Элементарная электрически заряженная частица: физическая сущность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Элементарная электрически заряженная частица: физическая сущность

Л.М. Цапурин

Электрон - так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна…»

В.И. Ленин. Материализм и эмпириокритицизм.

К настоящему времени в физической науке имеется несколько разделов, неопределённость знаний в которых препятствует дальнейшему продвижению фундаментальной науки и практических её приложений. Одним из таких направлений является выяснение структуры элементарных частиц вещества, понимание сущности электрического заряда.

Вызвано это тем, что абстрактная математизация физических процессов в микромире достигла критического качества, а возведение в догму принципов дополнительности и неопределенности в физике микромира привело фактически к запрету более глубокого познания окружающего мира. Мы исходим из другого принципа, и следует разорвать эти оковы, пытливый ум человека способен заглянуть во все секретные щели природы. Предлагаемая работа делает маленькую попытку в этом направлении

Первые исследователи электрических явлений ввели в научный обиход понятие электрического заряда, как меры взаимодействия электрически заряженных тел. Затем стало ясно, что фактически взаимодействуют электрические поля, создаваемые в окружающем пространстве некими элементарными устойчивыми во времени электромагнитными образованиями, которые определили как элементарные частицы вещества. Физическая сущность, структура элементарных частиц остаётся одной из самых сокровенных тайн природы. На протяжении длительного времени учёные пытаются проникнуть в эту сокровенную тайну, но безуспешно. Сакральными остаются ответы на вопросы: почему электрический заряд элементарных частиц является кратным единице, почему электрический заряд образует в пространстве сферическое статическое электрическое поле, почему электрические заряды противоположных знаков имеют противоположно-направленные электрические поля, почему электрическая заряженная элементарная частица является образованием, непрерывно излучающим электромагнитное поле. Что физики подразумевается под определением электрический заряд? В теоретической литературе об электрических явлениях авторы, как правило, уходят от прямого ответа на этот вопрос.

Вот немногие определения и высказывания известных специалистов по этой теме:

Большая Советская Энциклопедия: «Электрический заряд, источник электромагнитного поля, связанный с материальным носителем; внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая её электромагнитные взаимодействия».

Калашников С.Г. в книге «Электричество» Изд. «Наука» М. 1977 г., стр.19.

«В настоящее время твёрдо установлено, что электрические заряды в природе существуют в виде заряженных частиц …»

Спиридонов О.П. «Фундаментальные физические постоянные». Высшая школа, 1991 г., стр. 19.

«Свойство материи организовываться в обладающие электрическим зарядом частицы (электроны, протоны и т.д.) является одним из наиболее интимных свойств природы, не раскрытых ещё до конца современной физикой. Это одна из грандиозных задач науки».

Стр. 94 «… электрический заряд следует рассматривать как количественную меру этой способности (электромагнитному взаимодействию).

Бертран Рассел «Азбука атомов».

«Когда я говорю, что электричество обладает определённым количеством отрицательного заряда, то я подразумеваю под этим только, что электрон ведёт себя определённым образом. Заряд- это не красная краска или некое вещество, которое можно нанести на электрон и снова смыть с него. Он просто выражает определённый физический закон».

Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. «Силы в природе». Изд. «Наука», М.,1978 г.

«Зарядом мы называем, в сущности, не механизм в частице, а способность её взаимодействовать с другими частицами определённым образом». Стр. 105.

«Невозможность существования заряда, меньшего определённого количества, - самый, пожалуй, непонятный факт во всём, что касается природы и сущности электрического заряда». Стр.106.

Следует признать, что всё процитированное не раскрывает сути поставленного вопроса, а наводит ещё больше тумана своей неопределённостью. Но всё-таки, из приведённых выше цитат, можно заключить следующее, что под электрическим зарядом понимается всего лишь свойство определённого электромагнитного образования создавать в окружающем пространстве электрическую напряженность, которая в соответствии с теоремой Остроградского - Гаусса в математическом виде определяется формулой.

(1)

где g - величина электрического заряда;

- напряжённость электрического поля;

- расстояние от источника электрического поля до точки измерения напряжённости электрического поля.

- абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума - 8,85

Тогда для элементарного электрического заряда, можно записать

(2)

где; - условный радиус элементарной частицы, источника элементарного электрического заряда;

4 - площадь сферы, заключающей объём элементарной частицы.

- напряжённость электрического поля на поверхности условной сферы.

Из формулы 2 можно заключить, что под электрическим зарядом в действительности нужно понимать количественную меру электрического поля, заключённого в определённой области пространства, например, М. Фарадей называл это количеством электричества.

Величина элементарного электрического заряда по результатам экспериментальных данных равна - 1, 60219 кулона, именно такая мера электрического поля, заключёна в объёме 9,97. Известно, элементарные частицы вещества имеют, как правило, электрический заряд кратный элементарному электрическому заряду, если это так, то в микромире это должно соответствовать зависимости и , изображённой на графике рис.1.

Рис. 1. График зависимости электрического напряжения, создаваемого элементарной электрически заряженной частицей и её условным радиусом.

График на рис.1 позволяет сделать вывод: для того, что бы элементарная частица сохраняла элементарный электрический заряд в пространстве необходимо соблюдение зависимости (2). Уместно предположить, что природа наложила какие-то запреты на взаимное изменение величин и , что и обеспечивает постоянство этого произведения.

Известно, что носителями как положительного, так и отрицательного элементарных зарядов являются элементарные частицы вещества электрон, позитрон, протон и т.д. Существует ошибочное мнение, что и электрический заряд имеет какой-то зримый образ, который мешает понять физическую сущность элементарной частицы и вещества вообще. В дальнейших своих изысканиях мы будем исходить только из того, что электрический заряд это совокупность электрических полей в некотором объёме пространства. Поэтому когда мы вводим понятие электрического тока, как движения электрических зарядов фактически мы имеем в виду изменение во времени, в точке измерения, величин и направлений напряжений электрических полей.

Из теории электромагнетизма мы знаем, что электрический ток может быть образован не только движением носителей электрических полей - элементарных электрически заряженных частиц, но и просто изменением напряжений электрических полей (ток смещения). Поэтому следует признать, что первичным в явлениях электричества являются объективно существующие электрические поля, которые имеют замечательное свойство двигаться в пространстве (эфире) со скоростью света и длительное время, взаимодействуя с магнитным полем возрождать себя и сохранять свои свойства.

Неослабевающий интерес к внутренней структуре элементарных частиц вещества заставляет учёных строить мысленно зримые образы частиц, а так же производить весьма затратные и оригинальные эксперименты и это оправданно, ведь если не понять физическую сущность элементарных частиц вещества, значит остановиться в познании окружающего мира.

Так многочисленные опыты по рассеянию электронов с энергией до 550 Мэв на протонах и нейтронах, проведённые в Стэнфорде (США), позволили определить примерный вид распределения заряда в протоне и электрический радиус протона. Этот радиус оказался равным 0,77, Рис.2. Аналогичные опыты проведены и с нейтроном Рис.3

Рис.2. Распределение заряда в протоне.

Рис.3. Распределение заряда в нейтроне

Таким образом, уже на основании этих экспериментальных данных, а они признаны достоверными, можно утверждать, что элементарные частицы не являются точечными объектами и имеют сложную внутреннюю структуру, а электрический заряд не является каким-то ограниченным объёмным объектом, а распределён в пространстве по определённому закону.

Создавая теорию о структуре элементарной частицы необходимо учитывать достоверные результаты физических экспериментов с элементарными частицами, ведь это подсказки природы. Вот некоторые общепризнанные факты: электрический заряд частица напряжение

- элементарные частицы носители, так называемого, электрического заряда образуют в окружающем пространстве электрические поля, которые характеризуются соответствующим вектором направленности.

- электрически заряженные частицы взаимодействуют между собой, одинаково заряженные отталкиваются, противоположно заряженные притягиваются. Сила притяжения (отталкивания) электрических зарядов определяется законом Кулона:

(3)

где; - электрический заряд частиц, взаимодействующих между собой.

- числовой коэффициент, зависящий от системы единиц.

