Субстанциональная модель электрона

Субстанциона́льный электро́н и субстанциона́льная моде́ль электро́на  — теоретическая модель формирования электрона, альтернативная представлениям возникновения элементарных частиц в результате Большого взрыва и их модели в квантовой механике согласно теории элементарных частиц. Для обоснования субстанциональной модели электрона используются теория бесконечной вложенности материи, теория подобия уровней материи, SPФ-симметрия, сильная гравитация, а также концепция динамического спина.

Происхождение электронов

Известно, что теория Большого взрыва имеет ряд нерешённых проблем, кроме этого, явления, на которых она основана, могут быть объяснены другими причинами. В теории бесконечной вложенности материи, в противоположность атомизму, не существует абсолютно элементарных частиц — каждый природный объект состоит из более мелких объектов. Соответственно, происхождение электрона и других частиц рассматривается с точки зрения эволюции вещества в космосе, происходящей по одним и тем же законам на разных уровнях материи. Основой такого подхода является SPФ-симметрия, согласно которой законы движения вещества и полей при преобразованиях подобия между уровнями материи не меняют свой вид и остаются инвариантными.

Распределение материальных объектов во Вселенной описывается с помощью масштабного измерения, протянувшегося сквозь все уровни материи. К основным уровням материи относятся: уровень граонов — уровень праонов — уровень нуклонов — уровень звёзд — уровень суперметагалактик. Обычное вещество, планеты и звёзды состоят из атомов либо атомных ядер, то есть из некоторой смеси нейтронов, протонов и электронов, причём основной вклад в массу дают нуклоны. Точно так же, объекты уровня нуклонов, то есть сами нуклоны, электроны, другие элементарные частицы, состоят в основном из нейтральных и положительно заряженных праонов и отрицательно заряженных праэлектронов. Каждый последующий уровень материи состоит из объектов низшего уровня материи. Таким образом осуществляется принцип вложенности материи.

Характерными и взаимно дополняющими процессами в глобальной эволюции объектов Вселенной являются: 1) Образование частиц и вещественных тел в противоположных процессах скучивания и дробления. 2) Образование статических полей, связанных с веществом, и передвигающихся полей в виде излучения от частиц и тел. Предполагается, что всё более и более массивные тела образуются под действием потоков гравитонов в рамках теории гравитации Лесажа. В то же время достаточно массивные объекты на разных уровнях материи, наподобие компактных звёзд, являются источниками излучения фотонов, нейтрино, релятивистских частиц, которые составляют основу поля и потоков гравитонов. Так вещество низших уровней материи порождает кванты поля, а поле порождает на более высоких уровнях материи отдельные тела из разрозненного вещества. Исходя из описанной картины, нуклоны уподобляются нейтронным звёздам, а электроны в атоме соответствуют дискам, открытым возле рентгеновских пульсаров, являющихся основными кандидатами в магнитары. Возникновение нейтронных звёзд достаточно хорошо известно из теории звёздной эволюции, что позволяет понять и происхождение нуклонов как аналогов нейтронных звёзд. Нуклоны подразделяются на нейтроны и протоны, первым можно поставить в соответствие обычные нейтронные звёзды, а вторым — магнитары, имеющие сильные магнитные поля и вероятный положительный электрический заряд.

Вещество дисков возле магнитаров имеет вид широких колец с характерным радиусом, близким к радиусу Роша, при котором происходит распад планет вблизи звёзд за счёт сильного гравитационного поля. Если массивная звезда имела планетную систему, то с течением времени звезда может превратиться в магнитар (через стадию нейтронной звезды), а от планет остаётся вещество с преобладанием наиболее тяжёлых химических элементов группы железа. Отношение радиуса Роша к радиусу нейтронной звезды равно отношению радиуса Бора к радиусу протона, так что обнаруженные диски возле пульсаров можно считать аналогами электронного облака в атоме водорода. Расчёт показывает, что вещество объекта аналога-электрона вокруг магнитара в количественном отношении почти полностью нейтрально — на каждый элемент вещества, содержащий 10¹⁶ нуклонов, приходится только один дополнительный электрон. Но вследствие достаточно большой массы диска суммарный отрицательный заряд диска велик. Отсюда по аналогии следует, что вещество электронов в атомах находится в виде облаков вследствие действия на него сильной гравитации со стороны ядра, а значительная часть вещества облаков электрически нейтральна. При этом вещество электрона отличается от вещества нуклона так же, как вещество планет от вещества нейтронных звёзд. Вследствие малой плотности вещества электрона по отношению к нуклонам эксперименты с рассеянием электронов не обнаруживают у электронов внутренней субструктуры — она остаётся за пределами точности экспериментов.

