Физики из Гарвардского университета под руководством профессора Джеральда Габриэльса (Gerald Gabrielse) осуществили чрезвычайно прецизионный эксперимент, который позволил значительно уточнить численное значение постоянной тонкой структуры . Свои результаты они опубликовала в двух статьях, одновременно появившихся в журнале Physical Review Letters (97, 030801 и 97, 030802). В первой из них представлены данные измерений, во второй - итоговые вычисления.

Постоянная тонкой структуры - ее обозначают греческой буквой «альфа» (α) - была введена немецким физиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом в 1916 году, еще до создания квантовой механики. У Зоммерфельда она появилась в расчетах, описывающих дуплетное расщепление энергетических уровней (и, соответственно, спектральных линий) водородоподобного атома модели Бора, обусловленное релятивистскими эффектами. Такое расщепление называется тонкой структурой спектра, отсюда и название константы. Позднее выяснилось, что оно вызвано взаимодействием между орбитальным и спиновым моментами электрона, которое само по себе есть релятивистский эффект.

В 1916 году понятия спина еще не существовало, и Зоммерфельд получил свои результаты, вычисляя энергию электрона с точностью до квадрата отношения его линейной скорости v (которая тогда еще определялась чисто классически) к скорости света c , (v /c ) 2 . В эти расчеты постоянная тонкой структуры вошла как отношение скорости электрона на нижней круговой орбите к скорости света. В системе единиц CGSE она записывается с помощью простой формулы:

Здесь e - заряд электрона, c - скорость света, - редуцированная постоянная Планка, или постоянная Дирака ( = h /2π , где h - постоянная Планка , связывающая величину энергии электромагнитного излучения с его частотой). α - это безразмерная величина, ее численное значение очень близко к 1/137.

Физический смысл постоянной тонкой структуры радикально изменился после создания квантовой электродинамики. В этой теории электрически заряженные частицы взаимодействуют благодаря обмену виртуальными фотонами. Постоянная тонкой структуры там возникает как безразмерный параметр, характеризующий интенсивность этого взаимодействия.

Нагляднее всего роль «альфы» проявляется при расчете различных эффектов с помощью диаграмм Фейнмана , которые служат основным методом приближенных вычислений в квантовой электродинамике. Каждая вершина фейнмановской диаграммы привносит в численное значение амплитуды вычисляемого процесса множитель, равный квадратному корню из альфы. Поскольку возникающие в расчетах внутренние линии имеют по два конца, добавление каждой такой линии дает множитель, пропорциональный альфа. Именно благодаря малости постоянной тонкой структуры в квантовой электродинамике можно производить приближенные расчеты, разлагая вычисляемые величины в ряды по ее степеням. Правда, подсчет некоторых диаграмм дает бесконечности, но в квантовой электродинамике от них можно избавляться в помощью так называемой перенормировки (впрочем, это уже детали).

В конце 60-х годов квантовая электродинамика получила обобщение в виде единой теории электрослабых взаимодействий. В этой теории «альфа» растет пропорционально логарифму характерной энергии физического процесса и потому уже не является константой. Формуле Зоммерфельда соответствует предельное значение «альфы» при минимально возможных энергиях электромагнитного взаимодействия. Поскольку самыми легкими частицами с электрическим зарядом являются электроны и позитроны, этот минимум достигается при энергии, равной массе электрона, умноженной на квадрат скорости света. Согласно некоторым гипотезам, альфа может также зависеть и от времени, однако это пока не доказано.

Квантовая электродинамика не позволяет чисто теоретически найти конкретное значение «силы» электромагнитного взаимодействия. Однако его можно установить, вычислив какую-либо физически наблюдаемую величину, зависящую от α, и затем сравнив этот результат с экспериментом. Именно это и сделали Габриэльс с соавторами. Они воспользовались расчетами внутреннего (спинового) магнитного момента электрона в четвертом порядке теории возмущений, которые в этом году опубликовали профессор Корнелловского университета Тоичиро Киношита и его коллега из Японии Макико Нио (Physical Review D , 73 , 013003, 2006). Для подсчета поправок к опубликованному в 1996 году значению магнитного момента в третьем порядке теории возмущений Киношите и Нио пришлось учесть вклады от 891 фейнмановской диаграммы, что потребовало многолетних аналитических расчетов и вычислений на суперкомпьютере.

Как известно, магнитный момент электрона пропорционален произведению его спина на магнетон Бора . Коэфициент пропорциональности принято обозначать латинской буквой g . Согласно релятивистской теории электрона, сформулированной в 1928 году Полем Дираком, g = 2. Это значение два десятилетия принимали на веру, однако в 1948 году Поликарп Куш и Генри Фоли экспериментально доказали, что g приблизительно равно 2,002. Одновременно один из творцов квантовой электродинамики Юлиус Швингер получил ту же величину теоретически. Квантовая электродинамика объясняет превышение g -фактора над дираковским значением тем, что магнитный момент увеличивается благодаря рождению виртуальных частиц и поляризации вакуума. С тех пор g -фактор не раз измерялся на опыте и подсчитывался на основе уравнений квантовой электродинамики, причем каждый раз результаты совпадали со всё более высокой точностью. В 1987 году Ганс Демелт и его коллеги измерили g -фактор с точностью до четырех триллионных, за что двумя годами позже Ганс Демелт был удостоен Нобелевской премии.

