แบบจำลองวงแหวนทอรอยด์
แบบ จำลอง วงแหวนทอรอยด์ซึ่งเดิมรู้จักกันในชื่อพาร์สันแมกเนตอนหรืออิเล็กตรอนแม่เหล็กเป็นแบบจำลองทางฟิสิกส์ของอนุภาคย่อยอะตอมนอกจากนี้ยังรู้จักกันในชื่อวงแหวนพลาสโมอิดวงแหวนวอร์เท็กซ์หรือวงแหวนเฮลิคอน แบบ จำลองทางฟิสิกส์นี้ถือว่าอิเล็กตรอนและโปรตอนเป็นอนุภาคพื้นฐานและได้รับการเสนอครั้งแรกโดยอัลเฟรด ลอค พาร์สันในปี 1915
ทฤษฎี
แทนที่จะเป็นประจุที่โคจร เพียงตัวเดียว วงแหวนทอรอยด์ถูกมองว่าเป็นกลุ่มของ องค์ประกอบประจุ ขนาดเล็กมากซึ่งโคจรหรือหมุนเวียนไปตามเส้นทางต่อเนื่องหรือ " วง " เดียวกัน โดยทั่วไป เส้นทางของประจุนี้สามารถมีรูปร่างใดก็ได้ แต่มีแนวโน้มที่จะเป็นรูปวงกลมเนื่องจากแรงผลักทางแม่เหล็กไฟฟ้า ภายใน ในการจัดเรียงนี้ องค์ประกอบประจุจะหมุนเวียน แต่โดยรวมแล้ววงแหวนจะไม่แผ่รังสีเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าหรือ สนาม แม่เหล็กเนื่องจากมันยังคงอยู่กับที่วงแหวนสร้างสนามแม่เหล็กโดยรวม (" สปิน ") เนื่องจากการไหลขององค์ประกอบประจุที่เคลื่อนที่ องค์ประกอบเหล่านี้หมุนเวียนรอบวงแหวนด้วยความเร็วแสงcแต่มีความถี่ν = c /2π Rซึ่งแปรผกผันกับรัศมีR พลังงานเฉื่อยของวงแหวนจะเพิ่มขึ้นเมื่อถูกบีบอัดเช่นเดียวกับสปริงและยังแปรผกผันกับรัศมี และดังนั้นจึงแปรผันตรงกับความถี่νด้วย ทฤษฎีดังกล่าวอ้างว่าค่าคงที่สัดส่วนคือค่าคงที่ของพลังค์h ซึ่งเป็น โมเมนตัมเชิงมุมอนุรักษ์ของวงแหวน
ตามแบบจำลอง อิเล็กตรอนหรือโปรตอนสามารถมองได้ว่าเป็นกลุ่มของ " เส้นใย " หรือ " พลาสโมอิด " ที่มีประจุรวม ± eแรงผลักทางไฟฟ้าสถิตระหว่างองค์ประกอบประจุที่มีเครื่องหมายเดียวกันจะสมดุลกับแรงดึงดูดแม่เหล็กระหว่างกระแสขนาน ในเส้นใยของกลุ่ม ตามกฎของแอมแปร์เส้นใยเหล่านี้บิดรอบวงแหวน รูปทรง โดนัทขณะที่เคลื่อนที่ไปรอบรัศมี ทำให้เกิดเป็นเกลียวคล้ายสลิงกี้การทำให้วงจรสมบูรณ์นั้นต้องการให้เส้นใยพลาสโมอิดเกลียวแต่ละเส้นบิดรอบวงแหวนเป็นจำนวนเต็มครั้งขณะที่เคลื่อนที่ไปรอบวงแหวน ข้อกำหนดนี้เชื่อกันว่าสามารถอธิบายค่า " ควอนตัม " ของโมเมนตัมเชิงมุมและการแผ่รังสีได้ความเป็นไครัลต้องการให้จำนวนเส้นใยเป็นเลขคี่อาจจะเป็นสาม เหมือนเชือกความเป็นเกลียวของการบิดนั้นเชื่อกันว่าสามารถแยกแยะอิเล็กตรอนออกจากโปรตอนได้