Согласно теории подобия уровней материи, на масштабном уровне элементарных частиц вместо обычной гравитации действует сильная гравитация, обеспечивающая целостность частиц и их взаимодействие друг с другом. В предположении, что электрон имеет некоторый радиус $~R$, целостность электрона возможна в случае, когда притягивающая гравитационная сила на любой элемент его вещества массы $~ \Delta m$ превышает силу электрического отталкивания этого элемента с зарядом $~ \Delta e$ от общего заряда электрона $~e$: $$~\frac{\Gamma m \Delta m }{R^2} > \frac{e \Delta e }{4 \pi \varepsilon_{0} R^2} ,$$ где $~\Gamma$ — постоянная сильной гравитации, $~m$ — масса электрона, $~\varepsilon_{0}$ — электрическая постоянная. Без потери общности можно считать, что выполняется соотношение: $$~\frac {\Delta m }{\Delta e } = \frac{m }{e}.$$ С учётом данного соотношения условие устойчивости электрона принимает вид: $$~\Gamma > \frac{e^2 }{4 \pi \varepsilon_{0} m^2}.$$ Однако при подстановке всех величин это условие не выполняется, так как заряд электрона настолько велик, что собственная гравитационная сила вещества электрона не может противодействовать его электрической силе. Это означает, что электрон не является самостоятельной частицей и не имеет определённого радиуса. Поэтому в атоме электрон может быть только в виде вращающегося электронного облака наподобие диска, удерживаясь гравитационным полем от ядра. Равновесие электрона требует гравитационной силы особенно в случае атома водорода, поскольку здесь электрическая сила притяжения электрона к ядру в значительной мере компенсируется электрической силой отталкивания заряженного вещества самого электрона.

В свете изложенного равенство по модулю заряда протона и заряда электрона в атоме водорода объясняется необходимостью выполнения условия общей электронейтральности и подстройкой заряда (и массы) электронного облака за счёт притяжения или отталкивания соответствующих электрических зарядов из окружающего атом разреженного вещества. Существование электронов в составе атомов во всём наблюдаемом космическом веществе и в самых удалённых, даже не связанных между собой точках говорит о единообразной и закономерной эволюции вещества во Вселенной. Это относится не только к электрону, но и ко всем элементарным частицам, а также и к другим объектам, для поддержания целостности которых необходимы как гравитационные, так и электромагнитные силы.

Рождение в реакциях с элементарными частицами

С учётом несамостоятельности электрона как частицы становится понятным, почему во всех реакциях электрон появляется лишь в связи с распадами более массивных частиц (типа нейтронов и мюонов), либо с обязательным участием адронов, как при фоторождении электрон-позитронных пар.

В качестве примера можно рассмотреть реакцию бета-распада нейтрона, приводящую к образованию электрона, протона и антинейтрино. Существует модель нейтрона, в которой его внутренняя часть заряжена положительно, а оболочка — отрицательно. Эта модель появилась при попытке объяснить эксперименты по рассеянию электронных пучков средних энергий (до 20 ГэВ) на жидком водороде и в дейтерии, с вычислением зарядового и магнитного формфакторов нейтрона. Аналогом нейтрона на уровне звёзд является нейтронная звезда, в которой в процессах её образования можно также предполагать объёмное разделение электрического заряда. Например, при взрыве сверхновой с возникновением нейтронной звезды часть электронов из центра может быть вытеснена в оболочку, придавая ей отрицательный заряд. В силу сферической симметрии такое разделение зарядов может быть достаточно устойчивым, так как электроны в оболочке не только притягиваются к положительно заряженному ядру, но и отталкиваются друг от друга. Вращение звезды с объёмным разделенным зарядом приводит к характерной картине магнитного поля — внутри поле направлено вдоль оси вращения, но вблизи поверхности оно полностью компенсируется противоположно направленным магнитным полем оболочки. Поэтому суммарный магнитный момент звезды противоположен её вращению, как это происходит у нейтрона. Магнитное поле поддерживается не только вращением зарядов, но и самим ориентированным в магнитном поле веществом звезды, состоящим в основном из нейтронов.

Вследствие реакций слабого взаимодействия в веществе осуществляются превращения нейтронов в протоны и электроны и постепенное изменение внутренней магнитной конфигурации в объёме звезды (при распаде каждого нейтрона при неизменном его вращении происходит быстрая переполюсовка направления его магнитного момента, поскольку магнитные моменты нейтрона и протона при одном и том же спине противоположны). Итогом трансформации вещества звезды является то, что в некоторый момент центральное магнитное поле, экранируемое полем оболочки, вырывается наружу в районе полюсов. Это приводит к катастрофической перестройке всего магнитного поля с выделением энергии, достаточной для сброса части внешней оболочки. Звезда превращается в магнитар, при этом сброшенное вещество заряжено отрицательно и замагниченно, так как состоит в основном из элементов типа железа, находящихся на поверхности звезды. Выброшенное из звезды вещество соответствует электрону при бета-распаде нейтрона.

Отсюда делаются следующие выводы:

1) Вещество электрона не только заряжено, но может быть ещё замагниченным.

2) Реакции слабого взаимодействия с элементарными частицами можно объяснить трансформацией вещества этих частиц также в процессах слабого взаимодействия, но происходящих уже на более низком масштабном уровне материи (если эволюцию нейтронной звезды сопоставить с эволюцией вещества одного нейтрона, то аналогично сам нейтрон следует сопоставить с праоном, как соответствующей малой частичкой нейтрона).

