Магнитного моментов субатомных частиц и фотона

В 1925 г. Г.Е.Уленбек и С.А. Гаудсмит открыли [66], что электрон обладает свойствами, соответствующими наличию у него спина (момента количества движения), величина которого одинакова для всех электронов. Экс­периментальные данные позволяют подтвердить наличие спина электрона не только спектроскопически, но и по­средством исследования траекторий электронов, движу­щихся с большой скоростью в неоднородном магнитном поле. Таким значительным экспериментом является опыт Штерна - Герлаха, который выполнен еще в 1921 году [67].

В этом эксперименте пучок серебра, выходивший че­рез калиброванное отверстие, попадал в сильно неодно­родное магнитное поле, создаваемое полюсами магнита специальной формы. Затем пучки, отклоненные полем, попадали на фотопластинку, и их следы удалось обнару­жить после проявления пластинки. Установлено, что исходный пучок серебра расщеплялся на два пучка. На-

блюдаемое явление объяснялось при допущении, что атом серебра из-за наличия одного внешнего электрона обладает магнитным моментом, так как магнитный мо­мент может быть ориентирован в одном из двух воз­можных направлений относительно силовых линий маг­нитного поля, а градиент магнитного поля создает силу, отклоняющую эти атомы вправо и влево.

Нынешняя физика так и не могла дать физического объяснения спина электрона и его магнитного момента, ибо не отражает реальной действительности мира. По­этому Т. Эрдеи-Груз объективно отразил сложившуюся в науке ситуацию [67]:

«Спин следует рассматривать как некое фундамен­тальное свойство электрона, которое при современном уровне наших знаний нельзя объяснить на основе дру­гих явлений». Однако фрактальная физика позволяет разрешить данную проблему [5] и показать, что природа проста и едина.

В п. 4.1 и [7] представлена фрактальная форма суб­атомных частиц на основе анализа постоянной тонкой

структуры α^-1 = 137,03597. Субатомные частицы пред­ставляют собой форму полушара и показаны на рис. 4.1. Установление фрактальной формы частиц и фотона оп­ределило создание новой науки о природе, что позволяет объяснить проявляемые свойства электрона при его движении в неоднородном поле (показано на рис. 4.5).

Рис. 4.5. Графическое изображение эффекта расщепления пучка электронов на две составляющие:

а - наличие электронного спина можно обнаружить в неравномер­ном магнитном поле; б - объяснение притяжения одного пучка электронов накладываемым магнитным полем и отталкивания другого пучка тем же внешним магнитным полем; в - проекции формы электрона на координатные плоскости.

Расщепление пучка электронов на две составляющие можно объяснить, как сепарацию частиц по ориентации их формы (см. рис. 4.5а,б): в одной составляющей элек­троны ориентированы «полюсами», а в другой — элек­троны движутся своими «основаниями». При движении электронов в магнитном поле В влияние поля сводится к действию силы F _л Лоренца, приложенной в точке с ра­диус-вектором. Положение этой точки всецело опреде­ляется свойством самой формы электрона и совпадает с центром инерции частицы. Так как ориентация электро-нов разная, то и возникающий механический угловой (вращательный) момент (вследствие действия силы Ло­ренца на центры инерции частиц) имеет противополож­ные направления. При этом собственный механический момент (спин) электрона обусловливает возникновение магнитного момента. Вектор магнитного момента элек­трона антипараллелен вектору его собственного момента количества движения (спина). Причиной противополож­ных направлений моментов является отрицательный знак электрического заряда электрона. Следовательно, накладываемое магнитное поле притягивает один пучок, а другой пучок (другую составляющую исходного пучка) соответственно отталкивает с той же силой вследствие взаимодействия внешнего поля с магнитными полями электронов.

Для выявления свойств электрона дадим пояснение термина «магнитный момент». Из классической физики известно [68], что если ток идет по проводнику, замкну­тому в кольцо, то возникающее магнитное поле анало­гично соответствующему полю небольшого магнита, что то же — магнитного диполя. Величина магнитного мо-

мента такого замкнутого плоского контура с током равна току, умноженному на площадь, охватываемую этим контуром. Направление магнитного момента указывается по нормали к плоскости контура (кольца) так, чтобы из конца вектора ток оказался протекающим против часо­вой стрелки. Электроны и другие элементарные частицы, многие ядра, а также многочисленные атомы и ионы ведут себя как магнитные диполи. Величиной, характе­ризующей магнитный диполь, является магнитный мо­мент. Это число характеризует отклик частицы на внеш­нее магнитное поле. Исходя из представлений фракталь­ной физики (см. п. 3.3), магнитное поле частицы возни­кает вследствие поляризации структуры пространства движущимся электроном. При этом момент количества движения (употребляются также названия вращатель­ный или угловой момент) электрона есть произведение радиус-вектора вращения частицы на вектор ее коли­чества движения.