- расстояние между взаимодействующими зарядами.

- электрически нейтральные элементарные частицы в своей внутренней структуре имеют противоположно направленные электрические поля.

- элементарные частицы способны превращаться при определённых условиях в другие при этом выполняются законы сохранения заряда и барионов.

- имеют сложную внутреннюю структуру, вихревой характер движения электромагнитного поля, наличие внутреннего замкнутого электрического тока, что подтверждается наличием магнитного и механического моментов.

- ориентируются определённым образом в сильных магнитных полях.

- имеют массу, то есть обладают внутренней энергией;

- при движении в камерах для визуального исследования, создают видимые треки, что свидетельствует об ограниченных объёмных размерах.

- при прохождении через дифракционную решётку образуют на экране дифракционную картину, что свидетельствует о волновом характере этих образований.

На сегодня существует уже несколько теорий, авторами которых сделаны попытки создать зримые образы элементарных частиц, но все они несут неопределённость, строятся на предположениях, не имеют прочного физического фундамента. Ограничимся двумя примерами.

Заслуживает внимания работа Канарёва Ф.М. «Начала физхимии микромира» (1), в которой автор представил фотон, электрон и протон в виде шестигранного тора, образованного электромагнитными полями. Как поясняет автор, электромагнитная структура такого образования состоит из 6-ти частей, замкнутых друг с другом по кругу, в виде радиальных стержневых магнитов. Автор не поясняет, как образуются сферические электромагнитные поля в пространстве, окружающем заряженную частицу.

Одна из привлекательных теорий изложена в работе (2), где предложено строение электрона, как кольцевого тока смещения. Кольцевой ток смещения представлен авторами как движение неких электрических связанных «зарядов» вакуума. Утверждается, что кольцевой ток смещения от разрыва удерживается пондеромоторными силами индукции, возникающими в кольце переменного электрического тока, так как он движется по окружности и на него действует центростремительное ускорение. Здесь вновь для того чтобы объяснить структуру электрона авторы вводят новое понятие связанные «заряды», физическая сущность которых не объяснена, не ясно и как образуется ток смещения.

Признанный авторитет в вопросах теории электричества академик И.Е. Тамм (2) писал: «ток смещения в вакууме - соответствует лишь изменению напряжённости электрического поля и никаким движением электрических зарядов или каких-либо других частиц вещества не сопровождается».

Плотность электрического тока смещения описывается формулой:

(4)

где - вектор электрической индукции.

Для вакуума, = поэтому можно записать

(5)

где - скорость изменения напряжённости электрического поля в вакууме.

Изыскания о физической сущности, структуре элементарной частицы, её электрическом заряде на основе признания циркуляции в ней пространственно распределённых электрических токов смещения требуют использования только достоверных знаний об электромагнитных полях.

Учитывая экспериментально установленные электрические, объёмные и динамические характеристики элементарных электрически заряженных частиц можно попытаться создать зримый образ такой частицы без привлечения «стержневых магнитов», «связанных зарядов» и других экзотических химер. Мы считаем, что элементарная электрически заряженная частица представляет собой кольцевую поляризованную электромагнитную волну, двигающуюся в пространстве по сложной криволинейной траектории. Такие волны науке известны.

Во-первых, поскольку элементарная частица обладает магнитным моментом, следует согласиться, что в пространстве некоторого ограниченного объёма существует замкнутый электрический ток смещения. Классическим примером тока смещения является электрический ток между пластинами конденсатора в вакууме. При этом в пространстве между пластинами конденсатора возникает переменное электрическое поле, то есть при этом направление тока совпадает с направлением вектора .

Во-вторых, логично предположить наличие в элементарной электрически заряженной частице переменного электрического напряжения и сопутствующему ему магнитного напряжения, то есть переменного электромагнитного поля в соответствии с уравнениями Максвелла. Как известно, переменное электромагнитное поле имеет свойство распространения в пространстве, то есть движения с некоторой скоростью. Одним из случаев движения электромагнитного поля в пространстве является электромагнитная волна (ЭМГ). Следует признать, что физическая сущность ЭМГ волн и явлений, исследованы наукой на сегодня недостаточно.