3) Повсеместная электронейтральность вещества во Вселенной связана с рождением одинакового количества заряженных элементарных частиц (протонов и электронов), при бета-распаде нейтронов. В свою очередь, нейтроны появляются в результате закономерной эволюции материи приблизительно так же, как появляются нейтронные звёзды.

4) Величина заряда протона и равенство зарядов по модулю у протона и электрона обусловлены эволюцией нейтронов и процессами бета-распада, повторяющимися у всех свободных нейтронов приблизительно по одному и тому же закону. Для превращения нейтрона в протон необходимо, чтобы в оболочке нейтрона за счёт слабого взаимодействия накопились в достаточном количестве электрические заряды и произошла перестройка магнитного поля. Это и фиксирует величину заряда, возникающего у протона и электрона.

Данную модель бета-распада можно найти в работах Сергея Федосина, она также описана в субстанциональной модели нейтрона.

Электрон (позитрон) может быть также обнаружен в результате цепочки распада заряженного пиона по схеме: $$~ \pi^- \rightarrow \mu^- + \tilde{\nu}_{\mu}, \qquad \mu^- \rightarrow e^- + \tilde{\nu}_{e} + \nu_{\mu}.$$ $$~ \pi^+ \rightarrow \mu^+ + \nu_{\mu}, \qquad \mu^+ \rightarrow e^+ + \nu_{e} + \tilde{\nu}_{\mu}.$$

При этом вначале образуется заряженный мюон $~\mu$ и мюонное антинейтрино (нейтрино), затем мюон распадается на электрон (позитрон), электронное антинейтрино (нейтрино) и мюонное нейтрино (антинейтрино) $~ \nu_{\mu}$. С учётом теории подобия уровней материи по своей массе пион соответствует нейтронной звезде порядка 0,2 массы Солнца. Нейтронные звёзды таких малых масс неустойчивы, поскольку силы гравитационного сжатия становится недостаточно для поддержания состояния вещества в виде нейтронной жидкости. После трансформации вещества в результате протекания реакций слабого взаимодействия за время порядка 10⁵ лет заряженная и замагниченная нейтронная звезда-аналог пиона взрывным образом преобразуется в звёздный объект-аналог мюона. Появляющееся при этом нейтринное и антинейтринное излучение эквивалентно излучению мюонного нейтрино в реакции распада пиона. Мюон соответствует звёздному объекту с массой около 0,16 массы Солнца. Оказывается, что такая масса точно совпадает с массой Чандрасекхара для белого карлика минимально возможной массы с химическим составом из самых лёгких химических элементов, от ядер водорода до ядер гелия. Эволюция заряженного звёздного объекта-аналога мюона длится до 10⁷ лет. За это время в нём начинаются термоядерные реакции синтеза как в обычной звезде, приводящие в конце концов к сбросу заряженной оболочки. Этот процесс эквивалентен появлению электрона (позитрона), регистрируемому при распаде мюона.

Другим примером является реакция взаимодействия электронного антинейтрино с протоном, в результате чего образуются нейтрон и позитрон. В отличие от электрона, вещество позитрона несёт положительный заряд. Данную реакцию согласно субстанциональной модели протона удобно анализировать на звёздных моделях, считая, что на магнитар — аналог протона падает звёздное электронное антинейтрино, состоящее из потоков электронного нейтрино и антинейтрино соответствующей спиральности. Магнитар состоит из нуклонов, ориентированных магнитным полем. Для преобразования магнитара в нейтронную звезду — аналог нейтрона необходимо превратить протоны вещества магнитара с помощью электронного антинейтрино в позитроны и нейтроны. Это возможно при соответствующем распространении антинейтрино относительно ориентированного вещества магнитара. Одновременно с этим электронное нейтрино превращает нейтроны вещества магнитара в протоны и электроны. Часть появляющихся электронов и позитронов аннигилирует, выделяя энергию и разогревая вещество магнитара. После накопления достаточного количества позитронов в оболочке, из-за их отталкивания от центральной части магнитара, заряженной положительно, происходит сброс разогретого вещества с образованием звёздного объекта типа позитрона. Сам же магнитар превращается в нейтронную звезду — аналог нейтрона, поскольку нуклоны в оболочке магнитара под действием потоков нейтрино и антинейтрино изменяют направление своего магнитного момента на противоположное, а в веществе появляется градиент заряда за счёт рождающихся электронов. Это приводит к компенсации части магнитного поля ядра магнитара магнитным полем оболочки, к смене конфигурации магнитного поля и знака магнитного момента звезды, и к выделению значительной энергии, способствующей сбросу вещества. Сброс положительно заряженного вещества с оболочки магнитара означает потерю заряда магнитаром и превращение его в нейтральную нейтронную звезду.

Приведённые характерные примеры показывают, каким образом в субстанциональной модели могут возникать электроны и позитроны. Если они рождаются в реакциях с другими частицами, то предварительно необходимо рассматривать соответствующие превращения вещества этих частиц.

