Понятие "электрон"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Понятие "электрон"

Канарёв Ф.М.

Аннотация

До начала XXI века учёные довольствовались лишь понятием электрон, которое сопровождалось несколькими математическими моделями, описывавшими его взаимодействия. Сейчас электрон - родитель фотона и главный носитель электрической энергии описывается более 50-тью математическими моделями, содержащими 23 константы. Представляем последовательное обоснование структуры электрона, следующей из экспериментальных данных и ряда давно известных математических моделей, описывающих его параметры и взаимодействия.

Кольцевая модель электрона. Из теории фотона следует, что формированием структур фотонов всех диапазонов управляет закон сохранения момента импульса. Вполне естественно, что этот же закон должен управлять формированием и других элементарных частиц, в том числе, и электрона. Теоретическая и экспериментальная информация об электроне обширна. Из неё следует, что электрон имеет массу и электрический заряд . Условились считать заряд электрона отрицательным [1].

Так как закон сохранения момента импульса управляет формированием элементарных частиц, то из него следует, что длины волн элементарных частиц, установленные экспериментально, должны равняться радиусам их вращения [1], [2].

(1)

Математическую модель закона сохранения момента импульса или кинетического момента представляет константа Планка в развернутой записи

(2)

которая следует из формул для расчёта энергий фотонов.

(3)

Обратим внимание ещё раз на размерность константы Планка (2). Появление в этой размерности понятия радиан автоматически следует из равенства (1), так как оно указывает на то, что электрон вращается. Давно принято соглашение об упрощении записи . Её записывают так . Мы соглашаемся с таким упрощением и отмечаем, что в классической механике эта размерность соответствует векторной величине и имеет названия: момент количества движения или кинетический момент. В классической физике эту размерность называют момент импульса или угловой момент.

Таким образом, основные элементарные частицы, в том числе и электрон, можно представлять в первом приближении в виде вращающихся колец (рис. 1). Вектор константы Планка направлен вдоль оси вращения кольца так, что если смотреть с его острия, то вращение будет направлено против хода часовой стрелки. Константу Планка в этом случае называют спином [1].

Рис. 1. Схема к определению понятия: кинетический момент кольца

Приведённая информация даёт нам основания представить электрон в первом приближении в виде кольца (рис. 1). Вполне естественно, что сразу же возникает необходимость определения радиуса кольца электрона теоретически и экспериментально. Теоретическая величина радиуса кольца электрона следует из константы локализации элементарных частиц [1].

(4)

Размерность этой константы содержит чёткий физический смысл: с увеличением массы кольца её радиус уменьшается. Это свойственно, как мы уже показали, фотонам. Если же масса постоянна, как у электрона, то и радиус его постоянен. Экспериментальная величина массы электрона равна . Из формулы (4) следует теоретическая величина радиуса электрона

(5)

Итак, теоретическая величина радиуса электрона известна, теперь надо сравнить её с экспериментальной величиной. Поскольку , то имеется возможность сравнить теоретическую величину радиуса (5) с экспериментальной длиной волны электрона, определённой Комптоном. Он использовал рентгеновские фотоны с длиной волны , величина которой близка к теоретической величине радиуса электрона (5) [1]. Это даёт нам основание представить электрон и рентгеновский фотон, падающий на электрон, в первом приближении, в виде колец (рис. 2) [1].

Рис. 2. Схема взаимодействия фотона с электроном в эффекте Комптона

Тогда импульс , падающего на электрон фотона, и импульс , отраженного от электрона фотона, связаны простой зависимостью (рис. 2)

 (6)

После взаимодействия фотона с электроном его импульс изменится на величину

(7)

Поскольку и , то

(8)

Эффект Комптона проявляется при взаимодействии между электронами и рентгеновскими фотонами. Это обусловлено тем, что они имеют близкие по величине радиусы, поэтому у нас есть основания обозначить . Полагая также, что , имеем [1]

(9)

Это и есть формула Комптона для расчета изменения длины волны отраженного рентгеновского фотона, которую он подобрал эмпирически в 1922 году и использовал при интерпретации результатов своего эксперимента [1]. В этой формуле величина длины волны электрона выполняет роль экспериментального коэффициента. Её экспериментальная величина оказалась равной

(10)

Совпадение теоретической величины (5) радиуса электрона и экспериментальной величины длины его волны (10) служит веским доказательством справедливости равенства .