Расчеты Киношиты и Нио позволили представить g -фактор в виде конечного ряда Тейлора, обрывающегося на члене, пропорциональном четвертой степени постоянной тонкой структуры α. Для экспериментальной проверки этого значения точность результатов группы Демелта была недостаточной. Габриэльс и члены его группы заново измерили g -фактор с помощью прибора, который они назвали одноэлектронным циклотроном.

Это устройство было создано Габриэльсом и Стивеном Пейлом еще в конце прошлого десятилетия и с тех пор непрерывно совершенствовалось. Оно представляет из себя небольшую проводящую полость, в которой с помощью переменных электромагнитных полей заперт один-единственный электрон (фактически, это модификация давно известного устройства, называемого ловушкой Пеннинга). При проведении измерений включается магнитное поле, направленное вдоль оси прибора. Присутствие этого поля заставляет электрон двигаться по спирали с циклотронной частотой f c и одновременно прецессировать вокруг вектора поля с частотой f s .

Согласно теории, g -фактор превышает двойку на величину, равную (f s – f c)/f c . Числитель и знаменатель этой дроби и были определены экспериментально. Эти измерения потребовали чрезвычайно точного расчета геометрии внутренней полости ловушки и ее охлаждения до 0,1 К - всё это было необходимо, чтобы обеспечить стабильность электронных орбит, поскольку измерения проводились на протяжении многих часов. Экспериментаторам пришлось даже принять в расчет релятивистские поправки, хотя они были крайне малы из-за очень низкой энергии электрона.

В конечном счете, эксперимент дал значение g /2 = 1,00115965218085, причем возможная ошибка не превышает 0,76 триллионных (то есть точность группы Демелта улучшена шестикратно). Это значение g -фактора позволило вычислить и величину альфа, которая оказалось равной 1/137,035999710 с погрешностью порядка 0,7 миллиардных (десятикратное улучшение по сравнению с предшествующими результатами).

Столь заметное уточнение расчетной величины постоянной тонкой структуры создает возможность для выявления границ квантовой электродинамики. В ее основе лежит предположение, что электрон и позитрон представляют собой точечные частицы. Если, как утверждают некоторые гипотезы, электрон и позитрон обладают внутренней структурой, она должна повлиять на значение альфы. (Правда, постоянная тонкой структуры также включает очень небольшие добавки, обусловленные сильным и слабым взаимодействием, однако физики из группы Габриэльса полагают, что их удастся принять в расчет).

Теперь физикам предстоит вновь как можно точнее измерить постоянную тонкой структуры другими способами (это делается, например, с помощью таких твердотельных феноменов, как эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла, а также посредством рассеивания фотонов на атомах рубидия) и сопоставить полученные результаты с оценкой группы Габриэльса. Кто знает, что из этого выйдет?

Источники:
1) B. Odom, D. Hanneke, B. D"Urso, G. Gabrielse. New Measurement of the Electron Magnetic Moment Using a One-Electron Quantum Cyclotron (полный текст PDF, 256 Kb) // Physical Review Letters , 97, 030801 (2006).
2) G. Gabrielse, D. Hanneke, T. Kinoshita, M. Nio, B. Odom. New Determination of the Fine Structure Constant from the Electron g Value and QED (полный текст PDF, 200 Kb) // Physical Review Letters , 97, 030802 (2006).
3) Toichiro Kinoshita, Makiko Nio. Improved alpha 4 term of the electron anomalous magnetic moment // Phys. Rev. D 73, 013003 (2006).

Алексей Левин

Астрофизики доказали то, что как минимум одна из фундаментальных физических постоянных, постоянная тонкой структуры «альфа» действительно постоянна и не меняется при переходе к другим звездным системам. Доказать это удалось в ходе наблюдений за белым карликом в 220 световых годах от Земли при помощи спектрального анализа. Подробности приведены в статье, которая опубликована в Physical Review Letters.

Постоянная тонкой структуры - безразмерная величина, образованная из универсальных физических констант:

α = e 2ħc ≈1/ 137 , где е — заряд эл-на, ħ — постоянная Планка, с — скорость света.

Согласно наиболее точным измерениям, a=1/137,035987(29). Т. с. п. определяет тонкое расщепление уровней энергии атома (а следовательно, и спектральных линий) В квантовой электродинамике а — естественный параметр, характеризующий «силу» электро-магнитного взаимодействия.

Эта константа была введена физиками для описания спектров в начале XX века и уже к середине столетия исследователи задались вопросом о том, насколько эта константа постоянна во времени, не меняется ли она от места к месту и нет ли зависимости ее от гравитационного поля.

Несмотря на то, что называется она постоянной, физики долгое время дискутируют о том, постоянна эта константа на самом деле. Несколько «скорректированное» ее значение для разных случаев могло бы решить определенные проблемы в современной космологии и астрофизике. А с выходом на сцену Теории струн многие ученые вообще склоняются к тому, что и прочие константы могут вести себя по разному. Изменения в постоянной тонкой структуры могли бы косвенно свидетельствовать о реальном существовании дополнительных свернутых измерений Вселенной, что необходимо Теории струн.

Ряд экспериментов, проведенных в 2010 году позволил сделать вывод о том, что изменения «альфа», если и существуют, не слишком велики, но работы по поиску отклонений были продолжены.