Основными характеристиками плоской ЭМГ волны являются последовательно изменяющиеся по величине и направлению векторы электрической и магнитной напряжённости. Можно предположить, что эти изменения носят синусоидальный характер, и математически описываются как.

(6)

(7)

где: - величина составляющей электрического напряжения;

- величина магнитного напряжения

- угловая частота ();

длина волны;

- амплитуды электрического и магнитного напряжений.

- координата по оси Х;

время колебаний от начала оси координат.

На рис.4 приведена диаграмма синусоидальных колебаний величин электрического и магнитного напряжений в ЭМГ волне.

Рис.4. Диаграмма электрических и магнитных напряжений ЭМГ волны.

Рис.5. Свободное распространение в плоской ЭМГ волне - ток смещения.

ЭМГ волна является переносчиком в направлении своего движения энергии и импульса, но не создаёт в направлении своего движения электрический ток смещения, что показано на рис.5.

Кроме того, известно свойство ЭМГ волны при определённых условиях производить поляризацию векторов и в зависимости от различных факторов, например от пройденного расстояния или направления магнитного поля от внешнего источника. Существование таких ЭМГ волн было предсказано в 1899 году А.А. Садовским. Он показал, что ЭМГ волны, если они поляризованы по кругу, должны обладать ещё и моментом количества движения, т.е. по механическим свойствам электромагнитные волны могут быть, в известной степени, подобны вращающимся телам. Это явление было действительно обнаружено на волнах света и на радиоволнах сантиметрового диапазона, то есть доказано фактическое существование подобных ЭМГ волн.

На рис.6 показана схема круговой поляризации векторов электрического и магнитного напряжений в ЭМГ волне. Величина векторов и произвольная, угловую скорость поворота векторов относительно осей X и Y примем равной (далее мы будем называть её угловой скоростью поляризации).

(8)

где - длина волны;

- скорость движения волны в пространстве.



Рис.6. Схема круговой поляризации векторов электрического и магнитного напряжений в ЭМГ волне.

Из рис.6 видно, что при условии 8 поляризации ЭМГ волны векторы электрического и магнитного напряжений сохраняют своё направление с периодом = относительно осей координат. В нашем случае с правой стороны по направлению движения ЭМГ волны электрическое поле направлено к центру волны, а с левой от центра. Легко видеть, что, если такая ЭМГ волна начнёт при движении искривлять свою траекторию в плоскости , например в правую сторону, и далее образует кольцо, то в пространстве получим объемное электромагнитное образование с так называемым электрическим зарядом.

Такая прямолинейно двигающаяся ЭМГ волна так же не имеет электрического тока смещения вдоль своей траектории.

Чтобы поляризованная ЭМГ волна стала причиной появления электрического тока смещения с вектором, направленным, вдоль траектории движения, она должна двигаться по винтовой траектории. Электрический ток смещения при этом будет возникать вследствие того, что вектор магнитного напряжения будет двигаться по кривой с некоторым радиусом.

Поляризованная ЭМГ волна с траекторией в виде винтовой линии изображена на рис. 7.

Рис.7. Схема поляризованной ЭМГ с траекторией в виде винтовой линии.

С целью большей наглядности представим, что траектория волны в виде винтовой линии располагается на цилиндрической поверхности радиуса . Траектория ЭМГ может искривляться и превращаться в винтовую линию под действием сильных электромагнитных полей, которые всегда присутствуют в окружающем пространстве по этой же причине поляризоваться. Величины векторов и выбраны произвольно. Из представленной схемы видно, что в такой ЭМГ действует вектор магнитной напряжённости, направленный по касательной к окружности, расположенной в плоскости перпендикулярной к направлению движения ЭМГ, что и является причиной появления тока смещения вдоль направления движения, в соответствии с законами Максвелла. Радиус кривизны траектории условно принимаем равным

(9)

где; - напряжённость магнитного поля по окружности в плоскости векторов электрического и магнитного напряжений;

- полная сила тока смещения, проходящего через сечение площадью круга радиуса

- длина окружности с радиусом .

