотой “кварков”.

Значение слабого взаимодействия для формирования облика Вселенной оказалось поистине решающим. Оно “произвело на свет” эту легкую, слабо связанную с нуклонами, а потому очень подвижную и относительно “самостоятельную” частицу. Электрон - самая легкая заряженная частица, тем не менее, играет главенствующую роль в формировании структуры и свойств атомов. Он же благодаря своей легкости и подвижности определяет характер большинства электромагнитных явлений в природе.

Могут ли быть “переносчиками” слабого взаимодействия такие массивные частицы как “промежуточные бозоны”? Видимо, в процессах взаимного превращения частиц промежуточные частицы действительно могут образовываться. Но постоянно действующая связь между электронами и нуклонами поддерживается на частотном резонансном принципе.

В целом, для физика должно быть очевидным, что фундаментальные взаимодействия невозможно свести к обмену частицами. Дело в том, что обмен частицами может породить только силы отталкивания!

Существование сил притяжения в природе является самым коротким, весомым и наглядным доказательством существования эфира. Силы притяжения между частицами могут возникнуть только в результате действия полей, то есть, через насыщение эфира (среды) энергией.

Энергия не может быть “подвешенной” в пустоте, также как электромагнитные волны (свет) не могут распространяться в пустоте. Так считал основатель электромагнитной теории – Максвелл, который предложил, кроме того, весьма наглядную и эффективную модель эфира, позволяющую моделировать электромагнитные явления [11, 12].

Вот, например, как был проиллюстрирован закон Кулона методом расчета энергии среды (эфира) вокруг взаимодействующих зарядов q ₁ и q ₂. В модели Максвелла энергия электростатического поля – это энергия деформации среды (эфира), а удельная величина деформации соответствует электрическому смещению D. Поэтому общая энергия распределена в пространстве:

(9)

После интегрирования по частям этот интеграл приобретает вид:

(10)

Интегрирование ведется по всему пространству. На бесконечном удалении потенциал φ исчезающе мал, поэтому первые три слагаемых в (10) равны нулю. Естественно, подынтегральное выражение отлично от нуля только там, где расположены заряды (в данном случае – заряды q ₁ и q ₂). В то же время, потенциалы от этих зарядов в местах интегрирования складываются, но так как нас интересует не собственная, а только взаимная энергия зарядов (зависящая от их взаимного расположения), то из (10) получаем:

(11)

Любая система “стремится” к уменьшению своей потенциальной энергии, поэтому дифференцирование по величине расстояния между зарядами дает выражение для силы, действующей между зарядами

(12)

Направление силы, как видим, зависит от знаков зарядов и соответствует уменьшению энергии, распределенной в среде вокруг зарядов.

Касаясь “проблемы эфира”, образно можно сказать, что кроме эфира фактически ничего больше нет. “Все и вся” (и мы сами) оказываемся лишь энергией возбуждений эфира – великой и загадочной среды. Бытовавшее некогда понятие об эфире, “пронизывающем” весь мир как некая “сверхтонкая” субстанция, теперь уступило место другому более общему пониманию: все вещество и все поля являются энергетическими возбуждениями эфира. Поэтому ни о каком “обтекании” материальных тел эфиром не может быть речи!

Возвращаясь к видам физических взаимодействий, заметим, что только сильное взаимодействие внутри нуклонов оказывается несколько похожим на официально принятую гипотезу о “глюонах”.

Основной же принцип взаимодействий, базирующийся на солитонной природе частиц и на их частотах колебаний, определяющих облик микро- и макромира, оказался официальной наукой “не учтенным”!

Установление равновесия через взаимодействие на определенных частотах является причиной идентичности частиц и объясняет наличие в природе такого огромного количества одинаковых электронов (нейтронов, протонов). Во всяком случае, физически это понятно! В отличие, например, от известной “сумасшедшей” идеи об образовании такого большого количества одинаковых электронов в природе “методом” многократного движения одного и того же электрона по оси времени туда и обратно!