Угловую скорость вращения кольца электрона определим, используя постоянную Планка, которая для электрона записывается так

(11)

Сразу обращаем внимание на присутствие в формуле (11) угловой частоты , вместо линейной , как в формуле (2). Это указывает на то, что основное состояние электрона - вращение относительно своей оси, поэтому понятие «закон сохранения кинетического момента» точнее отражает смысл константы Планка, участвующей в описании электрона. Итак, из формулы (11) имеем

(12)

Скорость точек вращающегося базового кольца электрона равна скорости света .

(13)

Чтобы получить математические модели, содержащие другие характеристики электрона, надо детально проанализировать силы, действующие на вращающееся кольцо. Известно, что электрон имеет собственную энергию, которую обычно определяют по формуле . Однако смысл такого допущения не всегда расшифровывается. А он заключается в том, что если всю массу электрона перевести в массу фотона, то энергия электрона будет равна . Этот факт имеет экспериментальное подтверждение. Известно, что массы электрона и позитрона равны. Взаимодействуя друг с другом, они образуют два фотона. Вот почему мы можем приписать электрону энергию, равную энергии фотона, имеющего соответствующую массу. Энергию электрона , равную энергии фотона, назовем фотонной энергией электрона. А теперь исследуем возможности кольцевой модели свободного электрона. Для этого предполагаем, что электрон имеет равные между собой кинетическую и потенциальную энергии, сумма которых равна его фотонной энергии .

(14)

Расчет по этой формуле дает такое значение фотонной энергии электрона

(15)

Если свободный электрон вращается только относительно своей оси, то угловая частота вращения кольцевой модели свободного электрона, определенная из формулы (14), оказывается равной.

(16)

а радиус кольца

 (17)

Как видно, теоретические величины угловой скорости электрона, определённые по разным формулам (12) и (16) равны. Теоретические величины радиуса кольца электрона, определённые по формулам (5) и (17) равны экспериментальному значению комптоновской длины его волны

(10)

Таким образом, не выявив пока структуру электрона, мы получили его упрощенную модель - кольцо. Эта модель помогает нам анализировать механическое поведение электрона, но почти не содержит информации о его электромагнитных свойствах. Поэтому поищем такие математические модели, описывающие поведение кольцевой модели электрона, которые содержали бы его заряд , магнитный момент и напряженность магнитного поля электрона.

При поиске этих моделей не обойтись без новых гипотез. Основания для их формулировки возьмём из теоретической и экспериментальной информации, описывающей поведение заряженных элементарных частиц в магнитных полях. Эксперименты показывают, что электрон движется в магнитном поле по спирали (рис. 3, а).

электрон кинетический импульс вращение



Рис. 3. Схема кольцевой модели электрона

Это значит, что электрон имеет магнитное поле, подобное магнитному полю стержневого магнита и его магнитные полюса, взаимодействуя с в внешним магнитным полем, ориентируют его определенным образом. Если электрон вращается относительно своей оси, то, двигаясь в магнитном поле, он должен описывать спираль по мере уменьшения его скорости, которое формируется сопротивлением внешней среды (рис. 3, а)

Эксперименты на ускорителях показали, что криволинейная траектория электрона в магнитном поле хорошо описывается математической моделью, отражающей равенство между центробежной силой инерции, действующей на электрон, и силой магнитного поля.

(18)

Тут невольно возникает предположение, что процессом формирования кольцевой структуры электрона также управляет этот же закон. Рассмотрим плодотворность этой гипотезы. Поскольку электрон, как мы предполагаем, имеет форму кольца, то для описания процесса формирования кольца надо перевести соотношение (18) в дифференциальную форму.

Полагаем, что заряд электрона равномерно распределен по длине его кольцевой модели и каждый элемент кольца имеет массу и заряд (рис. 3).

На каждый элемент кольца будет действовать несколько сил: сила инерции , кулоновские силы расталкивания, силы магнитного взаимодействия и какие-то другие, пока неизвестные нам силы. Мы будем предполагать, что центростремительная сила, т.е. результирующая сила , искривляющая траекторию отдельных элементов кольца и заставляющая кольцо совершать вращательное движение вокруг оси, будет равна (рис. 3). Дальнейший анализ, как будет показано, подтвердит плодотворность этого предположения.