Аннигиляция

Как известно, электрон и позитрон способны аннигилировать с излучением двух фотонов (из состояния парапозитрония, спины частиц антипараллельны), и с излучением трёх фотонов для ортопозитрония. В последнем случае спины электрона и позитрона параллельны, при вращении частиц в плоской орбите имеется дополнительное магнитное отталкивание, и связанное состояние лептонов существует дольше, до 1,4•10⁻⁷ с. Для парапозитрония каждый излучаемый фотон имеет энергию, близкую к энергии покоя электрона. Это даёт повод говорить о «превращении массы в энергию», об уничтожении вещества и полном превращении его энергии в энергию поля, и т. д.

Картину электрон-позитронной аннигиляции можно представить на звёздном уровне следующим образом. Пусть в качестве электрона выступает заряженное отрицательно облако из вещества с массой M = 1,5∙10²⁷ кг (это 0,78 массы Юпитера) и зарядом Q = 5,5∙10¹⁸ Кл, окружающее магнитар. Масса и заряд облака получаются из массы и заряда электрона при умножении на соответствующие коэффициенты подобия (смотри подобие уровней материи). Роль позитрона на уровне звёзд играет соответствующее положительно заряженное облако. При столкновении данных облаков должна произойти рекомбинация их электрических зарядов, и вещество облаков становится нейтральным. Под действием напряжённости гравитационного поля и поля кручения нейтральное вещество имеет возможность упасть на звезду. Массы облаков достаточно большие, при этом упавшее вещество способно чрезвычайно сильно разогреться при ударе о поверхность. Высокая температура вещества приводит к своеобразному термоядерному взрыву на поверхности звезды. Часть выделившейся при падении энергии конвертируется в излучение рентгеновских и гамма квантов, в том числе в виде двух джетов, обычных для нейтронных звёзд. Основная часть этой энергии происходит от гравитационной энергии вещества в сильном поле звезды. Для двух облаков модуль энергии составит: $$\mid W_{g }\mid = \frac {2 G M_{s} M}{R_s} = 4,5 \cdot 10^{43}$$Дж,

где в качестве массы и радиуса нейтронной звезды используются значения M_s = 2,7•10³⁰ кг и R_s = 12 км соответственно, G — гравитационная постоянная.

Разделив данную энергию на коэффициент подобия по энергии $~ ∈'=\Phi' S'^2= 8,6 \cdot 10^{55}$, можно найти соответствующую энергию на уровне элементарных частиц: 3,3 МэВ. В то же время при аннигиляции электрона и позитрона обычно регистрируют два гамма-кванта с энергиями порядка 0,511 МэВ каждый. Таким образом выделения гравитационной энергии от сильной гравитации нуклона в размере 3,3 МэВ достаточно, чтобы из этой энергии сформировались два гамма-кванта, соответствующие аннигиляции электрона и позитрона. При этом происходит не полное превращение массы-энергии вещества лептона и антилептона в электромагнитное излучение, а превращение их гравитационной энергии вблизи нуклона в электромагнитную форму энергии.

Электронный захват

Электронное облако, потерявшее по той или иной причине свой орбитальный момент импульса, может упасть на ядро и соединиться с одним из протонов ядра в реакции: $$p^+ + e^- \rightarrow n^0 + \nu_e ,$$

образуя нейтрон и нейтрино.

При электронном захвате, в дополнение к гравитационной энергии, происходит выделение электрической энергии при рекомбинации отрицательных зарядов из вещества электронного облака и положительных зарядов в веществе протона. В процессе рекомбинации отрицательные заряды проникают в оболочку протона, существенно меняя её состояние. При вращении протона, оболочка которого получает отрицательный заряд от упавшего электрона, конфигурация магнитного поля протона заменяется на конфигурацию магнитного поля нейтрона. Становясь нейтроном, протон эффективно теряет свой заряд (происходит компенсация части заряда, центр протона был заряжен положительно, а оболочка становится заряженной отрицательно), его суммарный магнитный момент переворачивается и происходит излучение электронного нейтрино. Аналогичное событие в звёздной модели выглядит так: звёздное электронное облако падает на магнитар, избыточные электроны вещества облака соединяются с протонами в оболочке магнитара с образованием нейтронов и излучением потоков нейтрино, рассматриваемого в целом как звёздное нейтрино. Отсюда следует, что электронное нейтрино при электронном захвате представляет собой направленные потоки очень малых частиц, подобных по своим свойствам нейтрино и излучаемых веществом в оболочке протона.

Космические лучи

Исходя из подобия с протоном предполагается, что магнитар обладает положительным зарядом величины Q = 5,5∙10¹⁸ Кл. Расчёт электростатической энергии, которая приходится на один электрон или протон диска вблизи магнитара, даёт 6,7∙10¹⁹ эВ на звёздном радиусе Бора (при радиусе Роша), и 4,1∙10²⁴ эВ на поверхности магнитара. Если разделить заряд Q на объём диска возле магнитара, можно оценить концентрацию электронов в диске как 10⁸ м⁻³. Это подтверждается измерением концентрации электронов в магнитосфере магнитара. Взаимодействия заряженных частиц могут приводить к тому, что положительно заряженные протоны и ядра могут ускоряться прочь от звезды со значительными энергиями, вплоть до 6,7∙10¹⁹ эВ и более. Максимальные энергии космических лучей как раз попадают в этот диапазон. Малая доля присутствия электронов в космических лучах, до 1 %, может быть объяснена неустойчивостью электрона как частицы, а большая доля ядер железного ряда — их значительным присутствием в дисках магнитаров и на поверхности этих звёзд.

