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Modelo de anillo toroidal

El modelo de anillo toroidal , conocido originalmente como magnetón de Parson o electrón magnético , es un modelo físico de partículas subatómicas . También se le conoce como an...

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El modelo de anillo toroidal , conocido originalmente como magnetón de Parson o electrón magnético , es un modelo físico de partículas subatómicas . También se le conoce como anillo plasmoide , anillo de vórtice o anillo helicoidal . Este modelo físico trata a los electrones y protones como partículas elementales y fue propuesto por primera vez por Alfred Lauck Parson en 1915.

Teoría

En lugar de una única carga orbital , el anillo toroidal se concibió como una colección de elementos de carga infinitesimales que orbitaban o circulaban a lo largo de una trayectoria continua común o " bucle ". En general, esta trayectoria de carga podía adoptar cualquier forma, pero tendía a una forma circular debido a las fuerzas electromagnéticas repulsivas internas . En esta configuración, los elementos de carga circulaban, pero el anillo en su conjunto no irradiaba debido a cambios en los campos eléctricos o magnéticos , ya que permanecía estacionario . El anillo producía un campo magnético general (" espín ") debido a la corriente de los elementos de carga en movimiento. Estos elementos circulaban alrededor del anillo a la velocidad de la luz c , pero con una frecuencia ν = c /2π R , que dependía inversamente del radio R. La energía inercial del anillo aumentaba al comprimirse , como un resorte , y también era inversamente proporcional a su radio y, por lo tanto, proporcional a su frecuencia ν . La teoría afirmaba que la constante de proporcionalidad era la constante de Planck h , el momento angular conservado del anillo.  

Según el modelo, los electrones o protones podían considerarse como haces de " fibras " o " plasmoides " con una carga total de ± e . La fuerza de repulsión electrostática entre elementos cargados del mismo signo se equilibraba con la fuerza de atracción magnética entre las corrientes paralelas en las fibras de un haz, según la ley de Ampère . Estas fibras se retorcían alrededor del toroide del anillo a medida que avanzaban por su radio, formando una hélice similar a un Slinky . La completitud del circuito exigía que cada fibra plasmoide helicoidal se retorciera alrededor del anillo un número entero de veces a medida que avanzaba alrededor del mismo. Se creía que este requisito explicaba los valores " cuánticos " del momento angular y la radiación . La quiralidad exigía que el número de fibras fuera impar , probablemente tres, como una cuerda. Se pensaba que la helicidad del giro distinguía al electrón del protón.

El modelo toroidal o "helicoidal" no exigía un radio constante ni una energía inercial constante para una partícula. En general, su forma, tamaño y movimiento se ajustaban según los campos electromagnéticos externos de su entorno. Estos ajustes o reacciones a los cambios del campo externo constituían la emisión o absorción de radiación por parte de la partícula. El modelo, por lo tanto, pretendía explicar cómo las partículas se unían para formar átomos .

Historia

Principios

El desarrollo del helicón o anillo toroidal comenzó con André-Marie Ampère , quien en 1823 propuso diminutos "bucles de carga" magnéticos para explicar la fuerza de atracción entre elementos de corriente. [ 1 ] En esa misma época, Carl Friedrich Gauss y Michael Faraday también descubrieron leyes fundamentales de la electrodinámica clásica , recopiladas posteriormente por James Maxwell como las ecuaciones de Maxwell . Cuando Maxwell expresó las leyes de Gauss , Faraday y Ampère en forma diferencial , asumió partículas puntuales , una suposición que sigue siendo fundamental para la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica en la actualidad. En 1867, Lord Kelvin sugirió que los anillos de vórtice de un fluido perfecto descubierto por Hermann von Helmholtz representaban "los únicos átomos verdaderos ". [ 2 ] [ 3 ] Poco antes de 1900, mientras los científicos aún debatían sobre la existencia misma de los átomos, JJ Thomson [ 4 ] y Ernest Rutherford [ 5 ] iniciaron una revolución con experimentos [ 6 ] que confirmaron la existencia y las propiedades de los electrones, protones y núcleos . Max Planck avivó el debate cuando resolvió el problema de la radiación del cuerpo negro al asumir no solo partículas discretas , sino también frecuencias discretas de radiación que emanaban de estas "partículas" o " resonadores ". El famoso artículo de Planck, [ 7 ] que incidentalmente calculó tanto la constante de Planck h como la constante de Boltzmann k B , sugirió que algo en los "resonadores" mismos proporcionaba estas frecuencias discretas.