(19)

Проверим размерности правой и левой частей формулы (19).

(20)

Они одинаковы, значит формула (19) заслуживает доверия. Обозначая массовую плотность кольца , а зарядовую - , имеем:

(21)

(22)

Поскольку

(23)

(24)

и , то уравнение (19) принимает вид

(25)

Интегрируя, найдём

(26)

Итак, мы получили математическое соотношение, в которое входят: масса свободного электрона, его заряд , напряженность магнитного поля внутри кольца, которая генерируется зарядом вращающегося кольца, угловая частота и радиус кольца электрона. Недостает в этом соотношении магнетона Бора .

(27)

Обратим внимание на тот факт, что в приведенной формуле (27) - величина векторная, она придает векторные свойства и магнетону Бора .

Преобразуем соотношение (26) следующим образом

(28)

Из этого имеем

(29)

Теперь мы можем определить из соотношения (29) напряженность магнитного поля внутри кольцевой модели электрона, угловую скорость вращения кольца и его радиус .

(30)

Обратим внимание на очень большую напряженность (30) магнитного поля в центре симметрии электрона. Из (28) имеем

(31)

что полностью совпадает со значениями этой величины, определенными по формулам (12) и (16). Из формулы (28) следует ещё одна математическая модель для расчета радиуса электрона

(32)

Отсюда

(33)

где - магнетон Бора; - напряженность магнитного поля в центре симметрии электрона.

Итак, главный параметр кольцевой модели свободного электрона - радиус кольца , определённый по формулам (5), (17) и (33), оказался одинаковым и равным экспериментальной величине длины волны электрона (10). Кольцевая модель электрона формирует напряжённость электрического поля . Она определяется по формуле

(34)

Это, можно сказать, колоссальная напряженность. Она превосходит напряжённости электрических полей, созданных человеком, почти на семь порядков.

Недостаток кольцевой модели электрона в том, что она не раскрывает причину рождения позитрона, поэтому кольцо должно иметь какую-то внутреннюю структуру. Поиск этой структуры - следующая задача.

Прежде чем приступить к ее решению, обратим внимание на схему кольцевой модели электрона, следующую из наших расчетов (рис. 3). Самой главной особенностью теории и модели электрона является совпадение направлений векторов и .Чтобы упростить представление магнетона Бора на рисунках, обозначим его так и назовем магнитным моментом электрона.

Тороидальная модель электрона. Итак, электрон в первом приближении имеет форму кольца. В качестве второго приближения к электромагнитной модели электрона рассмотрим тор. Для начала будем считать его полым. Радиус окружности сечения тора (рис.4) обозначим через . Тогда площадь его поверхности определится по формуле

(35)

Обозначим поверхностную плотность электромагнитной субстанции электрона . Тогда

(36)

Рис. 4. Схема тороидальной модели электрона

Определим момент инерции полого тора. Из рис. 4 имеем

(37)

(38)

(39)

Поскольку электрон проявляет одновременно электрические и магнитные свойства и имеет кинетический момент , то у нас есть основания предполагать, что он имеет два вращения. Обычное вращение относительно оси симметрии с угловой частотой назовем кинетическим вращением, формирующим его кинетический момент и кинетическую энергию . И второе - вихревое вращение относительно кольцевой оси с угловой частотой (рис. 4). Назовем его потенциальным вращением, формирующим его потенциальную энергию и магнитный момент . Вихревое вращение относительно кольцевой оси тора формирует магнитное поле электрона, поэтому потенциальная энергия электрона характеризует его потенциальные электрические и магнитные свойства.

При анализе энергетики электрона, как вращающегося кольца, мы показали, что его полная фотонная энергия состоит из равных между собой кинетической и потенциальной составляющих. Посмотрим на возможность реализации этого постулата в тороидальной модели электрона. Кинетическая энергия вращения полого тора определится по формуле (рис. 4).

(40)

Учитывая частоту (31), имеем

(41)

Как видно (41), кинетическая энергия электрона равна половине его полной, фотонной энергии (15), подтверждая работоспособность нашего постулата.

