Баллистическая теория Ритца и картина мироздания
Шрифт:
К несчастью, получилось так, что если мегамир описывают с позиций теории относительности, то микромир — с позиций другой неклассической теории — квантовой механики, привлекая порой и СТО. Здесь, так же как в космосе, бросается в глаза искусственность неклассических концепций. Подобно тому, как в астрономии Птолемея-Аристотеля для описания движений планет и звёзд были умозрительно введены многочисленные сферы, эпициклы, так же и для описания атомных планетарных систем квантовая теория совершенно произвольно вводит наборы квантовых чисел, крутящихся электронных сфер-оболочек, искусственно подобранных таким образом, чтобы описать состояние электронов в атоме. Но складывается впечатление, что и в микромире можно отыскать более рациональное устройство для атомов и частиц, на основании классических законов и моделей, далеко ещё не исчерпавших себя, особенно если говорить о БТР. Не случайно, именно в микромире, во владениях физики высоких энергий, такое широкое хождение имеет баллистическая
Действительно, именно классическая наука и основанная на ней баллистическая теория оказывается справедлива и эффективна не только при объяснении явлений Космоса, но и в микромире, в том числе, при изучении строения атома, элементарных частиц, ядерной энергии и аннигиляции. Лишь излишняя расторопность заставила учёных, за неимением лучшего, принять в этой области теорию относительности и квантовую механику. Но, как говорится: "поспешишь — людей насмешишь", — все эти неклассические теории на поверку оказываются ошибочными, а, взамен им, есть гораздо более естественные и точные классические концепции. Ниже проиллюстрируем эффективность работы классической БТР в микромире на конкретных примерах.
§ 3.1 Магнитная модель атома и принцип Ритца
Напрашивается гипотеза, что колебания в сериальных спектрах создаются чисто магнитными силами. Далее будет показано, что это позволяет легко понять законы спектральных серий и аномальные эффекты Зеемана
Вскоре после открытия электромагнитной природы света и постройки первых излучателей и приёмников радиоволн, учёные всерьёз задумались над устройством природных излучателей света — атомов. В первой модели, предложенной Дж. Томсоном, атом предстал в виде антенны, типа металлического шарика, испускающего излучение при колебаниях электронов, вкраплённых в атом, как сливы — в пудинг. Потом пришла планетарная модель атома Резерфорда, где электроны обращались вокруг заряженного ядра, словно планеты. Но такой атом нестабилен: снующие по орбитам электроны, излучая энергию, падали бы на ядро. Этот недостаток устранила квантовая модель атома Бора, — ученика Резерфорда, но такой ценой, которая и до сих пор побуждает многих искать более рационального устройства атомному мирку. Предлагают вернуться и к модели пудинга, и к планетарной. Но, оказывается, существует и третья классическая модель атома — магнитная, предложенная в 1908 г. В. Ритцем.
Собственно говоря, именно эта модель и позволила впервые найти весь спектр частот, излучаемых атомом водорода, причём столь оригинальным путём, что он и сегодня заслуживает внимания, как показано в замечательной статье [50]. Ритц не применял квантовых идей: электромагнитные волны в его модели генерировали не абстрактные квантовые переходы, а классические колебания электронов. Ещё до Резерфорда Ритц понял, что движением электрона в атоме управляет некий центральный механизм, остов, скелет атома, называемый ядром. Но Ритц, в отличие от Резерфорда, догадался, что управление это осуществляют не электрические, а магнитные силы, за что его модель атома и была названа "магнитной".
Мы привыкли считать, что электроны в атоме движутся по орбитам — под действием электрического притяжения ядра, забывая, что сами на практике, — в ускорителях частиц, плазменных установках и индукционных печах — задаём круговые движения электронов с помощью магнитных полей. В своей работе 1908 г. "Атомные магнитные поля и спектральные серии" Ритц убедительно показал, что только силами магнитной природы можно объяснить спектры излучения атомов. Согласно ему, магнитное поле атома создано набором последовательно соединённых элементарных магнитиков стандартного размера a, образующих вытянутый магнитный стержень (Рис. 94). Вместо магнитов можно взять витки с током, составляющие катушку индуктивности, соленоид с постоянным шагом витка a. Как показал Ритц, в зависимости от числа магнитов (витков) стержень создаёт такие магнитные поля, в которых электрон должен колебаться с теми частотами, что были найдены в спектре атома водорода.