В новом исследовании использовался анализ спектров ионов никеля на поверхности белого карлика.

Проведенные наблюдения исключают возможность изменения постоянной тонкой структуры в гравитационном поле, которое в 30 тысяч раз сильнее поля Земли. Если постоянная альфа и меняется под действием гравитации, то это изменение не превышает одной сотой процента, говорят авторы исследования.

Смысл постоянной тонкой структуры, «альфы», можно характеризовать в рамках квантовой теории поля. Электромагнитное поле в квантовой теории состоит из так называемых виртуальных частиц, которые постоянно испускаются и поглощаются заряженными частицами (например, электронами или протонами), а постоянная «альфа» определяет то, насколько легко происходит испускание виртуальных частиц. Та же постоянная может быть определена и иначе: с использованием спектров атомов. предполагала одиночные уровни, в то время как реальные спектры демонстрировали две рядом расположенные линии: феномен получил название тонкой структуры, а величина зазора между линиями выражалась через константу «альфа».

Различные уравнения и физические формулы содержат целый ряд различных числовых констант. Некоторые из этих констант представляют собой числа, заимствованные из чистой математики. Пример: число 3,14159…, более известное под своим греческим именем π . Мы знаем значение π до миллиардов десятичных знаков, причём не измеряя его, а вычисляя на основе чисто математического определения: π – это отношение длины окружности к диаметру. Другие математические числа, такие как квадратный корень из двух и число, обозначаемое буквой e , тоже могут быть вычислены с бесконечной точностью, если только кто-нибудь захочет это сделать.

Но в физических формулах присутствуют и другие числа, которые не имеют специфического математического происхождения. Их можно назвать эмпирическими числами. Например, в ядерной физике используется очень важное соотношение между массой протона и массой нейтрона. Его численное значение известно до семи десятичных знаков: 1,001378. На сегодняшний день не известно способа вычислить следующие десятичные знаки чисто математическим путём. Необходимо отправиться в лабораторию и измерить их. Наиболее фундаментальные из этих эмпирических чисел удостоены звания «мировых констант». Постоянная тонкой структуры – одна из таких мировых констант. Подобно π , постоянная тонкой структуры обозначается греческой буквой α (альфа). В популярной литературе часто приводится её приближённое значение 1/137. Её наиболее точное значение известно до одиннадцатого знака после запятой: 0,00729735257, и это одна из наиболее точно измеренных физических констант.

Постоянная тонкой структуры является примером величины, которые физики называют константами связи . Каждая константа связи ассоциирована в квантовой теории поля с одним из базисных событий, с определённым типом вершины на фейнмановской диаграмме. Константа связи является мерой силы или интенсивности взаимодействия, представленного вершиной соответствующего типа. В квантовой электродинамике основной тип вершин соответствует излучению фотона электроном. Рассмотрим более подробно, что происходит при излучении фотона.

Можно начать с вопроса: что определяет конкретную точку, в которой электрон, двигаясь в пространстве-времени, испускает фотон? Ответ заключается в том, что ничто не определяет, – физика на микроуровне непредсказуема. Природа содержит элемент случайности, который буквально сводил с ума Эйнштейна в его последние годы. «Бог не играет в кости!» – протестовал Эйнштейн. Но независимо от того, нравилось ли это Эйнштейну, природа не является детерминированной. В природе, как я уже сказал, есть элемент случайности, который встроен в Законы Физики на самом глубоком уровне, и даже Эйнштейн ничего не мог с этим поделать. Но то, что природа не является детерминированной, вовсе не означает, что она полностью хаотична. Вот тут и выступают на сцену принципы квантовой механики. В отличие от ньютоновской физики, квантовая механика никогда не предсказывает будущее на основании информации о прошлом. Вместо этого она предоставляет очень точные правила для вычисления вероятности различных альтернативных результатов эксперимента. Нет никакой возможности предсказать окончательное местоположение фотона, который прошёл через щель, равно как не существует никакой возможности точно предсказать, в каком месте своей траектории электрон испустит фотон или в каком месте другой электрон сможет его поглотить. Но существует определённая вероятность для этих событий.

Хорошей иллюстрацией такой вероятности служит работа электронно-лучевой трубки старого телевизора. Свет, исходящий от телевизионного экрана, состоит из фотонов, рождаемых врезающимися в экран электронами. Электроны испускаются электронной пушкой в задней части кинескопа и направляются к экрану электрическими и магнитными полями. Но не каждый электрон, врезающийся в экран, излучает фотон. Некоторые излучают, а большинство – нет. Грубо говоря, вероятность того, что конкретный электрон испустит квант света, даётся постоянной тонкой структуры α. Другими словами, только один из 137 электронов испускает фотон. Это означает, что α – это вероятность того, что электрон, двигаясь вдоль своей траектории, соблаговолит излучить фотон.

Фейнман не просто рисовал картинки. Он изобрёл набор правил для расчёта вероятностей сложных процессов, изображённых на этих картинках. Иными словами, он изобрёл точный математический аппарат, который предсказывает вероятность любого процесса в терминах простейших событий: пропагаторов и вершин. В конечном итоге вероятности всех процессов в природе сводятся к константам связи, подобных α.