Оказались “не учтенными” и волны вокруг частиц! Но именно эти волны создают дополнительный энергетический фон в пространстве, а, следовательно, формируют и результирующую силу, добавляя переменную составляющую.

На возможность гравитационного эффекта за счет действия знакопеременных сил между частицами вещества указывал еще Максвелл [11]. Источником гравитационного взаимодействия являются не “гравитоны”, а как раз “неучтенные” переменные составляющие внешнего поля частиц.

Поэтому гравитационные эффекты (основанные на энергии знакопеременных полей в пространстве вокруг частиц) намного более слабы, чем эффекты от постоянных составляющих электрических и магнитных полей.

　

Электроны в составе атомов

Описание электронных “оболочек” - пожалуй, самая запутанная часть теории атома. А произошло это из-за того, что физики в начале прошлого столетия фактически отказались от основополагающих принципов.

Возникла настоящая “коллизия” в умах! С одной стороны, для того, чтобы “не упасть” на ядро, электроны в атомах должны вращаться. А с другой стороны, электроны, вращаясь вокруг ядра, почему-то не излучают, хотя по законам электродинамики вращение электронов на орбитах неминуемо должно было вызывать излучение с последующим “падением” электронов на ядро.

Разрешение этой “коллизии” должно было быть однозначным и без всяких колебаний: электроны в атомах неподвижны!

Только после признания этого очевидного факта нужно было двигаться дальше и искать ответы на все возникающие отсюда вопросы.

Впрочем, и последующие “сопутствующие” вопросы оказываются не такими сложными, если учесть, что силы, действующие между частицами, как мы видели, не сводятся только к электростатическому взаимодействию. Частицы, как открытые колебательные системы, обладая переменными составляющими внешнего поля, интенсивно обмениваются энергией, что вызывает между частицами соответствующие “неучтенные” дополнительные силы.

Чтобы убедиться в том, что обмен энергией между электронами создает силу отталкивания того же порядка величины, что и сила электростатического притяжения к ядру атома, сделаем небольшой оценочный расчет. Представим себе электронную “оболочку”, удобную для такого расчета (рис. 4).

Рис. 4. Электроны, обмениваясь энергией, создают вокруг ядра замкнутый поток энергии, вследствие чего возникают центробежные силы.

　

Известно, что передача энергии W сопряжена с передачей соответствующего количества механического импульса W/c. Поэтому поток энергии, а, следовательно, и импульса в закольцованной электронной структуре приводит к возникновению центробежных сил. Определим порядок величины центробежной силы, действующей на один из шести электронов, расположенных симметрично вокруг ядра.

Предварительно заметим, что постоянная равномерная циркуляция энергии в кольцеобразной структуре электронной оболочки, очевидно, связана с определенными ограничениями на фазовые соотношения для входящих в эту структуру электронов. А именно, сдвиг фаз между соседними электронами должен быть один и тот же, а полный набег фазы по кольцу должен быть кратен 2π.

Поэтому на рис. 4 фазы электронов (условно отмечены точками) при переходе от любого электрона к соседнему электрону изменяются на 60 градусов (2π/6) и возвращаются к исходной фазе после совершения полного оборота.

Квантово-механическое описание с использованием волновых функций электронов приводит к аналогичным фазовым соотношениям. Однако это делается по формальным соображениям [13, 14], а не с позиций анализа взаимодействия электронов как колебательных систем.

Интенсивность взаимодействия между электронами определяется знаменитой постоянной тонкой структуры, так как амплитуды внешних полей находятся именно в таком отношении к внутренним полям в структуре электронов.