Из теории электричества известен закон непрерывности тока, который требует образования непрерывного кольца электрического тока. Поэтому, как только в пространстве возникла поляризованная ЭМГ с искривлённой траекторией, неизбежно вместе с этим будет образовано кольцо электрического тока в пространстве, тока смещения.

Учитывая, известные экспериментальные данные по элементарным частицам можно предположить, что внутренняя структура элементарной электрически заряженной частицы представляет собой именно замкнутую кольцевую ЭМГ волну с винтовой траекторией движения, которая и образует кольцевой ток смещения. Схема замкнутой кольцевой ЭМГ волны изображена на рис.8.



Рис. 8. Схема электрических и магнитных напряжений в поляризованной электромагнитной волне, движущейся по замкнутой винтовой линии в пространстве.

Такое электромагнитное образование можно представить в виде воображаемой геометрической фигуры - тор. На схеме условно красной линией показана траектория движения плоской ЭМГ волны, которая представляет собой винтовую линию на поверхности воображаемого тора. Условно примем радиус тора равным , а радиус окружности, по которой проходит траектория ЭМГ волны . Обозначим угловую скорость ЭМГ волны вокруг воображаемого центра вращения с радиусом , а - угловую скорость поляризации ЭМГ волны вокруг траектории (угловую скорость поворота векторов электрического и магнитного напряжения, направленную условно по часовой стрелке). При этом для того, чтобы вектор электрического напряжения был направлен от центра вращения (положительно заряженная частица), необходимо соблюдение условия.

(10)

где - период обращения ЭМГ волны вокруг центра воображаемого тора (сек).

- угловая скорость движения кольцевой, поляризованной ЭМГ волны .

- угловая скорость поляризации векторов электрического и магнитного напряжений.

Отметим, что вектор в такой волне в зависимости от вида поляризации имеет составляющую всегда направленную от центра частицы или к центру, что определяет знак электрического заряда частицы. А вектор имеет одинаковое направление в точках максимума и , но смещён относительно центра тора, что создаёт определённую ориентацию вектора магнитного момента электрически заряженных частиц в сильных магнитных полях.

Определим примерные динамические характеристики такой частицы, для этого выполним развёртку условного тора рис.4. При этом принимаем скорость движения волны по винтовой траектории равной скорости света . Для того, что бы выполнялись ранее заданные условия выражением 9 для кольцевой ЭМГ волны необходимо, что бы при одном обороте ЭМГ волны вдоль поверхности тора укладывалась ровно длина этой волны .



Рис.9. Развёртка тора и траектория ЭМГ волны.

Длина траектории кольцевой винтовой волны будет равна

(11)

Частота колебаний такой волны будет

(12)

для случая ; радиус электрона, получим

период колебаний волны:

(13)

Тогда скорость по окружности тора радиуса будет

(14)

а скорость по окружности радиуса будет

(15)

Выполнение условия (8) позволяет сохранять направление векторови от воображаемого центра электромагнитного образования только наружу или вовнутрь. Как показано на рис. 8 в точках и значения электрической и магнитной напряжённости достигают максимальных значений, а в точках и обращаются в нуль. Это говорит о том, что величина электрической напряжённости в пространстве, окружающем электрически заряженную элементарную частицу, должна быть величиной переменной, но эти изменения уловить современными приборами практически невозможно по причине очень высокой угловой скорости и через приборы мы её воспринимаем как сферическое статическое электрическое поле.

Найдём некоторые электродинамические характеристики такого электромагнитного образования.

Как уже указывалось, характер электрического поля в пространстве будет

(16)

Так как величина sin изменяется от 0 до 1, то далее в расчётах будем оперировать средним значение электрической напряжённости, за один период обращения ЭМГ волны среднее значение электрической напряжённости составит:

а в соответствии с (1) будет:

(17)

где - величина элементарного электрического заряда.

В связи с тем, что величина элементарного электрического заряда в элементарных частицах странно и неизменно сохраняет свою величину и равна [] = 1,6021, запишем (16) в виде

(18)

Из выражения 18 следует, что постоянство произведения и обеспечивает неизменность величины электрического заряда элементарной электрически заряженной частицы.