Связь в системе СИ между магнитным моментом т, связанным с движением электронов в неоднородном магнитном поле, и собственным угловым (вращательным) моментом s электрона определяется с помощью гиромагнитного отношения γ, которое выра­жает отношение величины магнитного момента к меха­ническому:

m = - γħ s / ħ = - 2eħ s/ (m_e ħ) (4.14)

 

 

где m_е — масса электрона; - е — электрический заряд электрона; ħ = h/2 — постоянная Планка. Единица, в которой выражена величина ħ, имеет размерность энергии, умноженной на время, что соответствует раз­мерности момента количества движения. Величина с такой размерностью называется действием и постоян­ную Планка называют также элементарным квантом действия (см. п. 1.4). Для электрона, движущегося в не­однородном магнитном поле, в системе СИ значение = -2е/m_e = 3,518 • 10¹¹ А • с • кг^-1.

 

 

Для доказательства используем известные соотноше­ния для движения твердого тела, хотя уже знаем (см. п. 4.1), что субатомные частицы не точки и не твердые по­лушарики, их следует рассматривать как электромагнит­ные волновые сгустки, несущие электрический заряд. Поэтому момент количества движения электрона, вра­щающегося с мгновенной угловой скоростью со (радианы в секунду) вокруг оси, проходящей через центр инерции электрона (центр расположен на оси симметрии на рас­стоянии 3/8 радиуса r полушара), равен I , где I — мо­мент инерции, равный сумме произведений масс частиц тела на квадраты их расстояний до данной оси враще­ния. Тогда момент количества движения электрона за­пишем в виде:

(4.15)

где коэффициент 2 в знаменателе обусловлен точеч-ностью исследуемого объекта, к которому приложена сила в точке с радиус-вектором.

Так как заряд -еэлектрона имеет те же формы, что и масса m_e, то вызываемое аналогичное движение заряда электрона обусловливает возникновение магнитного мо­мента. Поэтому, в соответствии с (4.14) и (4.15), магнит­ный момент электрона m представим как:

m = - I _e • = - 0,26er² = - 2e s /m_е. (4.16)

Итак, убеждаемся в том, что полученное соотношение (4.16) равно (4.14).

На рис. 4.5в дано поясняющее представление формы электрона и его проекций на координатные плоскости: (1/2; 1/2; 1). Так как эксперименты по выявлению свойств электрона позволяют предположить возмож­ность квантования момента количества движения в еди­ницах h и соответственно записать собственный момент количества движения (спина) электрона как:

(4.17)

В (4.17) квантовое число под корнем 1/2(1/2 + 1) представляет собой связь проекций формы электрона, выражающая объем частицы (локальную фрактальную размерность) и, следовательно, определяет энергию взаимодействия частицы с внешним полем. Это обусло­вило для определения собственного момента количества движения электрона введение квадратного корня.

Спиновый магнитный момент в соответствии с (4.14) и (4.17) запишем в виде:

(4.18)

Однако специалисты в области ядерной физики, как правило, используют величину максимального значения составляющей магнитного момента частиц на направле­ние поля z. Это направление поля z характеризует плоскость, проекцией частицы на которую является по­лукруг. Исходя из этого положения и соотношения (4.17), проекция собственного момента количества движения на направление поля z:

(s)_z = 1/2 ħ. (4.19)

Тогда в соответствии с экспериментом Штерна -Герлаха (описан в этом параграфе, см. выше) и соотно­шением (4.18) магнитный момент электрона на направ­ление поля z равен:

(4.20)

Коэффициент 1/2 в соотношении (4.19) называют квантовым числом спинового момента электрона. Уста­новление формы электрона в виде полушара (см. пп. 2.2, 2.8, 4.1) показывает корректное понимание величины 1/2 спина электрона, как представление проекции электрона на плоскости в виде половины круга. Поясним, что раз­мерности проекций форм электрона и фотона определя­ют спины этих частиц, их следует понимать также в то­пологическом смысле, как число оборотов кривой вокруг своего центра вращения. Это число называется поряд-