Постоянная тонкой структуры также управляет интенсивностью процессов, представленных обменной диаграммой, которая, в свою очередь, определяет силу электрического взаимодействия между заряженными частицами. Она определяет, насколько сильно атомное ядро притягивает к себе электроны. Как следствие, она определяет размер атома и скорости, с которыми электроны движутся по своим орбитам, и в конечном итоге она управляет силами, действующими между различными атомами, которые позволяют им соединяться в молекулы. Но самое важное то, что мы не знаем, почему она имеет значение 0,00729735257, а не какое-то другое. Законы Физики, обнаруженные в XX веке, оказались очень точными и полезными, но происхождение этих законов остаётся загадкой.

Теория этого упрощённого мира электронов, фотонов и точечных ядер и есть квантовая электродинамика, и её фейнмановская версия оказалась невероятно успешной. С помощью разработанных Фейнманом методов свойства фотонов, электронов и позитронов были описаны с удивительной точностью. Кроме того, если в теорию добавить упрощённый вариант ядра, то с такой же невероятной точностью удаётся описать и свойства простейшего атома – атома водорода. В 1965 году Ричард Фейнман, Джулиан Швингер и японский физик Син-Итиро Томонага получили за работы по квантовой электродинамике Нобелевскую премию.

Конец первого акта.

Если в первом акте театральное действие ограничивалось только двумя персонажами, то во втором акте разворачивается на сцене эпическое полотно с сотнями актёров. Новые частицы, обнаруженные в 1950-х и 1960-х годах, пополнили ряды неуправляемой театральной массовки и на сцене, помимо электронов и фотонов, появились нейтрино, мюоны, тау-лептоны, u-кварки, d-кварки, странные кварки, очарованные кварки, b-кварки, t-кварки, глюоны, W- и Z-бозоны, бозоны Хиггса и другие действующие лица. Никогда не верьте тому, кто говорит, что физика элементарных частиц элегантна. Эта сборная солянка названий частиц отражает такое же нагромождение масс, электрических зарядов, спинов и других свойств. Но, несмотря на обилие и разнообразие действующих лиц, мы знаем, как описать их поведение с огромной точностью. «Стандартная модель» – это название математической конструкции (особого варианта квантовой теории поля), которая лежит в основе современной теории элементарных частиц. Хотя она гораздо сложнее квантовой электродинамики, фейнмановские методы настолько мощные, что и в этот раз они позволяют выразить всё в виде простых картинок. Принципы точно такие же, как в КЭД: всё построено из пропагаторов, вершин и констант связи. Но есть новые актёры и совершенно новые сюжетные линии, одна из которых называется КХД.

Cтраница 3

Следует отметить, что хотя в последние годы изучение тонкой структуры сополимеров привлекает большое внимание исследователей, возможности применяемых методов еще весьма ограничены, особенно в отношении характеристики чередования звеньев.  

Интерферометр Фабри - Перо используется в спектроскопии для изучения тонкой структуры спектральных линий.  

Найденные Жиге ром константы вращения на основании изучения тонкой структуры полосы 7040 см совпали с ранее проведенными исследованиями в условиях высокой дисперсии. При варьировании азимутального утла от 0 до 180 получены следующие крайние значения моментов инерции: 1А 2 89 - 2 76; / в 32 0 - 35 1 и / с 35 0 - 32 4 - 10 40 г-смг. Можно видеть, что гармоническая средняя больших моментов почти не зависит от величины, принятой для азимутального угла. Поскольку этот момент в большей степени зависит от недостаточно точно определенного расстояния О - Н, чем от азимутального угла, определение точной величины последнего не имеет существенного значения.  

В аналитической практике ЯМР находит наибольшее применение при изучении тонкой структуры резонанса изолированного ядра; для этого используют спектрометр ЯМР высокого разрешения. Некоторые спектрометры сконструированы только для изучения ядер водорода (протонов), другие позволяют наблюдать также резонанс фтора или фосфора.  

Особое значение придается экспериментальным работам, ставящим себе целью изучение тонкой структуры турбулентных процессов.  

Особое значение придается экспериментальным работам, ставящим себе целью изучение тонкой структуры турбулентных процессов. Существуют специальные институты механики турбулентности, занимающиеся исследованиями разнообразных пространственно-временных статистических характеристик полей пульсационных скоростей и давлений.  

Хорошим материалом для оттенения является уран, особенно при изучении очень тонких структур, поскольку он обладает весьма малым размером кристаллитов; однако уран дорог и, кроме того, окисляется на воздухе, что, по-видимому, приводит к некоторому снижению рассеивающей способности по сравнению с величиной, приведенной в таблице.  

Керен и Реш , а также и Реш , занимались изучением тонкой структуры простых полиэфиров. Так, Реш нашел, что прирост длины полиэтиленгликоле-вой цепи на одну этиленоксидную группу равен - 2 А. Расчет для зигзагообразной цепи по известным величинам атомных расстояний и валентных углов дает для периода идентичности величину 3 4 А. Сокращение длины цепи на 43 % связано с образованием извитой спиральной структуры.  

Измерение эффектов второго порядка используют для получения информации о нелинейности электрохимической кинетики, изучения тонкой структуры двойного электрического слоя.  