Учитывая, что в ЭМГ волне имеет место соотношение между величиной электрического напряжения и величиной магнитного напряжения

(19)

где - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума - 8,85;

- электрическая проницаемость для вакуума = 1,

- абсолютная магнитная проницаемость вакуума равная - 4;

- магнитная проницаемость для вакуума = 1.

Учитывая выражение 9 и 19, найдём величину тока смещения, который действует по окружности радиуса

(20)

а с учётом 18 получим:

(21)

подставим в 21 численные значения и , получим

(22)

Анализируя выражения 2, 18, 21 и 22 можно сделать вывод, что причиной постоянства величины заряда в электрически заряженных частицах является сохранение постоянной величины кольцевого тока смещения. Это происходит следующим образом. Например, возрастает величина электрического напряжения в ЭМГ волне, соответственно возрастёт магнитная напряжённость, что с учётом соотношения 21 приведёт к увеличению силы тока смещения, а это в свою очередь приведёт к пропорциональному уменьшению величины . Уменьшение величины для сохранения соотношения 18 вызовет соответственное уменьшение электрической напряжённости . Таким образом, автоматически регулируется величина электрического заряда в элементарной частице.

Определим значение магнитного момента создаваемого таким электромагнитным образованием по известной формуле

(23)

где - площадь круга ограниченного траекторией ЭМГ волны

Учитывая 21 и 22, запишем

(24)

Определим поток энергии или интенсивность ЭМГ волны в таком образовании. Примерное значение вектора Умова - Пойнтинга для ЭМГ волны равно

(25)

с учётом 16 получим:

(26)

Учитывая результаты опытов в Стэнфорде, приведённые графики распределения заряда, можно предположить, что протон напоминает электромагнитную структуру, рассмотренную выше, но имеет меньший радиус кольцевой волны. Нейтрон имеет более сложную структуру и выглядит как электрон с вложенным в него протоном.

Фотон не имеет массы покоя, это частица движения, которая содержит элементы вращения. Учитывая, что в реакциях взаимодействия электрона и позитрона, как правило, получаются два фотона, можно предположить, что фотон это поляризованная ЭМГ волна, угловая скорость поляризации которой есть функция пройденного пути или скорости. Образуется эта волна, как результат разрыва и выпрямления кольцевой поляризованной волны электрона и позитрона.

Относительно явлений интерференции и дифракции при прохождении элементарных частиц через дифракционные решётки можно с уверенностью утверждать, электромагнитные образования подобные предложенным выше будут создавать дифракционные картины. Утверждение основано на том, что они излучают в окружающее пространство электромагнитные волны, то есть являются источниками электромагнитного излучения, имеющего волновой характер.

Выводы

1. Электрический заряд - это количественная мера взаимодействия электрических полей в пространстве.

2. Элементарная электрически заряженная частица представляет собой сложное электромагнитное образование в виде кольцевой поляризованной ЭМГ волны с винтообразной траекторией, поэтому при прохождении через дифракционную решётку она будет образовывать на экране дифракционную картину.

3. Электрические и магнитные поля, излучаемые элементарной заряженной частицей, имеют переменный характер с высокой частотой колебаний и по этой причине в экспериментах представляются, как статические (условно их можно считать квазистатические).

4. Положительные и отрицательные заряды элементарные частицы приобретают в результате соответствующей поляризации кольцевой поляризованной ЭМГ волны.

5. Величина заряда в элементарной частице с предложенной электромагнитной структурой выдерживается постоянной путём самонастройки параметров ЭМГ волны, образующей элементарную заряженную частицу.

Литература

1. Большая Советская Энциклопедия.

2. Бертран Рассел. Азбука атома.

3. Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. «Силы в природе» Изд. «Наука», М., 1978г.

4. Калашников С.Г. «Электричество» Изд. «Наука», М. 1977 г., стр.19.

5. Канарёв Ф.М. «Начала физхимии микромира»

6. Мисученко И. «Строение электрона». Санкт-Петербург. 2010 г.

7. Тамм И. «Основы теории электричества» М., 1956 г.

Размещено на Allbest.ru