Принцип Паули

По аналогии с обнаруженными вокруг нейтронных звёзд дисками в виде колец, электронные облака в атоме рассматриваются как диски. Ввиду своего отрицательного заряда отдельные электронные диски отталкиваются друг от друга, а вращение заряженного вещества в дисках создаёт магнитное поле, пронизывающее весь атом. Принцип Паули объясняется как следствие электромагнитной индукции в соседних электронных облаках — при сближении двух электронных дисков их вещество начинает вращаться противоположно для того, чтобы удовлетворить правилу Ленца. У двух спаренных электронных облаков суммарный момент импульса и спин равны нулю, это относится и к заполненным оболочкам атомов, в которых число электронов чётно.

Стационарные состояния

Согласно первому постулату первоначальной версии квантовой механики, теории атома Бора, существуют стационарные состояния атома, в которых электрон движется по стационарным орбитам и не излучает энергию. Дискретность таких состояний означает, что в них квантуется момент импульса и энергия электрона.

Оценка минимальных размеров электронного облака в виде плоского диска для атома водорода даёт значения внутреннего края диска около $~0,5R_b$, внешнего края диска при $~1,5R_b$, и высоты диска менее $~0,33R_b$, где $~R_b$ есть Боровский радиус. Анализ сил, действующих в веществе электрона при его стационарном вращении вокруг ядра, приводит к закону сохранения энергии и импульса вещества, электромагнитного поля и поля сильной гравитации.

Как доказывается в книге, стационарные состояния атома характеризуются тем, что в этих состояниях поток кинетической энергии вещества электронного облака равен суммарному потоку энергии поля сильной гравитации и электромагнитного поля, проходящему через вещество, за счёт перераспределения потоков энергии компонент общего поля. В этом случае поток энергии поля не оказывает давления на вещество, вращение относительно устойчиво, а благодаря осевой симметрии электронного облака излучение из атома стремится к нулю. В многоэлектронных атомах добавляются принцип минимума энергии, принцип Паули, а также принцип стабильности некоторых пространственных электронных конфигураций в атоме из-за компенсации в них исходящего электромагнитного излучения от различных частей облака и уменьшения общего излучения до нуля за счёт геометрии облака. Всё это и является причиной квантования как уровней энергии, так и момента импульса электронов в атоме.

Спин как динамическое свойство

Большинство явлений, связанных со спином электрона в атоме, протекают в момент перехода электрона из одного энергетического состояния в другое, когда происходит поглощение или излучение светового кванта. Все такие явления изучаются путём измерения электронных спектров. Это касается спектров излучения химических элементов (атомов и ионов), тонкой структуры и мультиплетности атомных спектров, эффекта Зеемана и т. д. В концепции динамического спина предполагается, что спин как часть момента импульса электрона возникает тогда, когда центр электронного облака сдвинут относительно ядра атома и вращается вокруг него. Это возможно, если электронное облако испытало взаимодействие, например с фотоном или другим электроном. В общем случае вещество электронного облака вращается вокруг своего центра, а также и вместе с облаком вокруг ядра. Различие гиромагнитных отношений в формулах, связывающих спиновый и орбитальный моменты импульса и соответствующие им магнитные моменты, вытекает из различия вращательных движений вещества, ответственных за динамический спин и орбитальное вращение.

Для объяснения опыта Штерна — Герлаха, в котором атомы, находящиеся в основном состоянии, отклоняются магнитным полем, вычисляется магнитное поле, создаваемое орбитальным вращением вокруг ядра вещества одиночного электронного диска. Распределение вещества диска берётся таким же, какое следует из квантовомеханического расчёта вероятности нахождения электрона в атоме при решении уравнения Шрёдингера. Для основного состояния получается значение магнитного момента диска, равное магнетону Бора. Это означает, что в основном состоянии атома, а также в s-состояниях магнитный момент электрона в атоме связан не со спином (в этих состояниях динамический спин равен нулю, центр электронного облака не вращается относительно ядра), а с орбитальным вращением вещества электронного облака. При этом расчёт на модели заряженного диска-аналога электрона возле магнитара показывает, что собственный магнитный момент диска, связанный с его намагниченностью, невелик и им можно пренебречь по сравнению с магнитным моментом от орбитального вращения. Описанная картина для динамического спина кардинально отличается от положений квантовой механики, согласно которой в основном состоянии у электрона в атоме полностью отсутствует орбитальный момент (здесь возникает проблема квантовой механики — за счёт чего удерживается электрон возле ядра при наличии постоянной силы притяжения к ядру?), имеется только спин, причём спин и спиновый магнитный момент как внутренние характеристики электрона не исчезают никогда. В субстанциональной модели электрон не является самостоятельной частицей со спином и спиновым магнитным моментом — они появляются лишь после взаимодействия связанного электрона в атоме с другими частицами. Вещество электрона может быть ещё приведено во вращение внешним электромагнитным полем от падающего фотона или за счёт эффекта электромагнитной индукции.

