Физика элементарных частиц материи - Владимир Голощапов

Строение атомов и принцип Паули

Принцип Паули помогает объяснить разнообразные физические явления. Следствием принципа является наличие электронных оболочек в структуре атома, из чего, в свою очередь, следует разнообразие химических элементов и их соединений. Количество электронов в отдельном атоме равно количеству протонов. Так как электроны являются фермионами, принцип Паули запрещает им принимать одинаковые квантовые состояния. В итоге, все электроны не могут быть в одном квантовом состоянии с наименьшей энергией (для невозбуждённого атома), а заполняют последовательно квантовые состояния с наименьшей суммарной энергией (при этом не стоит забывать, что электроны неразличимы друг от друга(?), и поэтому нельзя сказать, в каком именно квантовом состоянии находится конкретный электрон). Примером может служить невозбуждённый атом лития (Li), у которого два электрона находятся на 1s-орбитали (самой низкой по энергии), при этом у них отличаются собственные моменты импульса, и третий электрон не может занимать 1s-орбиталь, так как будет нарушен запрет Паули. Поэтому третий электрон занимает 2s-орбиталь (следующая, низшая по энергии, орбиталь после 1s). Эта степень свободы была в 1925 г. идентифицирована Г. Уленбеком и С. Гаудсмитом как спин электрона. Спин (от англ. spin – вращаться, вертеться.), собственный момент количества движения элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. (При введении понятия «Спин» предполагалось, что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок», а его Спин – как характеристику такого вращения, – отсюда название «Спин».) Спин называется также собственный момент количества движения атомного ядра (и иногда атома); в этом случае Спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) Спин элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих обусловленных их движением системы. Спин измеряется в единицах Планка постоянной ћ и равен Jћ, где J – характерное для каждого сорта частиц целое (в т. ч. нулевое) или полуцелое положительное число, называемое спиновым квантовым числом (обычно его называют просто Спин). Соответственно говорят, что частица обладает целым или полуцелым Спин. Например, Спин электрона, протона, нейтрона, нейтрино, так же как и их античастиц, в единицах ћ равен 1/2, Спин и К-мезонов – 0, Спин фотона равен 1. Хотя у фотона (как и у нейтрино) нельзя измерить собственный момент количества движения, т. к. нет системы отсчёта, в которой фотон покоится, однако в квантовой электродинамике доказывается, что полный момент фотона в произвольной системе отсчёта не может быть меньше 1; это даёт основание приписать фотону Спин 1. Наличие у нейтрино Спин 1/2 вытекает, например, из закона сохранения момента количества движения в процессе бета-распада. Проекция Спин на любое фиксированное направление z в пространстве может принимать значения J, J – 1, …, – J. Т. о., частица со Спин J может находиться в 2J + 1 спиновых состояниях (при J = 1/2 – в двух состояниях), что эквивалентно наличию у неё дополнительной внутренней степени свободы. Квадрат вектора Спин, согласно квантовой механике, равен ћ2J(J+1). Спин частиц однозначно связан с характером статистики, которой подчиняются эти частицы. Как показал Паули (1940), из квантовой теории поля следует, что все частицы с целым Спин подчиняются Бозе – Эйнштейна статистике (являются бозонами), с полуцелым Спин – Ферми – Дирака статистике (являются фермионами). Для фермионов, например электронов, справедлив принцип Паули, для бозонов он не имеет силы. В математический аппарат нерелятивистской квантовой механики Спин был последовательно введён Паули, при этом описание Спин носило феноменологический характер. В действительности Спин частицы это релятивистский эффект (что было доказано П. Дираком). Спин это изобретение квантовой теории для объяснения наличия магнитного потока в атоме и различных частицах.[Вик. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B8%D0%BD].А существует ли вращение элементарных частиц? Давайте рассмотрим такой простейший опыт. В «Оптике» есть закон отражения света. Он гласит, что падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр к границе двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости; угол отражения равен углу падения. Ели бы луч света состоял из вращающихся в различные стороны квантов, то при контакте с отражающей поверхностью эти кванты разлетались бы в разные стороны и луч света превратился бы в пузырь света. Если бы луч света состоял из квантов, вращающихся в противоположные стороны перпендикулярные направлению их движения, то после контакта с отражающей поверхностью луч света бы раздвоился на два луча. Но ни того ни другого не происходит. Свет отражается по закону отражения, демонстрируя этим, что луч света состоит из невращающихся частичек (квантов), обладающих упругостью, но не обладающих вращением. Таким образом, всеми признаётся, что фотон обладает электрическим и магнитным монополями. Эксперименты Комптона показали, что энергия и импульс в элементарных процессах сохраняются всегда. Его расчёты изменения частоты падающего фотона в комптоновском рассеянии выполняются с точностью до 11 знаков. Одним из экспериментов, подтверждающим квантование поглощения света, стал опыт Вальтера Боте, проведённый им в 1925 году. В этом опыте тонкая металлическая фольга облучалась рентгеновским излучением (фотонами) низкой интенсивности. При этом фольга сама становилась источником слабого вторичного излучения. Исходя из классических волновых представлений, это излучение должно распределяться в пространстве равномерно во всех направлениях. В этом случае два счётчика, находившиеся слева и справа от фольги, должны были фиксировать его одновременно. Однако результат опыта оказался прямо противоположным: излучение фиксировалось либо правым, либо левым счётчиком и никогда обоими одновременно. Следовательно, поглощение и отражение идёт отдельными квантами. Опыт, таким образом, подтвердил исходное положение фотонной теории излучения, и стал, тем самым, ещё одним экспериментальным доказательством квантовых свойств излучения. [http://ru.wikipedia.org/wiki/% D0%91%D0 % BE%D1%82%D0%B5,%D0D0%B0%D0%46BB%D1%8%D1%82%D0%B5%D1%80].Опыт подтвердил: 1. материалистическую природу квантов материи. 2.Отсутствие у фотонов вращения.