Величина радиуса окружности сечения тора (рис. 4) определяется из потенциального вращения электрона с частотой . Для этого предполагаем, что

(42)

Наступает очень важный момент. Нам трудно представлять линейную скорость какой-либо части электрона равной скорости света. Слишком она большая. Поэтому есть основания предполагать, что в этом случае математический символ скорости света С надо заменять равной ему совокупностью символов . Тогда участие в формировании структуры электрона электрической и магнитной постоянных усиливает физическую суть этого процесса. Мы пока не будем делать такой замены, но отметим необходимость анализа каждого случая, где эта замена целесообразна.

Поскольку скорость света относительно пространства постоянна, то есть основания полагать, что скорость точек осевого кольца тора в кинетическом вращении равна скорости точек поверхности тора в потенциальном вращении.

(43)

Из этих соотношений найдем

(44)

(45)

Полагая, что вихревое вращение электрона генерирует его потенциальную энергию, имеем

(46)

Складывая результаты (41 и 46), получим полную фотонную энергию свободного электрона (15).

Итак, равенство кинетической и потенциальной энергий электрона даёт основание считать доказанными постулаты (14), (15). Учитывая площадь поверхности тора (35) и соотношение между радиусами , определим напряжённость электрического поля на поверхности тора электрона

(47)

Это очень большая напряжённость, но, в соответствии с законом Кулона, она убывает пропорционально квадрату расстояния. Удельная плотность массы полого тора электрона равна

(48)

Если мы на правильном пути, то из тороидальной модели электрона должна следовать математическая модель для расчета магнетона Бора . Учитывая радиус сечения тора (45) и известные зависимости между током и радиусом сечением провода (), а также зависимость магнитного момента формируемого током вокруг проводника () и пологая, что , найдём магнетон Бора

(49)

(50)

Размерность (50) соблюдается, поэтому формула (49) заслуживает доверия. Совпадение результатов расчёта фотонной энергии электрона, магнетона Бора и радиуса электрона по разным формулам, даёт основание предполагать, что электрон представляет собой замкнутый кольцевой вихрь, формирующий тороидальную структуру, которая вращается относительно своей оси симметрии и относительно кольцевой оси тора, генерируя таким образом его кинетическую и потенциальную энергии, а также магнитный момент электрона равный магнетону Бора (рис. 5, a).

Если показать всю совокупность линий, характеризующих магнитное поле электрона, то его модель примет форму, близкую к форме яблока (рис. 5, a).

Рис. 5. а) схема теоретической модели электрона (показана лишь часть магнитных силовых линий); b) кластер электронов; с) структура фотона, излучённого электроном

Новая информация об электроне даёт основания считать, что, приводимая в справочниках величина , названная классическим радиусом электрона, является радиусом цилиндра, ограничивающего сближение магнитных силовых линий электрона, идущих вдоль оси его вращения в одном направлении (рис. 5, а). Достоверность этого подтверждает безразмерная величина тонкой структуры , которая равна отношению длины окружности указанного цилиндра к радиусу электрона .

(51)

А теперь представим, что внешние силы начинают вращать такой тор в обратную сторону или тормозить его вращение. Сразу же на экваториальной поверхности тора образуется шесть вихревых, радиально направленных кольцевых полей (рис. 5, с). Удаляясь от электрона, они формируют структуру из шести замкнутых друг с другом кольцевых магнитных полей. Малейшее изменение плотности одного из этих полей или малейшая удалённость его от геометрического центра формирует нецентральные силы, которые начинают вращать такую структуру. Возникающая асимметрия между её полями формирует неустойчивое положение такой структуры, автоматически влекущее её в прямолинейное движение со скоростью света .

Оставшаяся часть электрона вновь восстанавливает свое вихрекольцевое движение, изменив соответственно угловые скорости и радиусы так, чтобы отличие между ними в раз сохранилось. Энергия электрона уменьшится соответственно.

Так как энергия электрона равна произведению постоянной Планка на угловую частоту , то после излучения фотона энергия электрона уменьшится за счет изменения его массы. Чтобы постоянная Планка сохранила свое постоянство, радиус электрона должен увеличиться, а частоты - уменьшиться.

Изменённые параметры электрона нарушают устойчивость его состояния, потому он вынужден восстановить исходную массу. Если вблизи есть фотон с такой массой, то электрон немедленно поглотит его и восстановит все свои константы. Если же вблизи нет фотона, необходимого для восстановления потерянной массы, то у электрона одна возможность - восстанавливать свою массу путем поглощения субстанции окружающей среды, которую мы называем эфиром. Он поглотит такое количество этой субстанции, которое восстановит его постоянную массу . Автоматически восстановятся и все другие его параметры и константы, управляющие его устойчивостью.