Экспериментальные данные, позволившие открыть спин электрона, были получены главным образом при изучении тонкой структуры спектральных линий; краткое описание такой структуры дано в гл. Один из наиболее значительных экспериментов, опыт Штерна - Герлаха, был предложен в 1921 г. немецким физиком Отто Штерном (1888 - 1969) и в том же году выполнен вместе с В. Схема установки, использованной в эксперименте, показана на рис. 3.28. В процессе опыта серебро испарялось в условиях высокого вакуума из печи, расположенной на дне устройства. Узкий пучок атомов 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 удавалось обнаружить после проявления пластинки. Было установлено, что исходный пучок атомов серебра расщеплялся на два пучка.  

Представление о спине введено в 1925 г. (Уленбек п Гаудсмит) на основе изучения тонкой структуры спектральных линий.  

Этот вид упрочнения трубных сталей относительно точно можно определить по экспериментальным результатам, полученным при изучении тонкой структуры с помощью электронной микроскопии. Субструктурное упрочнение на поздних стадиях своего развития изменяется по параболическому закону.  

Способность растворов полициклических ароматических углеводородов к люминесценции позволяет определять с большой точностью состав смолистых веществ при записи и изучении тонкой структуры спектров низкотемпературной люминесценции в н-окта-не при - 193 С. Определяемая концентрация 3 4-бензпирена лежит в пределах ЦДК.  

Вместе с тем известно, что даже моноатомные по высоте ступени скола являются местами предпочтительного образования зародышей - на этом принципе основана методика изучения тонкой структуры поверхности посредством декорирования. Различные виды обработки поверхности - очистка, скалывание в вакууме, электронная бомбардировка и другие - приводят к заметному изменению плотности зародышей.  

Одним из наиболее важных технических вопросов при исследовании спектров испускания атомов меди и никеля в соединениях и сплавах, еще более усложнившимся при изучении тонкой структуры спектров поглощения этих же элементов, являлся вопрос о поглощении, которое испытывает рентгеновское излучение на пути от антикатода рентгеновской трубки спектрографа до рентгенопленки. В табл. 7 представлены величины, характеризующие проницаемость для медного и никелевого излучения отдельных препятствий, встречаемых рентгеновскими лучами на пути к пленке.  

Тимофей Гуртовой

Физический смысл

постоянной тонкой структуры

Безразмерная постоянная, равная 1/137, была получена немецким физиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом, в 1916 году, ещё до создания квантовой теории. Впоследствии она получила название постоянной тонкой структуры. Числовое её выражение было получено в системе СГСЭ, из математического выражения, которое имеет следующий вид:

2π e 2

а = ─── , (1)

h С

где: а - постоянная тонкой структуры; e – заряд электрона; h – Планка постоянная; С – скорость света.

Попытки узнать, что означает эта постоянная, в конце концов, привели к тому, что она якобы характеризует электромагнитное взаимодействие. Однако это ложная её интерпретация. Познать её сущность до сих пор так и не удалось. Единственное, что является понятным, так это её принадлежность к процессу получения спектров атомов, поскольку исходное относится к этой области.

Непонятность выражения (1) привлекая внимание, вызывает к нему любопытство. А то, что оно относится к явлению атомных спектров, процессу мало изученному – любопытство двойное. И в вопросах его разгадки приводит к разномыслию, даже такому: не может ли быть, что в этом процессе масса выброшенных из атома электронов не является величиной постоянной? В таком случае размерность быть бы должна. Разве что оно является результатом какого-то соотношения в этом процессе, на что, в своей работе, «намекал» сам Зоммерфельд. Тогда величина может быть и безразмерной. Так было замечено, что уравнение (1) возможно, анализируя далее, продолжить и завершить таким образом, чтобы оно указывало бы на его физическую сущность, что и было выполнено.

При завершении анализа оказалось, что уравнение (1), действительно выражает соотношение определённых величин, в процессе, когда атом находится в состоянии большой энергетической перегрузки , в результате высокой температуры. Однако не в процессе возникновения спектра , за счёт излучения, а в связи с процессом, происходящим в самом атоме .

Если какое либо вещество, повышая температуру, привести в парообразное состояние, то его атомы начинают излучать спектры резонансных частот. Но излучают не сами атомы, а частицы в момент их выброса, из перевозбуждённых атомов.

Математическое выражение тонкой структуры, в таком случае, должно описывать какой-то существенный факт, который имеет место в этом процессе. Поэтому завершение уравнения Зоммерфельда, с участием электронов, было проведено с позиции возникновения свободных носителей тока , при перевозбуждении атома.

В результате продолженного анализа выражение (1) было преобразовано в уравнение (2), из которого теперь следует его физический смысл (вывод в проекте, подготовленного, 2-го издания ).

2π σ

а = ──── , (2)

Электрическая проводимость – это физический параметр, электрической цепи, который свидетельствует о способности некоторых материалов, в той или иной мере, проводить электрический ток. Общая размерность проводимости – [см /с ].

Принимая во (2) проводимость общей, подчеркиваем, что сама цепь электрического тока, в данном случае, не рассматривается и проводимость привлекается только, как параметр кинетики носителей тока . В таком случае постоянная тонкой структуры во (2), с общей проводимостью, будет величиной безразмерной (3).