แบบจำลองทรงวงแหวนหรือ "เฮลิคอน" ไม่ได้กำหนดรัศมีหรือพลังงานเฉื่อยคงที่สำหรับอนุภาค โดยทั่วไป รูปร่าง ขนาด และการเคลื่อนที่ของอนุภาคจะปรับเปลี่ยนไปตามสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกจากสิ่งแวดล้อม การปรับเปลี่ยนหรือปฏิกิริยาต่อการเปลี่ยนแปลงของสนามภายนอกเหล่านี้ก่อให้เกิดการปล่อยหรือการดูดซับรังสีของอนุภาค ดังนั้น แบบจำลองนี้จึงอ้างว่าสามารถอธิบายได้ว่าอนุภาคเชื่อมโยงกันอย่างไรเพื่อก่อตัวเป็นอะตอม
ประวัติศาสตร์
จุดเริ่มต้น
การพัฒนาเฮลิคอนหรือวงแหวนทอรอยด์เริ่มต้นจากAndré-Marie Ampèreซึ่งในปี 1823 ได้เสนอ "ลูปประจุ" แม่เหล็กขนาดเล็กเพื่ออธิบายแรงดึงดูดระหว่างองค์ประกอบกระแสไฟฟ้า[ 1 ]ในยุคเดียวกันนั้นCarl Friedrich GaussและMichael Faradayก็ได้ค้นพบกฎพื้นฐานของพลศาสตร์ไฟฟ้าแบบคลาสสิกซึ่งต่อมารวบรวมโดยJames Maxwellเป็นสมการของ Maxwellเมื่อ Maxwell แสดงกฎของGauss , FaradayและAmpèreในรูปแบบเชิงอนุพันธ์เขาได้สมมติอนุภาคจุดซึ่งเป็นสมมติฐานที่ยังคงเป็นพื้นฐานของทฤษฎีสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัมในปัจจุบัน ในปี 1867 Lord Kelvinเสนอว่า วงแหวน กระแสน้ำวนของของไหลที่สมบูรณ์แบบที่ค้นพบโดยHermann von Helmholtzแสดงถึง " อะตอม ที่แท้จริงเพียงอย่างเดียว " [ 2 ] [ 3 ]จากนั้นไม่นานก่อนปี 1900 ขณะที่นักวิทยาศาสตร์ยังคงถกเถียงกันถึงการมีอยู่ของอะตอมJJ Thomson [ 4 ]และErnest Rutherford [ 5 ]ได้จุดประกายการปฏิวัติด้วยการทดลอง[ 6 ]ที่ยืนยันการมีอยู่และคุณสมบัติของอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวเคลียสMax Planck ได้เพิ่มความร้อนแรงขึ้นไป อีกเมื่อเขาแก้ปัญหาการแผ่รังสีของวัตถุดำโดยสมมติไม่เพียงแต่ว่า มีอนุภาค ที่ไม่ต่อเนื่อง เท่านั้น แต่ยังมีความถี่ ที่ไม่ต่อเนื่อง ของการแผ่รังสีที่ออกมาจาก "อนุภาค" หรือ " ตัวเรโซเนเตอร์ " เหล่านี้ บทความที่มีชื่อเสียงของ Planck [ 7 ]ซึ่งคำนวณทั้งค่าคงที่ของ Planck hและค่าคงที่ของ Boltzmann k โดยบังเอิญ ชี้ให้เห็นว่าบางสิ่งใน "ตัวเรโซเนเตอร์" เองเป็นผู้ให้ความถี่ที่ไม่ต่อเนื่องเหล่านี้
ทฤษฎี มากมายเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมได้รับการพัฒนาขึ้นตามข้อมูลใหม่ทั้งหมด[ 8 ] [ 9 ]ซึ่งแบบจำลองของนีลส์ โบห์ร ในปี 1913 กลายเป็น แบบจำลองที่โดดเด่น แบบจำลองของโบห์ร[ 10 ]เสนอว่าอิเล็กตรอนโคจรเป็นวงกลมรอบนิวเคลียสโดยมีค่าโมเมนตัมเชิงมุมเป็น ควอนตัม แทนที่จะ แผ่พลังงานอย่างต่อเนื่อง ตามที่พลศาสตร์ไฟฟ้าแบบคลาสสิก ต้องการจากประจุที่เร่งความเร็ว อิเล็กตรอนของโบห์รจะ แผ่พลังงานแบบไม่ต่อเนื่องเมื่อมัน " กระโดด " จากสถานะโมเมนตัมเชิงมุมหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง
พาร์สัน แมกเนตอน
ในปี พ.ศ. 2458 อัลเฟรด ลอค พาร์สันเสนอ " แมกเนตอน " [ 11 ] ของเขา เป็นการปรับปรุงแบบจำลองของบอร์โดยแสดงอนุภาคขนาดจำกัดที่มีความสามารถในการรักษาเสถียรภาพและปล่อยและดูดซับรังสีจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในเวลาเดียวกันนั้นลีห์ เพจได้พัฒนา ทฤษฎี คลาสสิกของการแผ่รังสีของวัตถุดำ โดยสมมติว่ามี " ออสซิลเลเตอร์ " ที่หมุนได้ซึ่งสามารถเก็บพลังงานได้โดยไม่แผ่รังสี[ 12 ]กิลเบิร์ต เอ็น. ลูอิสได้รับแรงบันดาลใจส่วนหนึ่งจากแบบจำลองของพาร์สันในการพัฒนาทฤษฎีพันธะเคมีของเขา[ 13 ]จากนั้นเดวิดแอล. เว็บสเตอร์ได้เขียนบทความสามฉบับที่เชื่อมโยงแมกเนตอนของพาร์สันกับออสซิลเลเตอร์ของเพจ[ 14 ]และอธิบายมวล[ 15 ]และการกระเจิง ของ อัล ฟา [ 16 ]ในแง่ของแมกเนตอน ในปี พ.ศ. 2460 ลาร์ส โอ. กรอนดาห์ลได้ยืนยันแบบจำลองด้วยการทดลองของเขาเกี่ยวกับอิเล็กตรอนอิสระในลวดเหล็ก[ 17 ]ทฤษฎีของพาร์สันดึงดูดความสนใจของอาร์เธอร์ คอมป์ตันซึ่งเขียนบทความชุดหนึ่งเกี่ยวกับคุณสมบัติของอิเล็กตรอน[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]และเอช. สแตนลีย์ อัลเลนซึ่งบทความของเขายังสนับสนุน "อิเล็กตรอนวงแหวน" อีกด้วย[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]
สถานะปัจจุบัน
ลักษณะของแมกเนตอนของพาร์สันที่มีความสำคัญทางด้านการทดลองมากที่สุด (และเป็นลักษณะที่กรอนดาห์ลและเวบสเตอร์ศึกษา) คือการมีอยู่ของโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กของอิเล็กตรอนซึ่งโมเมนต์ไดโพลนี้มีอยู่จริง อย่างไรก็ตาม งานวิจัยในภายหลังโดยพอล ดิแรกและอัลเฟรด แลนเดแสดงให้เห็นว่าอนุภาคแบบจุดสามารถมีสปิน ควอนตัมภายใน และโมเมนต์แม่เหล็กได้ด้วย ทฤษฎีสมัยใหม่ที่ประสบความสำเร็จอย่างสูงอย่างแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค อธิบายถึงอิเล็กตรอนแบบจุดที่มีสปินและโมเมนต์แม่เหล็กภายใน ในทางกลับกัน การยืนยันตามปกติว่าอิเล็กตรอนเป็นแบบจุดนั้น อาจเกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอน "เปล่า" เท่านั้น อิเล็กตรอนแบบจุดจะมีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระจายออก ซึ่งควรจะสร้างโพลาไรเซชันสุญญากาศที่แข็งแกร่ง ตามทฤษฎีควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ (QED) การเบี่ยงเบนจากกฎของคูลอมบ์จะถูกทำนายไว้ที่ระยะทางระดับคอมป์ตันจากศูนย์กลางของอิเล็กตรอน 10⁻¹¹ ซม . กระบวนการเสมือนในบริเวณคอมป์ตันกำหนดสปินของอิเล็กตรอนและการปรับค่าประจุและมวลของมัน สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าบริเวณคอมป์ตันของอิเล็กตรอนควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นองค์รวมที่สอดคล้องกันกับแกนกลางที่เป็นจุด ทำให้เกิดอิเล็กตรอนทางกายภาพ ("แต่งตัว") โปรดสังเกตว่าทฤษฎีของดิแรกเกี่ยวกับอิเล็กตรอนก็แสดงพฤติกรรมที่แปลกประหลาดของบริเวณคอมป์ตันเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อิเล็กตรอนแสดงปรากฏการณ์ zitterbewegungที่ระดับคอมป์ตัน จากมุมมองนี้ แบบจำลองวงแหวนไม่ได้ขัดแย้งกับ QED หรือทฤษฎีของดิแรก และบางเวอร์ชันอาจใช้เพื่อรวมแรงโน้มถ่วงเข้ากับทฤษฎีควอนตัมได้
คำถามที่ว่าอิเล็กตรอนมีโครงสร้างย่อยแบบใดหรือไม่นั้นจะต้องตัดสินด้วยการทดลอง การทดลองทั้งหมดจนถึงปัจจุบันสอดคล้องกับแบบจำลองมาตรฐานของอิเล็กตรอน โดยไม่มีโครงสร้างย่อย ไม่ว่าจะเป็นแบบวงแหวนหรือแบบอื่นใด แนวทางหลักสองประการคือการกระเจิงของอิเล็กตรอน-โพซิตรอนพลังงานสูง[ 25 ]และการทดสอบอะตอมที่มีความแม่นยำสูงของควอนตัมอิเล็กโทรไดนามิกส์ [ 26 ] ซึ่งทั้งสองอย่างเห็นพ้องกันว่าอิเล็กตรอนมีลักษณะเป็นจุดที่ความละเอียดต่ำถึง 10 −20 ม. ในปัจจุบัน บริเวณคอมป์ตันของกระบวนการเสมือน ซึ่งมีความกว้าง 10 −11 ซม. ยังไม่ปรากฏในการทดลองพลังงานสูงเกี่ยวกับการกระเจิงของอิเล็กตรอน-โพซิตรอน
Nikodem Popławskiใช้ระเบียบวิธี Papapetrou ของการขยายมัลติโพลเพื่อแสดงให้เห็นว่าแรงบิดปรับเปลี่ยนแบบจำลองอิเล็กตรอน Dirac ของ Burinskii โดยแทนที่วงแหวนเอกลักษณ์ Kerr–Newman ที่มีขนาด Compton ด้วยโครงสร้างแบบทอรอยด์ที่มีรัศมีภายนอกขนาด Compton และรัศมีภายในขนาด Cartan (10 −27 ม.) ใน ทฤษฎี แรงโน้มถ่วงของEinstein–Cartan [ 27 ]
อ่านเพิ่มเติม
- David L. Bergman, J. Paul Wesley; แบบจำลองวงแหวนประจุหมุนของอิเล็กตรอนที่ให้โมเมนต์แม่เหล็กผิดปกติ , Galilean Electrodynamics. Vol. 1, 63-67 (ก.ย./ต.ค. 1990)