Таким образом, свободный электрон имеет строго постоянную массу , заряд и радиусы . Когда он устанавливает связь с другим валентным электроном, то он тоже излучает фотон, и его параметры изменяются, но стабильность сохраняется благодаря энергии связи с другим валентным электроном. Если эту связь разорвать механическим путем, то исчезают условия пребывания электрона в стабильном состоянии. Чтобы восстановить эти условия, электрон должен поглотить излученный фотон или эквивалентное ему количество электромагнитной субстанции из окружающей среды, которую мы называем эфиром. Только после этого он сохранит свою устойчивость.

Обратим внимание на то, что радиусы световых и инфракрасных фотонов на много порядков больше радиуса электрона. Это значит, что в момент излучения удаляющиеся кольцевые магнитные поля формируют структуру фотона (рис. 5, с) на значительном расстоянии от электрона (рис. 5, a), определяемом длительностью переходного процесса от до . Это расстояние уменьшается с уменьшением радиуса излучаемого фотона. Поскольку радиус электрона равен радиусу рентгеновского фотона, то электрон не может излучить гамма-фотон. Эту функцию выполняет протон при синтезе ядер.

Таким образом, электрон имеет форму вращающегося полого тора (рис. 5, a). Его структура оказывается устойчивой благодаря наличию двух вращений. Первое - относительно оси, проходящей через геометрический центр тора перпендикулярно плоскости вращения, и второе - вихревое вращение относительно кольцевой оси, проходящей через центр окружности сечения тора.

Несколько методов расчета базового радиуса тора, включающих различные его энергетические и электромагнитные свойства, дают один и тот же результат, совпадающий с экспериментальным значением комптоновской длины волны электрона .

Итак, при обосновании модели электрона мы вовлекли в анализ уже существующие законы Кулона и Ньютона и следующие константы: константу локализации , скорость света С, постоянную Планка , массу покоя электрона , его заряд , энергию покоя электрона, электрическую постоянную , магнитную постоянную , магнетон Бора , который мы обозначаем как , комптоновскую длину волны электрона, которую теперь надо называть комптоновским радиусом электрона.

Другой важной характеристикой электрона является его спин. Он в точности равен постоянной Планка и является величиной векторной . Её векторные свойства следуют из её размерности - кинетического момента.

Третья важная характеристика электрона - магнитный момент или магнетон Бора, который генерирует напряженность магнитного поля электрона (рис. 5, a). В его геометрическом центре она равна . Это - значительная величина, но она интенсивно уменьшается по мере удаления от геометрического центра электрона вдоль оси его вращения.

Таким образом, электрон представляет собой полый тор, который имеет два вращения: относительно оси симметрии и относительно кольцевой оси тора. Вращением электрона относительно центральной оси управляет кинетический момент - векторная величина. Вращение относительно кольцевой оси тора формирует магнитное поле электрона, а направления магнитных силовых линий этого поля формируют два магнитных полюса: северный N и южный S (рис. 5, a).

Модель электрона (рис. 5, a) невольно формирует представление о возможности образования кластеров электронов. Разноименные магнитные полюса могут сближать их, а одноименные электрические заряды ограничивать это сближение. В результате электроны, соединяясь друг с другом, могут формировать кластеры (рис. 4, b). Установлено, что вся электростатика базируется на взаимодействии не положительных и отрицательных зарядов, а северных и южных магнитных полюсов кластеров электронов. Дальше мы познакомимся с этим подробнее.

Анализ изложенного показывает, что формированием структуры электрона (рис. 5, а) управляет более 20 констант, в которых отразилась достоверность всех, сформулированных нами гипотез, и они приобрели статусы постулатов.

Заключение

Представленная модель электрона и теория, описывающая его структуру, достаточно полно обобщают результаты экспериментальных исследований с участием электрона и не имеют альтернативы, поэтому, представленная информация об электроне, готова к включению в учебный процесс.

Литература

1. Канарёв Ф.М. Монография микромира. http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21/663-2012-08-19-17-07-36

2. Канарёв Ф.М. Ответы на вопросы о микромире. http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21/260-------iii-

Размещено на Allbest.ru