Numerosas teorías sobre la estructura del átomo se desarrollaron a raíz de toda la nueva información, [ 8 ] [ 9 ] de las cuales el modelo de Niels Bohr de 1913 llegó a predominar. El modelo de Bohr [ 10 ] propuso electrones en órbita circular alrededor del núcleo con valores cuantizados de momento angular . En lugar de irradiar energía continuamente , como exigía la electrodinámica clásica para una carga acelerada, el electrón de Bohr irradiaba discretamente cuando " saltaba " de un estado de momento angular a otro.

magnetón de Parson

En 1915, Alfred Lauck Parson propuso su " magnetón " [ 11 ] como una mejora del modelo de Bohr , describiendo partículas de tamaño finito con la capacidad de mantener la estabilidad y emitir y absorber radiación de ondas electromagnéticas . Casi al mismo tiempo, Leigh Page desarrolló una teoría clásica de la radiación del cuerpo negro asumiendo " osciladores " rotatorios , capaces de almacenar energía sin irradiar. [ 12 ] Gilbert N. Lewis se inspiró en parte en el modelo de Parson para desarrollar su teoría del enlace químico . [ 13 ] Luego, David L. Webster escribió tres artículos que conectaban el magnetón de Parson con el oscilador de Page [ 14 ] y explicaban la masa [ 15 ] y la dispersión alfa [ 16 ] en términos del magnetón. En 1917, Lars O. Grondahl confirmó el modelo con sus experimentos sobre electrones libres en cables de hierro . [ 17 ] La teoría de Parsons atrajo luego la atención de Arthur Compton , quien escribió una serie de artículos sobre las propiedades del electrón, [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] y H. Stanley Allen , cuyos artículos también defendieron un "electrón de anillo". [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]

Estado actual

El aspecto del magnetón de Parsons con mayor relevancia experimental (y el investigado por Grondahl y Webster) fue la existencia de un momento dipolar magnético electrónico ; este momento dipolar está presente. Sin embargo, trabajos posteriores de Paul Dirac y Alfred Landé demostraron que una partícula puntual podría tener un espín cuántico intrínseco y también un momento magnético. La exitosa teoría moderna, el Modelo Estándar de la física de partículas, describe un electrón puntual con un espín y un momento magnético intrínsecos. Por otro lado, la afirmación habitual de que un electrón es puntual puede asociarse convencionalmente solo con un electrón "desnudo". El electrón puntual tendría un campo electromagnético divergente, lo que debería crear una fuerte polarización del vacío. De acuerdo con la electrodinámica cuántica (QED), se predicen desviaciones de la ley de Coulomb a distancias de escala Compton desde el centro del electrón, 10⁻¹¹ cm  . Los procesos virtuales en la región Compton determinan el espín del electrón y la renormalización de su carga y masa. Esto demuestra que la región Compton del electrón debe considerarse como un todo coherente con su núcleo puntual, formando un electrón físico ("vestido"). Cabe destacar que la teoría de Dirac del electrón también exhibe el comportamiento peculiar de la región Compton. En particular, los electrones muestran un movimiento de zitterbewegung a la escala Compton. Desde este punto de vista, el modelo de anillo no contradice la electrodinámica cuántica ni la teoría de Dirac, y algunas versiones podrían utilizarse para incorporar la gravedad en la teoría cuántica.

La cuestión de si el electrón posee algún tipo de subestructura debe resolverse experimentalmente. Todos los experimentos realizados hasta la fecha concuerdan con el Modelo Estándar del electrón, sin subestructura, ya sea en forma de anillo o de otro tipo. Los dos enfoques principales son la dispersión electrón-positrón de alta energía [ 25 ] y las pruebas atómicas de alta precisión de la electrodinámica cuántica [ 26 ] , las cuales coinciden en que el electrón es puntual a resoluciones de hasta 10⁻²⁰ m  . Actualmente, la región Compton de procesos virtuales, de 10⁻¹¹ cm  de ancho, no se observa en los experimentos de alta energía sobre la dispersión electrón-positrón.

Nikodem Popławski utiliza el método de Papapetrou de expansión multipolar para demostrar que la torsión modifica el modelo de Burinskii del electrón de Dirac al reemplazar el anillo singular de Kerr-Newman del tamaño de Compton con una estructura toroidal con un radio exterior del tamaño de Compton y un radio interior del tamaño de Cartan (10 −27  m) en la teoría de la gravedad de Einstein-Cartan . [ 27 ]