а = 2π σ [см/с]/ С [см/с]= 1 / 137 (3)

Уравнение (3), описывая движение, на основании размерности общей электрической проводимости [см /с ] , показывает отношение каких-то двух скоростей электрона V е1 и V е2 в атоме. И, согласно структуре уравнения, должно быть величиной постоянной (4).

а v = V е1 / V е2 = 1/137 (4)

Электрон, как известно, является стабильной фундаментальной элементарной частицей. Согласно физике рациональной, конституция материальных объектов представляется совокупностью вещественности, в виде внешней оболочки, и керна абсолютной пустоты в центре. Стабильность частиц, в таком случае, будет обусловлена достаточностью объёма керна абсолютного вакуума , что обеспечивается предельной, равной – С, вихревой скоростью её тонкой первоплазменной оболочки. Вихревая скорость оболочки частицы, в данном случае электрона, придавая ему вращательное движение , заставляет его двигаться в Пространстве по спирали, с той же предельной скоростью. Эту скорость будем называть спинорной .

Кроме скорости спиральной (спинорной) , электрон, движущийся в Пространстве, обладает и скоростью прямолинейной (поступательной) , вызываемой ускоряющей энергией внешнего электрического поля.

Спиральная скорость электрону задаётся его орбитальным движением в атоме. А поскольку подобная величина орбитальной скорости (равная – С) в атоме может быть только у поверхности вакуумного керна, значит, электрон сбрасывается с поверхности керна, т. е. из его центра, и в момент минимального объёма, переходя границу сферы, в процессе осцилляции. В результате сброса возникает скорость электрона - поступательная . Эта скорость частицы является скоростью её выхода из атома . Поэтому есть все основания считать, что уравнение (4) выражает отношение скоростей электрона в атоме : скорости выхода (V е1 = V е. в. ) , к скорости орбитальной (V е2 = V е. о. ) , иначе, спиральной (спинорной) в Пространстве – С .

Согласно (4) скорость выхода электрона из атома постоянна и меньше предельной – С, строго определённым образом, в 137 раз.

Анализируя уравнение (4), нельзя не заметить некоторую физическую, скажем так, «несправедливость» , которая из него так же вытекает. Постоянство пространственной спиральной скорости электрона, равное – С, утверждает постоянство и равенство скоростей всех электронов, по той или иной причине, покидающих пределы атомов, т. е. равенство скоростей выхода в любом веществе . Подобного в нормальных условиях быть не должно, поскольку работа выхода электрона из атома в Пространство, для каждого материала, индивидуальна. И возникает подозрение, что в нашем анализе процесса или где-то допущена ошибка, или это уравнение описывает только частный случай.

Однако, если учесть, что в основу математического изыскания Зоммерфельда положено явление спектрального проявления атомов, то всякие сомнения, по поводу реальности постоянства и равенства скоростей выхода из них электронов, должны отпасть. Поскольку это уравнение, действительно, представляет частный случай, когда именно существование подобных фактов в Природе, позволяет получать спектры атомов, где распределение спектральных линий зависит только от энергии, автономно проявляющих себя, атомных структур. Так что в случае значительного повышения температуры вещества и превращении его в пар, подобное, т. е. постоянство и равенство скоростей выхода электронов, независимо от используемого материала, вполне возможно.

В нормальных температурных условиях, при достаточной энергии возбуждения, атом испускает только моноэнергетичные электроны, по одному за период, скажем так, его общемассовой осцилляции. При высоких температурах атом выбрасывает уже целый пакет, причём полиэнергетичных электронов.

Поступающее в атомы излишнее количество энергии приводит к возникновению дополнительных вакуумных зон, между структурными частями атомов. Это ослабляет межструктурные связи, ранее, в нормальном состоянии, высокие. И структурные части атомов, приобретя свободу функционирования, начинают осциллировать самостоятельно, каждая со своей резонансной частотой.

В условиях высокой степени осцилляции, атом, не переставая быть целостным, компактным образованием, как прежде, в смысле целостного функционирования, в результате возникновения межструктурных зон вакуума, быть перестаёт. Каждая его структурная часть будет осциллировать отдельно, и каждая в своём резонансном режиме. Самостоятельно осциллируя, структурные части атома, сами испускают электроны, таким образом, усиливая процесс освобождения атомов от лишней энергии, поступающей в них извне.

Энергетическая самостоятельность структур атомов, допускающая резонансный режим их осцилляции, ставит эти образования, в процессе излучения ими электронов, в равные условия. В таком случае постоянство отношения в (4) непременно будет соблюдаться.

Различие же по величине радиусов орбит электронов, в этих условиях, создаёт только разную, по времени, цикличность, в процессе их обращений. От чего зависит частота сопутствующих этому процессу излучений, что и наблюдается в виде набора спектральных линий.

Подводя итог, только выполненному , в дополнительном анализе уравнения Зоммерфельда, можно сказать, что высокотемпературная осцилляция атомов создаёт одинаковые условия выхода из них электронов, без существенных различий в энергетических затратах на процесс их выброса для разных веществ. И в условиях энергетической перегрузки атомов, уравнивая их в этом поведении, приводит к получению спектра «чистых» резонансных частот , которые реально отражают внутреннюю структуру атома.

Завершение анализа

Следует так же заметить, что осциллирующие атомы, как свидетельствует практика, способны выбрасывать в Пространство частицы и в нормальных температурных условиях, если поглощаемые ими электромагнитные кванты будут обладать энергией не меньшей энергии выхода. Излучаются в этом случае и электроны, и позитроны.