Фотоны, как и всё сущее, обладает массой. Масса это мера энергии материи, если m=0, то какой бы ни была скорость движения этого нематериального фотона, энергия его будет равна нулю. Однако такого нет. Любой фотон обладает энергией. Александр Григорьевич Столетов провел (1888-90) цикл работ по изучению внешнего фотоэффекта, открытого в 1887 Генрихом Герцем. Создал первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте. Явление фотоэффекта доказывает, что фотон обладает механической энергией. Значит, масса фотона не может быть равна нулю, а масса это признак, мера и свойство материи. Луч света отклоняется в гравитационном поле, значит, составляющие его фотоны имеют своё гравитационное поле, реагирующее на гравитацию. Гравитационное поле, как и любое другое поле это неотъемлемая принадлежность материи, это орудие действия материи. Наличие гравитационного поля у фотонов говорит о том, что фотоны, из которых состоит луч света, материальны. Поэтому-то до сих пор, не смотря на отчаянные многолетние старания учёных, не открыли гравитационных волн. Потоки излучений – вот гравитационные волны. В книге Пьера Лапласа “Изложение систем мира”, вышедшей в 1795 году изложено глубокое убеждение учёного в том, что тяготение действует на свет точно так же, как и на другие тела. Таким образом, уже П. Лаплас был убеждён в материальности фотона. Что фотоны материальные частицы доказывает и то, что свет создаёт давление на препятствия. Это свойство называется эффектом давления света. Оно было предсказано Максвеллом, а экспериментально доказано Петром Николаевичем Лебедевым. В 1899 году П. Н. Лебедев при помощи опытов подтвердил теоретическое предсказание Максвелла о давлении света на твердые тела, а в 1907 году – и на газы. За последнее столетие длительность года увеличилась на одну миллисекунду. Это является доказательством того, что солнечное излучение отодвигает землю от Солнца (увеличивает размеры орбиты). Энергия системы, излучающей фотон, уменьшается на величину Е=mфс2. Аналогично, энергия системы, поглощающей фотоны увеличивается на соответствующую величину. Из фотонов образуются все нуклоны и ядра и атомы и вообще вся материя. Об этом говорит процесс образования из фотонов электронно-позитронных пар § 3 Главы 2 учебника П.Е. Колпакова «Основы ядерной физики». А так как при этом фотоны образуют частицы, разные по знаку, но одинаковые по количеству материи в них содержащейся (массе), можно предположить, что и фотоны, имеющие разные знаки, имеют одинаковые массы. Но здесь мы сталкиваемся с одним парадоксом. Электрон состоит из квантов имеющих одинаковые электрические знаки. Следовательно, они должны отталкиваться друг от друга. Но не отталкиваются же! Если мала сила отталкивания, а преобладает сила гравитации, то, как в электроне, так и в позитроне находились бы кванты с разными знаками, и между ними не было бы разницы. Много времени я бился над решением этой загадки. Вдруг 27 мая 2016 г. меня как молниея ударила мысль. «А, если у одинаково электрически заряженных квантов, разнополюсные магнитные поля?» Читаю в ВИКИПЕДИИ о свойствах электрона: «Все электроны считаются одинаковыми по своим внутренним физическим свойствам» Это значит, что электрон является магнитным биполем! Вот она разгадка!!! То есть, в электроне имеются в равных количествах как кванты с южным, так и кванты с северным магнитными полюсами. В электроне только отрицательно заряженные кванты, а в позитроне – положительно заряженные кванты, но связаны они друг с другом магнитными полями разных знаков!!!. Как только набирается необходимое количество квантов (1х1022ɣ), плотность и заряд образовавшейся частицы становится такой, что эта частица становится индивидуумом – элементарной частицей вещественной материи. Эта частица уже не вступает в реакции с квантами, и ведёт себя соответствующим элементарной частице образом. Но, если соединены кванты с разными магнитными полюсами, образуется магнитный поток. В этот магнитный поток попадают свободные кванты Согласно закона о взаимодействии магнитного потока и заряженной частицы, частица в этом магнитном потоке начинает вращаться. А это значит, что внутреннее вращение электрона (спин) имеет место. Фотоны – вот они, те кирпичики, из которых состоят все частицы и весь Мир. Всё очевидно, но почему-то все твердят на старый лад, что фотон это частица электромагнитного поля?! Вот как описывает, процесс образования элементарных частиц, например, доктор ф-м наук Я.