Поэтому за один период (вращения) электроны могут обменяться относительно небольшой долей энергии от полной энергии электрона mc ² [8]:

(13)

Интенсивность обмена энергией, как следует из (13), резко уменьшается при увеличении расстояния между электронами (R). Это происходит из-за того, что амплитуды внешних переменных полей вокруг электронов уменьшаются при удалении обратно пропорционально квадрату расстояния [7]. Поэтому мы будем учитывать взаимодействие только между соседними электронами (рис. 4).

Интересно, что формула (13) перекликается с известным выражением для амплитуды волновой функции электрона, описывающей его перемещение в пространстве на такое же расстояние R [1]:

(14)

Так как физический смысл имеет только квадрат модуля волновой функции (вероятность перемещения электрона на расстояние R), то возведение модуля (14) в квадрат дает зависимость, аналогичную (13). Однако квантовая механика имеет свой условный язык, и мы с трудом можем догадаться о физике процесса.

Итак, из выражения (13) для количества энергии, передаваемой за один период (2π r_o / c), легко получить соответствующую мощность:

(15)

Каждый электрон принимает и сразу же отдает дальше по замкнутой цепочке указанный поток энергии. Однако направление передаваемого импульса при этом претерпевает поворот на угол 60 градусов (рис. 4), что равносильно изменению импульса, которое по абсолютной величине в данном случае равно абсолютной величине потока импульса:

(16)

Таким образом, центробежная сила ориентировочно равна:

(17)

Здесь учтено, что расстояния между соседними электронами при всем их разбросе имеют порядок величины радиуса Бора R _Б. Поэтому в рассматриваемом примере, учитывая (2), отношение r_o / R мы положили равным α/2.

Кроме того, выражение (17) для наглядности записано в виде, похожем на классическую формулу для центробежной силы, возникающей при вращении электрона вокруг ядра со скоростью αс. Как известно, именно такой порядок величины должна иметь скорость классического электрона на орбите, чтобы он “не упал” на ядро атома. Таким образом, порядок величины силы, появляющейся из-за обмена электронов энергией, соответствует нашим предположениям.

Вместе с тем, уменьшающий коэффициент 1/4π в формуле (17) косвенно указывает на то, что описанный механизм не является единственным фактором, приводящим к отталкиванию электронов от ядра. Очевидно, что свой вклад дает обмен энергией электронов непосредственно с самим ядром, а также эффект “экранирования” ядра другими электронами.

Кроме того, мы убедимся в наличии еще одного неучтенного фактора, обусловленного резонансной природой электронных оболочек атомов. На электроны действуют дополнительные силы, фиксирующие их расположение вокруг ядра в резонансных максимумах продольных волн. Подобные поля имеют место, например, вокруг антенных систем [15].

Остановимся на этом подробнее. Казалось бы, электроны могут располагаться на любом расстоянии от ядра, лишь бы они образовывали единую систему с циркулирующей по ней энергией. Однако это не так, и причиной “запрета” на произвольный выбор конфигурации электронной оболочки является наличие волновых свойств у электронов.

Речь идет об экспериментальном факте: движущийся электрон ведет себя как волна, характеризуемая так называемой длиной волны де Бройля [3]:

(18)

Откуда возникает и что физически означает длина волны де Бройля? Каким образом электрон “приобретает” волновые свойства?

Ответы на эти вопросы очень важны для понимания устройства атома.

Итак, если частица движется, то к ее энергии покоя добавляется кинетическая энергия, которая при скоростях, существенно меньших скорости света, выражается известной классической формулой:

(19)

В соответствии с (1) это приводит к изменению (увеличению) частоты электрона, пропорциональному удвоенной величине изменения энергии

(20)

Но как только частота рассматриваемого электрона становится отличной от частоты окружающих его неподвижных электронов, это немедленно вызывает “биения” с указанной разностной частотой Ω. Такие “биения”, как известно, имеют место при взаимодействии близких по частоте колебательных систем и сопряжены с “перекачкой” энергии между взаимодействующими колебательными системами. Так как электрон движется, то частота “биений” и скорость определяют соответствующую длину волны в пространстве:

(21)

Это и есть искомая формула (18) для длины волны де Бройля электрона.