Электрон, как уже было сказано, выбрасывается из центра атома, с поверхности вакуумной зоны, где его орбитальная скорость равна – С. Она-то и есть причина его, такой же по величине, спинорной скорости в Пространстве. Что, является залогом его прочности и долговечности, позволяя ему существовать даже при неоднократном взаимодействии с микроструктурой среды.

Позитрон выбрасывается с поверхностных слоёв атома, где скорость вихревого движения материи и, значит, его орбитальная скорость меньше предельной. Поэтому, обладая недостаточным количеством вихревого движения, не получая дополнительной энергии, может существовать в Пространстве только до первой встречи с его микроструктурой. После чего распадается и, излучив электромагнитный квант, превращается в первоматерию

В явлении получения спектров атомов, говоря об электрической проводимости, мы вводили в уравнение её размерность в общей форме, т. е., в виде физического понятия, характеризующего не движение носителей тока в электрической цепи, а просто кинетику электронов, которые перевозбуждёнными атомами выбрасываются в Пространство. Если же рассматривать возникновение и движение электронов, как носителей тока в электрической цепи, то в этом случае проводимость будет физическим параметром, характеризующим качество конкретной электрической цепи. И должна быть, в уравнении (3), удельной - σ у. , имея размерность – [ 1 /с ] . Принятие подобной размерности для одного члена уравнения, нарушая его прежнюю безразмерность, приводит к тому, что эта физическая постоянная размерность приобретает .

ά= 2π σ у / С[см/с] = 1 / 137 (5)

Теперь в (5), смысл уравнения (4), как отношения скорости выхода электрона из атома к его скорости Пространственной (орбитальной) , из-за различной размерности составляющих, теряется . Чтобы восстановить прежний смысл уравнения, в его числителе должна появиться размерность пространственной координаты – [см ] . Но она может появиться только с вновь ведённым физическим параметром. Будет ли законно подобное нововведение в уже существующее уравнение?

Если рассматривать не выброс зарядов структурами атома пресыщенного энергией, а процесс их получения за счёт действия на атомы, находящиеся в нормальном энергетическом состоянии, электрического поля в цепи электрического тока, которое будет стимулировать выход электронов (позитронов), то подобный акт возможен. И введённым параметром может стать радиус орбиты выбрасываемой частицы.

Однако новь введённый параметр – радиус , имея собственное числовое значение, восстановив смысл уравнения своей размерностью, теперь нарушит численную величину его результата. К тому же, эта величина будет постоянной только для атомов одного, конкретного материала. Поскольку частица выбрасывается в электрическую цепь из её материала. Физически это будет означать, что уравнение (2) теперь должно представлять отношение скорости выброса частицы из атома к её скорости в электрической цепи, при конкретном материале. И выражение (2), с внесённым пространственным параметром , в виде радиуса – r [см] орбитального частицы, примет следующий вид:

2π r σ у

ά = ──── , (6)

где: ά – величина отношения скоростей, но не равная постоянной 1/137 ; σ у – удельная проводимость материала электрической цепи; r – радиус орбиты частицы атома, которая при наличии электрического поля и замкнутой цепи, станет причиной возникновения электрического тока; С – скорость света.

Бета-частицы, как носители электрического тока, могут быть и отрицательными - электроны, и положительными – позитроны. Те и другие в цепях электрического тока существуют, только перескакивая от атома к атому, пока действует в них ЭДС.

Процесс возникновения электрического тока в электрических цепях, и его там существование, может быть представлен следующим образом. При возникновении ЭДС в электрической цепи, атомы материалов составляющих цепь поляризуются. Их материальная оболочка сдвигается относительно вакуумных кернов (последние, являя узлы кристаллической решетки материала, образуют жесткую его систему, и осцилляция атомов происходит вокруг них).

Все взаимодействия в материальном мире происходят согласно фундаментальному закону Потенциальной Градации материи . В атомах составляющих материалы с отрицательным коэффициентом Холла, которые поставляют в цепь электроны, материальные оболочки обладают большим поверхностным потенциалом, нежели потенциал отрицательного полюса источника ЭДС. Поэтому относительно узлов решетки оболочки сдвигаются в сторону этого полюса. И при осцилляции, в момент минимума объёма, под воздействием ЭДС источника сбрасывают «частицы»-электроны с поверхности сферы вакуумного керна , в направлении обратном, в сторону положительного полюса.

В атомах составляющих материалы с положительным коэффициентом Холла всё происходит наоборот, так как поверхностный потенциал их материальных оболочек меньше потенциала положительного полюса источника ЭДС, поэтому оболочки сдвигаются в его сторону. Сбрасываются «частицы»-позитроны с поверхности атомов, в момент максимума объема осциллирующего атома, что ускоряет их движение , и в сторону отрицательного полюса источника ЭДС.

Ввиду отсутствия свободной первоматерии в межатомных промежутках материалов составляющих электрическую цепь, сопротивление движению выброшенным «частицам» отсутствует. И их переформирование в точечно-корпускулярную форму не происходит. Что, при взаимодействии с встреченными ими атомами материала цепи, в результате интенсивного торможения приводит к окончательному их распаду и превращению в первоматерию.