А. Смородинский в работе «Законы и парадоксы элементарных частиц». «Если протон «осветить» пучком фотонов большой энергии, то при столкновении протона Р с фотоном γ может родиться новая частица – положительно заряженный пион (или π+ – мезон), а протон превратится в нейтрон N. Такую реакцию записывают в виде: γ + P →π+ + N. Похоже, что протон состоит из нейтрона и пиона. Однако при таком же столкновении может родиться нейтральный пион, а протон останется протоном: γ + P →π0 + Р. Эта реакция скорее указывает на то, что протон состоит из самого себя и нейтрального пиона. Мы говорим «самого себя» (хотя это и звучит глупо), так как протон в конце реакции остаётся совершенно таким же каким он был вначале, – частицы тождественны. Теперь всё напоминает сказку о неразменном рубле, который, сколько его ни трать, остаётся рублём. …. Сделав энергию фотона ещё больше,…мы обнаружим ещё более удивительные реакции: P + γ →Р + Р +-Р. … Материальность фотонов полностью подтверждаются опытами Нобелевских лауреатов 2012 г. «Два независимо разработанных метода имеют много общего. Дэвид Вайнленд заключал в «ловушку» заряженные атомы (ионы), управляя ими и измерял их параметры с помощью света, то есть фотонов. Серж Арош пошел в обратном направлении: измеряемыми в ловушке оказались фотоны (частицы света), которые оказались там при прохождении сквозь нее атомов» http://www.bash.ru/index.php?Option =comconte nt&view=article&id=1036:-qq-&catid=64:2012-08-22-07-02-13&Itemid=. Фотоны это материальные частицы, имеющие наименьшие «калибровочные» характеристики, то есть, фотоны это элементарные частицы материи. Мы, всё-таки, пришли к тому пониманию, что фотон это материальная частица. И это не просто материальная частица, опыты показали, что фотон – это неделимая, т. е. элементарная, частица материи. Фотон это элементарная частица материи. Чтоб у нас не возникало путаницы, назовём элементарную частицу материи, из которой состоят космические тела «квантом материи». Излучение это исторжение материальным телом из себя своих квантов материи, а фотон это движущийся вне материального тела квант материи. Итак, мы выяснили, что же представляет собой материальная частица – фотон. Фотон это частичка, обладающая массой. Масса определяет количество материи этой элементарной частицы. Кроме того, что фотон имеет гравитационное поле, фотон проявляет и электрические свойства. Значит, у него имеется и такое поле. В природе имеются электрические заряды двух видов: – положительные и отрицательные; и кванты материи, как самые маленькие носители свойств материи, делятся на положительно заряженные и отрицательно заряженные кванты материи Рис 8. Фотон, также имеет и магнитное поле. Получается, что фотон это, всё-таки материальная частица. Фотон – это движущийся вне материального тела квант материи, имеющий массу 1,1×10−52 кг. Основу этой частицы составляет твёрдое ядро (об этом свидетельствует явление фотоэффекта и наличие такого космического тела как «чёрная дыра»). Он имеет гравитационное поле, электрическое поле (заряд фотона равен 5×10−52 Кл или 3×10−33e) и магнитное поле. Британцы определили, что заряд магнитного монополя равен 5B/А. (магнетонам Бора на ангстрем), 2.068· 10 -15 Вб определяет «Полевая физика». Это можно записать в виде такой энергетической картинки Еф=U+C+B+mc2:2. Здесь U – энергия гравитационного поля, C – энергия электрического поля, B – энергия магнитного поля, mc2:2 – «массовая» кинетическая энергия фотона.