Излучение и поглощение квантов в атоме

Сдвиг центра инерции электронного облака относительно ядра и его вращение в возбуждённом атоме приводят к электромагнитному излучению из атома, фиксируемому в виде электромагнитного кванта. Энергия излучаемого или поглощаемого кванта равна разности энергий стационарных уровней, между которыми происходит переход электрона (второй постулат теории атома Бора). При этом частота кванта очень близка, но не равна точно частоте $~ \omega_e$ вращения электронного облака на том уровне энергии, куда переходит электрон при излучении. Это объясняется следующим. Если взять атом водорода, то в нём электрон может совершить порядка 10⁷ оборотов вокруг ядра, прежде чем перейдёт из возбуждённого состояния в основное с излучением кванта. Анализ хода излучения показывает, что наибольшая скорость излучения энергии достигается при увеличенной частоте вращения центра инерции электрона относительно ядра, что имеет место вблизи нижнего уровня энергии. Поэтому основная энергия кванта излучается с частотой, почти равной частоте вращения электронного облака на нижнем уровне энергии. За время перехода между уровнями электрон теряет момент импульса, равный величине постоянной Дирака $~{\hbar}$, а излучаемый квант получает этот импульс. Формула для энергии кванта при излучении из атома имеет вид: $$~E=\hbar \omega ,$$ где $~ \omega$ — угловая частота волны кванта, измеряемая спектральными приборами. Смысл данной формулы в том, что энергия кванта пропорциональна скорости изменения момента импульса, зависящей от угловой частоты $~ \omega_e$ вращения электронного облака в атоме. Одновременно с электромагнитным в атоме происходит и гравитационное излучение электрона с энергией квантов $$~E_g= \frac{m}{m_p} \hbar \omega ,$$ где $~ \frac{m}{m_p}$ — отношение массы электрона к масса протона. Поскольку при изменении момента импульса электрона ядро атома и электрон вращаются вокруг общего центра инерции в противоположные стороны, гравитационное излучение ядра компенсирует гравитационное излучение электрона. Вследствие этого дипольное гравитационное излучение атома в целом близко к нулю и основной становится квадрупольная компонента излучения.

Субстанциональная модель электрона в виде вращающегося вокруг атомного ядра диска позволяет описать процесс формирования фотона при переходах электрона на нижние уровни энергии. Вращающийся электрон создаёт на оси диска переменное электромагнитное поле, действующее на праоны — релятивистские частицы динамического вакуумного поля как содержимого электрогравитационного вакуума. Под действием поля праоны закручиваются в спирали и соединяются друг с другом посредством сильной гравитации, образуя фотон. Модель позволяет вычислить для праонов отношение заряда к массе и другие параметры. С учётом этого строится субстанциональная модель фотона, находится его внутренняя структура, определяются внутренние электромагнитные поля, суммарная масса покоя всех частиц фотона, а также магнитный момент фотона в зависимости от заряда ядра водородоподобного атома и уровня энергии излучающего электрона. Показывается, что угловая частота $~ \omega$ в формуле для энергии фотона есть усреднённая за время излучения фотона угловая частота $~ \omega_e$ вращения электронного облака в атоме.

Мультиплетность

Для объяснения мультиплетности атомных спектров следует учитывать, что центр каждого электронного облака может вращаться относительно ядра в двух противоположных направлениях, давая две различные проекции спина и спинового магнитного момента на выделенное направление. Для одного электрона мультиплетность равна 2 и спектр водородоподобного атома состоит из дублетов — каждый основной уровень энергии, кроме уровней энергии в s-состояниях, расщепляется за счёт добавочных небольших магнитных энергий от взаимодействия магнитного момента электронного облака с магнитным моментом положительно заряженного ядра, движущегося в ту или иную сторону вокруг центра инерции облака. При наличии двух электронов существует шесть возможных комбинаций между направлениями вращения вещества в электронных дисках и направлениями вращения центров инерции дисков относительно ядра, что и задаёт максимально возможную мультиплетность спектров в этом случае. В приближении спин-орбитальной связи двух электронов мультиплетность по стандартной формуле получается равной 1 и 3, то есть в спектре атома с двумя электронами следует ожидать до 4 близких линий. Это же получается и из 6 возможных комбинаций, описанных выше, если в них пренебречь магнитным взаимодействием электронов друг с другом. С помощью подобных комбинаций рассматривается мультиплетность и тонкое расщепление спектров для случаев трёх и более электронов.