 

ком кривой. Проекция фотона в форме восьмерки со­вершает вокруг своего центра один оборот, поэтому по­рядок имеет 1. В случае электрона порядок кривой со­ставляет 1/2, ибо совершает вокруг своего центра только пол-оборота (см. таблицу физических объектов п. 2.8). Поэтому значение ±1/2 есть значения квантового числа, характеризующего проекции движущихся электронов на направление магнитного поля, что можно увидеть из рис. 4.5 б. Такое объяснение квантового числа спинового мо­мента электрона также приводит к пересмотру абстракт­ного принципа Паули [54, 67].

Согласно принципу Паули в любом атоме в основном (невозбужденном) состоянии могут находиться только два электрона с противоположными спинами. Теперь принцип Паули можно сформулировать с позиции фрактальной физики, придав абстрактному представле­нию физическую сущность. Из фрактальной модели атома водорода (см. п. 4.2), показанной на рис. 4.4, из­вестно [2], что электрон, имеющий отрицательный заряд, занимает определенное энергетическое положение, оп­ределяемое как притяжением глобальным зарядом про­тона q = +1, так и отталкиванием электрона, вызывае­мым локальным зарядом (кварком) протона (-1/3). Для обеспечения устойчивого энергетического положения протон водорода вращается вокруг центральной оси. Это вращение не позволяет происходить процессу захвата электрона положительными зарядами (кварками) прото­на. Тогда в основном состоянии (в отсутствии внешних возбуждений) в любом атоме вследствие действия кулоновских сил отталкивания, вызванных как действием отрицательных зарядов (кварков) нейтронной оболочки вращающегося ядра, так и взаимным влиянием электронов, два электрона располагаются в пространстве своими «основаниями» за счет притяжения глобального поло­жительного заряда ядра так, что ориентация их формы оказывается противоположной. Следует заметить, вра­щение (спин) ядра вызывает собственный магнитный

момент, который также влияет на энергетическое поло­жение электронной пары, ибо она (пара электронов) обладает спиновым магнитным моментом. Фрактальное представление этого свойства атома изображено на рис. 4.6.

 

 

 

Рис. 4.6. Расположение двух электронов в основном состоянии атома

Коэффициент 1 в соотношении (4.20) называют квантовым числом магнитного момента электрона, которое характеризует отклик частицы на внешнее магнит­ное поле. На основании изложенного можем сделать вывод, что квантовое число 1 есть значение проекции формы кванта электромагнитного поля, которое возни­кает вследствие поляризации структуры пространства движущейся частицей. Объяснение спина кванта элек­тромагнитного поля — фотона представлено также в п. 4.1. Различие спинов фотона и электрона вызывается различием их форм, показанных на рис. 4.1. Поэтому возникающее магнитное поле движущегося электрона в форме замкнутых силовых линий характеризуется целым квантовым числом и пропорционально элемен­тарному кванту действия ħ — постоянной Планка. Магнитный момент электрона в системе СИ выража­ется атомной единицей β_е = — e ħ /m_e, величина кото­рой равна β_е = 1,855 • 10 ^-23 А • м².

Нынешняя физика использует другую несуществую­щую в природе связь — между магнитным моментом, связанным с вращением электронов по орбите, и орби-

 

 

тальным моментом электрона — с помощью магнетона Бора [68]. Однако при изучении всех элементов перио­дической таблицы (см. пп. 4.2, 4.4) установлено, что электроны не обращаются вокруг ядра, а занимают оп­ределенное энергетическое положение. Поэтому нынеш­няя физика использует неверное представление магнит­ного момента; чтобы связать это с экспериментом, она использует чистую спекуляцию [66]: «Этот факт учиты­вается, когда говорят, что необходимо ввести фактор 2 (называемый g-фактором для спина). Такой g-фактор 2 для спина электрона необходимо ввести в соответствии с теорией относительности».