Под воздействием ЭДС источника, возникшая первоматерия образует общий поток , по кольцу замкнутой цепи. Единый поток первочастиц, которые и являются истинными носителями электричества, как такового, созданный распавшимися полагаемыми «носителями», - это и есть электрический ток. А все тормозные излучения полагаемых и истинных носителей – тепло Джоуля.

Первочастицы обладают самым малым поверхностным потенциалом, поэтому движение их потока направлено в сторону положительного полюса источника ЭДС. Что, кстати, верно было принято исторически, хотя и интуитивно, без научного обоснования.

Поскольку в межатомном пространстве токопроводников, пространственная среда отсутствует, то скорость потока носителей (первочастиц), ею не ограниченная, будет на много порядков выше, чем в Пространстве, с первоматерией. Это и показано в (6) математически, с помощью внесённых численных значений удельной проводимости - σ у и орбитального радиуса частицы – r в атоме.

Радиус, например, «орбиты» электрона, который может быть выброшен осциллирующим атомом, по величине, не отличается от радиуса керна атома – 7,21·10-12 [см] . Радиус «орбиты» позитрона – равен радиусу атома.

Факт значительного превышения скорости частиц в электрической цепи относительно их скорости в Пространстве в физике уже признан: скорость распространения тока в электрической цепи почти мгновенна.

Всё вышеизложенное, основанное на выражении уравнении (6), говорит о том, что носителей электрического тока, в виде постоянно существующего электронного газа, в проводниках не существует. Но не только оно свидетельство этому, есть ещё и экспериментальное тому подтверждение .

Выводы из равенств – (4) и (6)

Все структурные материальные образования и отдельные частицы, составляющие атом, если рассматривать их по отдельности, завершенной корпускулярной (сконцентрированной, точечной) формы, не имеют. Это, как было сказано, кольцевые образования, находящиеся в вихревом движении вокруг вакуумного керна, каждое по своей кольцевой орбите. Сконцентрированную, точечную форму частицы приобретают при выходе из атома в Пространство, затрачивая на это энергию. Таким образом, энергия выхода частицы из атома (электрона или позитрона) в Пространство, заполненное первоматерией, – это энергия преобразования её формы. Кольцевая форма частиц превращается в форму в виде шара с топологией тора. Топология тора позволяет свободной частице иметь спин и способствует её поляризации в электрических и магнитных полях.

В Пространстве процесс преобразования двусторонний . При ускорении частицы, материя из рассредоточенного состояния, в Пространстве, превращается в состояние сосредоточенное в частице, её массу увеличивая . При торможении , наоборот , материя из состояния сосредоточенного в частице, переходит в состояние, рассредоточенное в Пространстве, её массу уменьшая .

В атоме же, при выбросе частицы, происходит только сосредоточение материи . Её кольцеобразная форма в атоме, в Пространстве превращается в сконцентрированную, точечную форму .

Скорость преобразования материи конечна и равна – С. Время преобразования материи находится в прямой зависимости от её количества. Поэтому отношение массы материи ко времени её преобразования в первоматерию и обратно, первоматерии в материю, величина постоянная.

а t. = m 1 / t 1 = m 2 / t 2 … mn / tn = Const (7)

Известно, что массы выбрасываемых частиц, электронов и позитронов, по величине разные. Однако суммарная масса носителей тока в электрической цепи (частиц первоматерии) - ∑ m н. т. ., после преобразования разного количества материи , выброшенных частиц, в первоматерию, на всех её участках , состоящих из материалов разной проводимости (с разным коэффициентом Холла), одинакова .

Подобное возможно только при условии, что в момент преобразования происходит и изменение величины преобразуемой массы , по причине разной скорости движения частиц, что приводит к уравниванию выбросов. Скорость выхода электрона и позитрона из атома в электрическую цепь обусловлена их орбитальными скоростями, а они разные - v э. > v п. .. И при большей скорости будет больше величина добавки - ∆ m .

∑ m н. т. = m э. (v э. ) = m п .(v п. ) (8)

Практика показывает, что в электрической цепи, состоящей из материалов с разным коэффициентом Холла, величина тока на всех её участках одна и та же. Значит, полный заряд, состоящий из суммы элементарных носителей тока (первочастиц) ∑ q н. т ., циркулирующий в цепи, тоже постоянен. И, учитывая (7) и (8), следу положить равенство (9) и тождество (10).

U ∑ q н. т. = U (q э. + q п. ) = m э. C 2 + m п. V 2 (9)

∑ q н. т. = q э + q п. ≡ ∑ m н. т. = m э. + m п. (10)

А из этого следует, что заряд носителя – это его масса , выраженная в электрических единицах . Значит, эти физические параметры частицы – m и q , через соответствующий коэффициент – k , можно приравнять и получить механическую электромагнитную массу (11).

m = k q, где k имеет размерность [кг /Кл] . (11)

Можно выразить электромагнитную массу и через параметры электромагнитного поля, но это вопрос уже другой темы.

Библиография

1. Сатаева О, Афанасьев Т. КТО МЫ И ОТКУДА? /О. Сатаева, Т. Афанасьев. //Размышления, подкреплённые материалом из монографии «Мы не одиноки во Вселенной», - 1-е изд. – Иркутск: ИВВАИУ (ВИ), 2007. – 208 с.