Эффект Зеемана

В эффекте Зеемана обнаруживается дублетное расщепление спектров в случаях s-состояний. Стандартным объяснением этому считается взаимодействие спинового магнитного момента электрона с внешним магнитным полем. Однако в концепции динамического спина в s-состояниях спина нет, а магнитный момент порядка магнетона Бора возникает от орбитального вращения вещества в электронном облаке. Тогда для объяснения данного эффекта спин электрона не требуется. Если для атома выполняется приближение спин-орбитальной связи, то оно остаётся и в слабом внешнем магнитном поле. Поскольку в атоме все электроны взаимодействуют друг с другом, то для каждой комбинации магнитных состояний электронов имеется свой полный момент импульса атома с квантовым числом $~J$ и соответствующий ему магнитный момент. Число ориентаций этого магнитного момента в магнитном поле равно $~ 2J+1$, что и задаёт количество подуровней, на которые происходит расщепление данного уровня энергии атома в эффекте Зеемана.

Опыт Лэмба

В 1947 г. опыт Лэмба (Willis Eugene Lamb) и Ризерфорда (Robert Retherford) обнаружил так называемый лэмбовский сдвиг энергий в трёх близких друг к другу состояниях электрона в атоме водорода, находящегося на втором энергетическом уровне. Данный сдвиг обычно объясняется релятивистскими поправками, привлекается также гипотеза квантовомеханических флуктуаций вакуума в виде радиационных эффектов испускания и поглощения виртуальных фотонов, и рождения и аннигиляции виртуальных электрон-позитронных пар. С помощью идеи динамического спина результат опыта предстаёт в другом свете. На втором энергетическом уровне в атоме водорода электрон может быть в s-состоянии (синглетное состояние) с орбитальным вращением, а также в двух p-состояниях, в которых у электрона имеется как орбитальный момент импульса, так и спин соответствующего знака по отношению к орбитальному моменту. За счёт динамического спина возникает магнитная энергия взаимодействия магнитного момента электрона и магнитного момента от движения заряда ядра. В результате различие трёх состояний электрона возникает как от релятивистских поправок, зависящих от направления спина и формы электронных облаков, так и от соответствующих магнитных поправок к энергии уровня. Использование динамического спина электрона, рассматриваемого в виде облака, а не точечной частицы, позволяет отказаться от гипотезы виртуальных частиц и вакуумных поправок, к которым приходится обращаться в квантовой механике.

Магнитомеханические явления

Считается, что одним из подтверждений наличия спина у электрона в s-состояниях атомов являются результаты опытов Барнетта и Эйнштейна — де Хааза с ферромагнитными образцами. В опыте Барнетта при вращении образца у него появляется намагниченность и магнитное поле, а в опыте Эйнштейна — де Хааза образец при помещении его в магнитное поле начинает вращаться. При анализе опыта Барнетта приравниваются два момента силы, один из которых связан с вращением момента импульса электрона вокруг оси вращения образца с некоторой угловой скоростью, а другой — с влиянием магнитного поля на магнитный момент электрона. В результате получается, что g-фактор электрона в атоме равен 2, как для спина. С другой стороны, более корректным является не сравнение моментов силы, а использование закона сохранения энергии. Последнее приводит к тому, что работа момента силы при вращении образца затрачивается не только на поворот моментов импульса электронов в сторону оси вращения, но и на работу возникающего магнитного поля по повороту магнитных моментов электронов в этом поле. Это приводит к тому, что для g-фактора получается значение 1. Следовательно, в основном состоянии атомов магнитный момент образуется не за счёт спина электронов, (динамический спин равен нулю в стационарных состояниях), а за счёт орбитального вращения вещества электронных облаков.

Спин и химические свойства

В основном состоянии атома динамический спин электронов равен нулю, но распределение электронов по оболочкам подчиняется принципу Паули (за счёт электрического и магнитного взаимодействий соседних электронных дисков) и принципу минимума энергии в системе. Имеются также геометрические ограничения — на каждой оболочке с определённым расстоянием от ядра возможное число электронов в виде дисков чётно и при определённом количестве вещества у каждого электрона это число ограничено площадью оболочки. Общее число электронов на оболочке с квантовым числом n равно 2 n², где за счёт принципа Паули происходит соединение электронов в тесно связанные пары, а квадратичная зависимость от номера оболочки связывается с квадратом расстояния до оболочки, пропорциональным площади оболочки. Появление каждого нового электрона в атоме обусловлено необходимостью электронейтральности атома в целом. Описанные условия нахождения электронов в атоме приводят к изменениям химических свойств атомов (они определяются электронами внешней оболочки) в периодической таблице химических элементов. При таком подходе не требуется привлекать динамический спин для объяснения устройства атома и химических закономерностей.

Водород и водородоподобные атомы

По сравнению со свободным электроном с неопределённым радиусом, в атоме на электрон действуют дополнительные гравитационные и электрические силы со стороны ядра, так что электрон имеет возможность удерживаться этими силами, находясь в виде облака вокруг ядра. В водородоподобном атоме радиус, скорость и орбитальный момент электрона, на уровне энергии с главным квантовым числом $~n$ и для круговых орбит в s-состояниях, равны: $$~r_n = \frac{4 \pi \varepsilon_{0} \hbar^2 n^2 (A+Z-\zeta)}{m Z^2 e^2},$$ $$~u_n = \frac{Z e^2}{4 \pi \varepsilon_{0} \hbar n},$$ $$~L_n = \frac{n \hbar (A+Z-\zeta)}{Z},$$

где $~A$ и $~ Z$ — массовое число и заряд ядра, $~\zeta$ — коэффициент, отражающий отталкивание элементов заряда в веществе электрона друг от друга (для одного электрона $~\zeta=1$).