Исходя из рис. 4.1, спин имеется у протона, причем квантовое число спина s = 1/2. Направление магнитного момента протона совпадает с направлением спина. С учетом строения протона и в соответствии с (4.18) запи­шем магнитный момент протона в виде:

 

Тогда магнитный момент протона в направлении поля z можно записать как:

 

 

где еħ/m_р — ядерный магнетон, который обозначили как β_я. Ядерный магнетон в системе СИ β_я = 1,010 ^. 10^-26 А • м² дается тем же соотношением (4.20) при подста­новке в него значения массы протона m_p. Так как маг­нитный момент протона по величине примерно в 658 раз меньше магнитного момента электрона, то его влияние чрезвычайно мало.

Квантовое число спина нейтрона также s = 1/2. На­правление магнитного момента противоположно на­правлению спина. В соответствии с (4.22) магнитный мо­мент нейтрона на направление поля z представим как:

(4.23)

Мы уже знаем (см. п. 4.1), что нынешняя физика не в состоянии объяснить структуру субатомных частиц и построить точную количественную теорию магнитных моментов нуклонов, так как магнитные моменты протона и нейтрона определяются структурной формой кварков. Структурное представление противоречит вероятност­ным формам изображения материи. Для определения магнитных моментов частиц сначала обратим внимание на вычисление локальных фрактальных размерностей упорядоченных пар зарядов (кварков) для протона и нейтрона (см. п. 2.2).

Локальная фрактальная размерность для протона со­ставляет D_Lp = 10 + 2π/3 = 12,0944, а для нейтрона — d_Ln = 10 — π/4 = 9,2146. Эти результаты связаны с гео­метрией нуклонов.

Кварк протона зарядом (-1/3) (см. рис. 4.1) представ­ляет собой тончайший слой, разделяющий частицу на две равные части — кварки зарядом (+ 2/3). Поэтому при вычислении локальной размерности протона опре­делено слагаемое 2 /3 с учетом особенности этого слоя, мера которого на основании формулы среднего значения [36, 37] есть произведение 2 — длины кривой (окружности), ограничивающей этот слой, — на значе­ние заряда 1/3.

Два кварка нейтрона зарядом (-1/3) имеют форму сферического двуугольника со значением внутреннего угла π/4. Поэтому при определении размерности ней­трона это значение угла также учтено как отрицательное значение квазиобъема (см. п. 2.2 и [40]).

Размерность протона и нейтрона определялась с уче­том свойства аддитивности меры. Значение 10 выявлено [34] как произведение линейных размерностей про­странств пары кварков, для каждого из которых размер­ность (число координат) Е = 3. Пара кварков имеет об­щую прямую размерностью Е = 1.

 

 

Величина магнитного момента протона определена с помощью следующего соотношения:

М_р = Г(1/3) + 2Г(2/3)/(2 • 12,0944) = Г(1/3) +
Г(2/3)/12,0944 = 2,79. (4.24)

Величина магнитного момента нейтрона определяется как:

М_n = Г(2/3) + 2Г(1/3)/9,2146 = 1,93. (4.25)

Выражение для значения магнитного момента элек­трона запишем в виде:

М_е = Г(1) + 0 = 1,00. (4.26)

Заметим, что соотношения (4.24), (4.25) и (4.26) есть соответственно выражения (4.4), (4.5) и (4.6). Повторение этих выражений сделано с целью дальнейшего разъяс­нения свойств субатомных частиц.

Магнитный момент нейтрона М_n и магнитный момент протона М_р выражены в новых ядерных магнетонах β_я. Магнитный момент электрона М_е выражен в новой атомной единице магнитного момента β_е. Г(z) — гамма-функция [34], которая выявлена при описании взаимо­действия двух электронов (см. пп. 2.2, 4.1). В (4.24) и (4,25) ее значения Г(1/3) = 2,6789, Г(2/3) = 1,3541 [62]. Заметим, что при вычислении магнитного момента про­тона в (4.24) перед размерностью частицы 12,0944 стоял множитель 2 из-за наличия дельта - функции, вызывае­мой особенностью тончайшего слоя протона. Однако этот множитель сокращен с таким же множителем в числителе выражения (4.24) магнитного момента прото­на. Множитель 2 числителя (4.24) определял число кварков зарядом (+ 2/3). Второй член магнитных мо­ментов (4.24) и (4.25) определен, исходя из фрактального (неклассического) представления производной (4.2), где изменяющаяся функция зарядов делится на локальную фрактальную размерность (квазиобъем) этих зарядов. В соотношении (4.26) изменение функции равно нулю, ибо,

как установлено экспериментально (см. п. 3.3), электрон является фундаментальной частицей и не имеет состав­ляющих заряда.