Referencias

  1. ↑ André-Marie Ampère (1823). "Sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques Uniquement déduite de l'expérience" [ Sobre la teoría matemática de los fenómenos electrodinámicos sólo deducidos de la experiencia ] . Mémoires de l'Académie des sciences de l'Institut de France Académie des sciences (en francés). 6 : 175.
  2. ↑ Thomson, William (1869). "Sobre los átomos de vórtice" . Actas de la Real Sociedad de Edimburgo . 6 : 94–105 . doi : 10.1017/S0370164600045430 .
  3. ↑ William Thomson , " Sobre los átomos de vórtice ", Actas de la Real Sociedad de Edimburgo , V6, págs. 94–105 (1867) {reimpreso en Philosophical Magazine , V34, págs. 15–24 (1867)}.
  4. ↑ JJ Thomson , " Rayos catódicos ", Philosophical Magazine , S5, V44, p. 293 (1897).
  5. ↑ Ernest Rutherford , " Radiación de uranio y conducción eléctrica Archivado el 8 de septiembre de 2007 en Wayback Machine ", Philosophical Magazine , S5, V47, pp. 109–163 (enero de 1899).
  6. ↑ Consulte los experimentos de Thomson y Rutherford para obtener más detalles.
  7. ↑ Max Planck , " Sobre la ley de distribución de la energía en el espectro normal ", Annalen der Physik, vol. 4, págs. 553 y ss. (1901). Archivado el 25 de octubre de 2007 en Wayback Machine .
  8. ↑ JJ Thomson , " Sobre la estructura del átomo... Archivado el 9 de septiembre de 2007 en Wayback Machine ", Philosophical Magazine , S6, V7, N39, pp. 237–265 (marzo de 1904).
  9. ↑ Ernest Rutherford , " La dispersión de partículas α y β por la materia y la estructura del átomo. Archivado el 5 de febrero de 2007 en Wayback Machine ", Philosophical Magazine , S6, V21, pp. 669–688 (mayo de 1911).
  10. ↑ Niels Bohr , " Sobre la constitución de los átomos y las moléculas " Archivado el 4 de julio de 2007 en Wayback Machine , Philosophical Magazine , S6, V26, págs. 1-25 (julio de 1913).
  11. ↑ Alfred L. Parson , "Una teoría magnetónica de la estructura del átomo", Colección miscelánea Smithsoniana, Pub 2371, 80 págs. (noviembre de 1915) {Reimpreso en Pub 2419, V65, N11 (1916)}.
  12. ↑ Leigh Page , "La distribución de energía en el espectro de radiación normal", Physical Review , S2, V7, N2, pp. 229–240 (febrero de 1916).
  13. ↑ Gilbert N. Lewis , " El átomo y la molécula archivados el 18 de septiembre de 2007 en Wayback Machine ", Journal of the American Chemical Society , V38, pp. 762–786 (1916).
  14. ↑ David L. Webster , "Notas sobre la teoría de Page sobre la radiación térmica", Physical Review , S2, V8, N1, pp. 66–69 (julio de 1916).
  15. ↑ David L. Webster , "La teoría de la masa electromagnética del magnetón de Parson y otros sistemas no esféricos", Physical Review , S2, V9, N6, pp. 484–499 (junio de 1917).
  16. ↑ David L. Webster , "La dispersión de rayos alfa como evidencia de la hipótesis del magnetrón de Parson", Physical Review , S2 (febrero de 1918).
  17. ↑ Lars O. Grondahl , "Actas de la Sociedad Americana de Física: Evidencia experimental del magnetón de Parson", Physical Review , S2, V10, N5, pp. 586–588 (noviembre de 1917).
  18. ↑ Arthur H. Compton , "El tamaño y la forma del electrón: discurso en la Sociedad Estadounidense de Física (dic. 1917)", Journal of the Washington Academy of Sciences , págs. 330 (ene. 1918).
  19. ↑ Arthur H. Compton (julio de 1919). "El tamaño y la forma del electrón". Physical Review . 14 (1): 20– 43. Bibcode : 1919PhRv...14...20C . doi : 10.1103/PhysRev.14.20 .
  20. ↑ Arthur H. Compton , "Posible polaridad magnética de los electrones libres", Philosophical Magazine , S6, V41 (febrero de 1921).
  21. ↑ Arthur H. Compton , "El electrón magnético", Journal of the Franklin Institute , V192, N2, pp. 145–155 (agosto de 1921)
  22. ↑ HS Allen (1918). "El caso de un electrón de anillo". Actas de la Sociedad Física de Londres . 31 (1): 49– 68. Bibcode : 1918PPSL...31...49A . doi : 10.1088/1478-7814/31/1/303 .
  23. ↑ H. Stanley Allen , "Rotación óptica, isomerismo óptico y el electrón del anillo", Philosophical Magazine , S6, V40, N6, pág. 426 (1920).
  24. ↑ H. Stanley Allen , "El momento angular y algunas propiedades relacionadas del electrón del anillo", Philosophical Magazine , S6, V41, N6, pág. 113 (1921).
  25. ↑ D. Bourilkov, "Sugerencia de interacciones de contacto axial-vectorial en los datos de e + e − → e + e − ( γ ) en energías del centro de masa de 192–208 GeV", Phys. Rev. D 64, 071701 (2001), Archivo en línea de Physical Review .
  26. ↑ B. Odom, D. Hanneke, B. D'Urso y G. Gabrielse, Nueva medición del momento magnético del electrón utilizando un ciclotrón cuántico de un electrón, Phys. Rev. Lett. 97, 030801 (2006), PHYSICAL REVIEW LETTERS .
  27. ↑ Popławski, Nikodem J. (2010). "Partículas de Dirac no singulares en el espaciotiempo con torsión". Physics Letters B . 690 (1): 73– 77. arXiv : 0910.1181 . Bibcode : 2010PhLB..690...73P . doi : 10.1016/j.physletb.2010.04.073 .

Lecturas adicionales

  • David L. Bergman, J. Paul Wesley; Modelo de anillo cargado giratorio del electrón que produce un momento magnético anómalo , Electrodinámica Galileana. Vol. 1, 63-67 (septiembre/octubre de 1990).