В отличие от стандартных выражений, радиус и момент импульса электрона зависят не только от заряда $~ Z$ ядра атома, но и от его массового числа (как следствие учёта сильной гравитации). При наличии динамического спина как движения центра инерции электронного облака относительно ядра, и в общем случае, содержащем эллиптические орбиты, формулы для энергии, момента импульса и магнитного момента электрона существенно усложняются, содержа в себе интегралы эллиптического типа. В магнитный момент вносят вклад как собственное движение вещества в электронном облаке (орбитальная компонента), так и спиновая компонента. Для каждого состояния электрона, описываемого набором квантовых чисел, можно вычислить параметры соответствующей эллиптической орбиты, сдвиг центра инерции электрона относительно ядра, скорости вещества и другие величины.

Пространственное квантование

Пространственное квантование возникает как квантование проекций магнитного момента и полного механического момента электрона на произвольную ось, выделенную магнитным полем. Число возможных проекций определяется количеством значений квантового числа μ_j = -j, -j+1,…j-1, j, где число j есть квантовое число полного момента импульса электрона, определяемое через квантовые числа орбитального и спинового момента импульса, так что j может быть полуцелым. Физической причиной квантования проекций полного момента импульса электронного облака на выделенную ось является необходимость изменения момента импульса на величину, кратную $\frac{ \hbar (A+Z-\zeta)}{Z}$, в процессах возбуждения или излучения электромагнитного кванта. При этом основной вклад в излучение вносит продольная компонента магнитного момента. Поэтому в квантовании механического момента основную роль играет его проекция на выделенную магнитным полем ось.

Гелий

Расчёт основного состояния атома гелия осуществляется в предположении, что ядро находится между двумя параллельными электронными дисками в виде колец, вещество которых вращается противоположно. Устойчивость вещества электронов определяется электрическими силами между ядром и кольцами, причём сила действия одного заряженного кольца на другое определяется эллиптическим интегралом, зависящим от радиуса и ширины колец и расстояний между ними. Кроме этого, учитываются сильная гравитация со стороны ядра и центробежные силы вращения вещества в дисках. Из решения уравнений для сил и энергии связи электронов находятся основные параметры атома гелия, включая размеры дисков и скорости вращения вещества в них, расстояние между дисками.

Дифракция электронов

В широко известном опыте с дифракцией света на двух близких щелях в экране на плоскости наблюдения за экраном появляется интерференционная картина. Нечто подобное обнаруживается и для электронов. Так, были проведены эксперименты, доказывающие существование дифракции от летящих практически поодиночке электронов. Если электрон считать точечным объектом, то понять его дифракцию весьма затруднительно, поскольку теоретический анализ опыта с дифракцией предсказывает одновременное прохождение электрона через обе щели.

С точки зрения субстанциональной модели, электроны в атомах представляют из себя объекты, подобные заряженным облакам. На уровне звёзд аналогичные облака состоят из вещества, в котором содержатся отрицательные заряды − электроны. Внешнее электромагнитное поле взаимодействует с этими зарядами, создавая в веществе облаков электрические токи, а также колебания зарядовой плотности. Поэтому движущееся облако, находящееся в возбуждённом состоянии, сопровождается внутренними собственными электромагнитными колебаниями, переходящими для внешнего наблюдателя в соответствующую длину волны де Бройля. При отрыве облака от притягивающей его звезды (как при отрыве электрона из атома или из куска вещества) облако может разорваться на части, которые будут двигаться потом в разных направлениях. Это связано с тем, что гравитационные силы самого облака не способны удержать его вещество против электрических сил расталкивания. Следовательно можно ожидать, что какая-то часть электронов при проведении дифракционного опыта распадается на части, которые при этом могут быть когерентными в отношении волн де Бройля. Если такие части электрона попадают на разные щели экрана, то после дифракции при подходящей разнице хода на плоскости наблюдения должны быть места, куда эти части приходят либо в фазе, либо в противофазе колебаний. Это приводит либо к сложению энергий колебаний, либо к их вычитанию. Результат получается такой, что на плоскости наблюдения периодически повторяются места, в которых падающие электроны сильно возбуждены и имеют дополнительную энергию, и места, где результирующей энергии возбуждения у электронов почти нет. Это даёт возможность для возникновения интерференционной картины.

См. также

• Спин
• Электрон
• Водородная система
• Принцип неопределённости Гейзенберга
• Бесконечная вложенность материи
• Подобие уровней материи
• SPФ-симметрия
• Звёздная постоянная Планка
• Звёздная постоянная Дирака
• Сильная гравитация
• Гравитационная модель сильного взаимодействия
• Субстанциональная модель нейтрона
• Субстанциональная модель протона
• Субстанциональная модель фотона
• Модель кварковых квазичастиц
• Длина волны де Бройля
• Праон

Примечания и сноски

• Использован материал из Substantial electron model