Значения (1,00; 1,93; 2,79) магнитных моментов частиц совпадают с экспериментальными данными с точностью «вакуумных» добавок, определяющих влияние структуры пространства. Автор предполагает, что измерения маг­нитного момента нейтрона, равным представляемой ве­личине 1,91, неточны. Р. Фейнман в своих работах [14] указывал практическое значение магнитного момента нейтрона, равным величине 1,93. Такое расхождение в значении магнитного момента является следствием не­стабильности нейтрона, так как в свободном состоянии данная частица примерно за 15 минут превращается в протон с испусканием электрона [63].

Экспериментальная работа [15] Тейлора, Кендалла и Фридмана (нобелевские лауреаты 1990 г.) подтверждает составную модель нуклонов, хотя формы и положения этих составляющих не описаны. Эти составляющие при­няты за кварки. Эта работа также указала, что структура нейтрона отличается от протона.

На основании рассмотренных магнитных моментов субатомных частиц и строения атома становится понят­ным приобретение телами магнитных свойств. Вещества по своей способности намагничивания подразделяются на три основные группы — диамагнетики, парамагне­тики и ферромагнетики. Способность намагничивания определяется результирующим магнитным моментом атомов (молекул) вещества, что в конечном счете при­водит к ослаблению внешнего магнитного поля в диа-магнетиках и к усилению его в парамагнетиках и фер-ромагнетиках, причем намагниченность ферромагнети­ков сохраняется при исчезновении магнитного поля в силу упорядоченности их структуры.

Теперь вкратце еще раз рассмотрим фрактальную структуру фотона (см. п. 4.1 и рис. 4.1) и его спин. Уста-

 

 

новленная форма фотона в виде объемной восьмерки подтверждается как геометрическими представлениями, так и следующими экспериментами.

Во-первых, для сравнения со спином субатомных частиц заметим, что установленная форма фотона по­казывает корректное понимание целочисленной величи­ны 1 как квантового числа спинового момента частицы света, ибо проекция фотона на плоскости есть целый круг вследствие эквивалентности восьмерки и круга. Вот почему размерность вращающейся частицы следует так­же представлять как масштабный коэффициент такого движения, или локальную плотность момента количества движения, что в конечном счете и определяет спин (момент количества движения) частицы (см. п. 2.8).

Во-вторых, фотоны, обладающие соответствующей энергией, взаимодействуя с атомным полем, превраща­ются в электронные и позитронные пары и следы их движения могут быть наблюдаемы. Вспомнив закон со­хранения электрического заряда, приходим к выводу, что составляющие фотона противоположно заряжены, хотя сам фотон в целом электронейтрален.

Установление фрактальной структуры фотона ведет к изменению представлений об электрической природе, где носителем электромагнитного взаимодействия явля­ется электронейтральный фотон (квант), составляющие которого при этом противоположно заряжены. Это по­зволяет раскрыть природу электрической проводимости, что показано в п. 4.1. При этом фотоны являются как инициаторами возбуждения электронов атома, так и энергетическими носителями этого возбуждения. Элек­троны в проводнике не перемещаются, а остаются свя­занными со своими атомами. Знаем (см. ранее п. 4.2), что возникновение фотона обусловлено взаимодейст­вием возбужденных электронов с вихревой структурой пространства атома. Фотон «набегает» на электрон, воз -никающее в результате сложное движение можно

представить как процесс образования солитонов, несу­щих в данном случае отрицательный (для р-полупроводников положительный) электрический заряд. Такая модель проводимости применена для описания явления сверхпроводимости (см. п. 6.1), в результате чего стало возможным синтезировать очень высокотемпера­турные сверхпроводящие соединения с критической температурой 373 К и выше [16].

Следовательно, такие экспериментальные результаты подтверждают правомерность фрактального, структур­ного представления материи, в основе которой лежит электрический заряд, но не масса. В то же время пред­ставляемые нынешней физикой законы природы оказа­лись ошибочными. Такие неверные отражения реальной действительности мира являются общими, к примеру, не только для ядерной физики или физики космоса, но и химии, геологии, биологии, кибернетики, экономики. Поэтому нынешняя физика приказала долго работать и создать новую жизнь на этой взорванной Земле.