Рис. 94. Магнитная ось, набранная из магнитов, управляет полётом электронов.
При всей кажущейся наивности представления атома в виде некоего прибора (гибрида циклотрона и магнитной антенны), модель Ритца не только верно описала водородный спектр и эффект Зеемана, но и предсказала новые спектральные серии водорода и других элементов, поздней действительно
Так, открыли, что у каждого электрона есть стандартный магнитный момент , наделяющий электрон свойствами элементарного магнитика. Тем же магнитным моментом обладает и открытый в 1932 г. антиэлектрон, — позитрон. Представим теперь, что позитрон соединился с электроном, и этот диполь стал одним концом притягивать электроны, а другим — позитроны. В итоге, электроны и позитроны, последовательно цепляясь друг за друга паровозиком, могут сливаться в протяжённые прямые цепи, в которых все магнитики (магнитные моменты) электронов и позитронов ориентированны одинаково. Расстояния между их центрами окажутся постоянными, одинаковыми: порядка размера электрона a(Рис. 95). Как было показано (§ 1.16), при контакте электронов с позитронами они вовсе не уничтожаются, а просто слипаются в нейтральную частицу, оказываясь разделены расстоянием, равным классическому радиусу электрона.
Рис. 95. Магнитный момент электрона как результат вращения. Слияние электронов с позитронами в цепочки типа линейных молекул силикона и игольчатых кристаллов.
Итак, магнитные стержни, оси, набранные из элементарных магнитиков, которые Ритц только предполагал, в принципе могут вырастать сами, подобно кристаллам соли из чередующихся ионов Na+ и Cl-, или линейным молекулам полимеров, построенным из тысяч одинаковых звеньев, к примеру, — из чередующихся атомов Si и O (силикон). Стержни, содержащие равное число электронов и позитронов, не имели бы заряда, но породили бы заметное магнитное поле. Поэтому, оказавшийся возле стержня электрон не был бы ни отторгнут, ни притянут, но мог бы совершать в магнитном поле стержня круговые движения возле точки равновесия с частотой f, не зависящей от его скорости Vи радиуса орбиты r(Рис. 94). В магнитном поле с индукцией Bна электрон с зарядом eи массой Mдействует сила Лоренца F= eVB, заставляющая его двигаться по окружности с центростремительным ускорением ar= V2/ r. Поскольку Ma r= F, имеем MV 2/ r= eVB, откуда угловая скорость электрона 2 f=V/ r= Be/ M. То есть, частота f= Be/2 Mобращения электрона, равная частоте излучаемого им света, зависит лишь от индукции поля B, поскольку величина e/2 Mпостоянна.
Однако, спектры излучения атомов состоят из дискретного ряда частот. Значит, и поле Bможет принимать лишь определённые значения. Это заставило Ритца предположить, что электрон способен занимать в атоме лишь некоторые устойчивые положения, каждому из которых присуще своё значение поля B, задаваемое расстоянием электрона до стержня. Эту мысль о наличии в атоме устойчивых положений и орбит электрона, Ритц, в отличие от Бора, развивал в рамках классического, а не квантового подхода. Он считал, что раз стандартны расстояния и размеры aмагнитов, то тем же расстоянием aдолжны быть отделены и возможные, разрешённые положения электрона — узлы 1, 2, 3…, где он способен пребывать (Рис. 94).
Именно так и вёл бы себя электрон возле электрон-позитронного стержня, который за счёт неравномерного (дискретного) распределения зарядов создаёт небольшое продольное электрическое поле. Поэтому, где бы ни находился электрон, он всегда стремится встать против положительного позитрона, а возникающая при смещении электрона продольная сила возвращает его на место (Рис. 96). То есть, электрон способен устойчиво занимать положения — лишь напротив позитронов, и может "прыгать" вдоль стержня только на расстояние 2 a.