Однако возникает логичный вопрос, каким образом могут проявиться волновые свойства у неподвижных электронов в составе атомов?

Дело в том, что движущийся электрон отличается от неподвижного электрона фотоном, который излучается в момент остановки движущегося электрона. Таким образом, излучение фотона “превращает” движущийся электрон в неподвижный. Но в составе электронной оболочки, как мы видели, электрон “не совсем расстается” с эквивалентом фотона в виде излучаемой энергии, так как излучение сопровождается одновременным поглощением энергии, циркулирующей между электронами (рис. 4).

Поэтому энергетические характеристики “оболочки” из неподвижных электронов в составе атомов соответствуют классическому движению по орбитам, а циркуляция энергии как эквивалента кинетической энергии движения электронов создает соответствующую добавку к частоте электронной оболочки (20).

При этом роль “участника” в биениях (обмене энергией) играет ядро атома. И для того, чтобы итоговый обмен энергией ядра с электронной оболочкой был нулевым, поле, создаваемое электронной оболочкой вокруг ядра, должно обладать периодичностью и пространственной симметрией. Этому требованию как раз удовлетворяет резонансное поле продольных волн, обеспечивающих рассмотренную выше циркуляцию энергии в электронных оболочках и характеризуемых длиной волны де Бройля.

Эти физические процессы находят свое отражение в формализме квантовой теории. Действительно, каждая совокупность электронов (“оболочка”), имеющих одинаковую энергию (частоту), описывается волновыми функциями со своей пространственной “плотностью” расположения максимумов.

Квантово-механические волновые функции, используемые для описания электронных “облаков” в атомах, можно в какой-то степени соотнести с пространственными резонансами продольных волн, связанных с ядром и с каждой из совокупностей электронов, имеющих одну и ту же энергию (частоту).

Особенно показательными в этом отношении являются возбужденные уровни энергии водорода, которые ведут себя как различные виды колебаний в пространстве вокруг ядра (связанные с электроном и с ядром).

Здесь следует еще раз подчеркнуть, что несомненным достижением квантовой механики является введение в физику понятия об особой материальной волне (λ= h / p), описываемой волновой функцией.

Однако электроны “не размазываются” по пространству (как это следует из вероятностной квантово-механической трактовки), а обмениваются энергией с окружающими частицами. Что же касается электронов в атомных оболочках, то они фиксируются вблизи соответствующих резонансных максимумов поля.

Такой механизм взаимодействия электронов оболочек с резонансным полем, создаваемым самими же электронами (во взаимодействии с ядром атома), объясняет многие свойства атомов.

Интересная аналогия для коллективных свойств электронов была подмечена Р.Фейнманом, который сравнил поведение электронов в состоянии сверхпроводимости с движением заряженной жидкости [14]. Им же была высказана идея о наличии вокруг электрона приходящих и уходящих волн [16, 17].

Фактически это было указанием на существование волн особого поля (мы его называем продольным электромагнитным полем), связанных с частицами и напоминающих стоячие сферические волны. Эти поля обеспечивают взаимодействие частиц и формирование их коллективных свойств.

 

Образование резонансных не излучающихся конфигураций особых продольных волн, связанных с электронами каждой оболочки (на отдельной частоте), обеспечивает циркуляцию энергии в оболочках даже в тех случаях, когда электронами заняты не все максимумы этого поля. Это важно, например, при анализе атома водорода.

Отметим также, что в многоэлектронных атомах симметричному распределению электронов в пространстве вокруг ядра, очевидно, в значительной степени “способствует” их взаимное электростатическое отталкивание.

Суммируя изложенное, можно сказать, что физическая природа электрона, являющегося открытой колебательной системой с переменными внешними полями, дает возможность понять как причины его волновых свойств, так и механизм “зависания” над ядром атома.