Rozwikłanie zagadek fizyki. Od błędu Bohra do spinu magnetycznego elektronu.

[Eugeniusz Włodarczyk]

Rozwikłanie zagadek fizyki. Od błędu Bohra
do spinu magnetycznego elektronu.

Według mechaniki kwantowej
- spin magnetyczny elektronu wynika z jego natury kwantowej, jest wewnętrzną właściwością cząstki, - spin elektronu jest pojęciem kwantowym, którego praktycznie nie da się zilustrować,

według Wikipedii
- spin nie wynika z jego ruchu obrotowego, lecz z symetrii jego funkcji falowej względem
odpowiedniej grupy obrotów”.

Pożyteczny zbiór reguł matematycznych porządkuje w fizyce zjawiska ale niestety ich nie wyjaśnia. Co to znaczy, że spin elektronu wynika z natury kwantowej albo z symetrii jego funkcji falowej? Zapis taki sugeruje, jakoby przed powstaniem fizyki kwantowej elektrony nie miały spinu. Jeśli mechanizm jakiegoś zjawiska jest nie znany, należy go poznać, a nie przypisywać właściwościom cząstki czy negować prawo fizyki.

W kwestii spinu elektronu nie zgadzam się z wnioskami płynącymi z tych źródeł.
Zdanie odmienne:
Spin magnetyczny elektronu jest konsekwencją jego ruchu wirowego.
Uzasadnienie:
z superpozycji pól protonu i elektronu występującej w modelu atomu Bohra jednoznacznie wynika,
że warunkiem zaburzenia przez elektron wypadkowego pola elektrycznego jest przejście tego pola przez elektron z jednoczesnym przemieszczeniem go zgodnym z ruchem elektronu. Ten szczegół determinuje między innymi:
- mechanizm braku emisji elektronu w modelu atomu Bohra
- mechanizm powstawania spinu elektronu
- brak emisji elektronu podczas jednostajnego ruchu prostoliniowego obok pozostającego w
spoczynku protonu.

Zrozumienie mechanizmu powstawania spinu elektronu wymaga zrozumienia mechanizmu bezemisyjnego ruchu elektronu w najprostszym modelu atomu czyli modelu atomu Bohra. To, że ruch elektronu w tym modelu nie ma podstaw do emisji potwierdza natura i jednoznacznie wynika z matematycznego opisu jego ruchu mv2/r= ke2/r2, co oznacza brak przyspieszenia ładunku elektronu. Już z definicji tego ruchu wynika, że przyspieszenia doznaje tylko masa m elektronu. Prawo elektrodynamiki dotyczy przyspieszenia ładunku, nie dotyczy zatem modelu atomu Bohra! Brak tej emisji powinien być oczywisty dla fizyków już ponad 110 lat temu! Ważna jest przyczyna tego braku.

Mając na uwadze mechanizm powstawania zaburzenia pola elektrycznego poruszającego się ładunku, opisanego w „Elektryczność i magnetyzm, Edward M. Purcell, 1975r.”, porównajmy w układzie płaskim ruch elektronu pod wpływem bliżej nieokreślonej siły po orbicie kołowej jak w modelu atomu Bohra ale bez obecności pola protonu, z ruchem elektronu w modelu atomu Bohra, w którym takie pole występuje. Emisja ładunku elektronu w ruchu po okręgu bez obecności pola protonu wynika z faktu występującego większego zaburzenia pola elektrycznego elektronu po jego stronie zewnętrznej względem środka okręgu niż po jego stronie wewnętrznej, czyli najbliżej środka okręgu. W tym przypadku zagęszczenie linii pola elektrycznego po obu stronach elektronu jest identyczne ale prędkość po stronie zewnętrznej elektronu jest większa niż po jego stronie bliżej środka okręgu. Stąd zaburzenie pola po stronie zewnętrznej jest większe niż zaburzenie po stronie elektronu znajdującej się najbliżej środka i dlatego występuje emisja. To typowa zmiana kierunku prędkości ładunku (przyspieszenia) i skutek elektromagnetyczny tej zmiany. Zarówno masa elektronu jak i jego ładunek doznają przyspieszenia. Fizycy najczęściej błędnie sądzą, że z takim przypadkiem mają do czynienia w modelu atomu Bohra. To błąd wynikający z pominięcia pola protonu.
Aby w modelu atomu Bohra nie wystąpiło promieniowanie, zaburzenie pola wypadkowego przez poruszający się elektron powinno być identyczne po jego stronie najbardziej oddalonej od protonu jak i po jego stronie znajdującej się najbliżej protonu. Taki warunek może spełnić tylko ruch elektronu w wypadkowym polu centralnym, w którym po torze kołowym porusza się elektron. Wówczas ilość linii pola zaburzanych w tym samym czasie będzie identyczna po obu stronach elektronu. Po stronie przeciwnej elektronu patrząc od strony jądra, gęstość linii pola elektrycznego będzie mniejsza ale prędkość większa. Z kolei na powierzchni elektronu od strony jądra prędkość będzie mniejsza ale gęstość linii pola większa. Sprawdźmy czy pole wypadkowe otaczające poruszający się elektron w modelu atomu Bohra jest polem centralnym ze środkiem w centrum protonu?

proton elektron o promieniu a
r

v=ωr
Oznaczmy:
r – promień wodzący elektron po orbicie (odległość środków elektronu od protonu)
a – promień elektronu
ωr – prędkość liniowa elektronu
1/r – gęstość linii pola elektrycznego protonu w odległości r od jego środka (w płaszczyźnie rysunku)
1/a – gęstość linii pola elektrycznego elektronu w odległości a od jego środka (w płaszczyźnie rysunku)
(1/a+1/(r-a))ω(r-a)=(1/a-1/(r+a))ω(r+a)
(r-a)/a+1=(r+a)/a-1
(r-a-r-a)/a=-2
-2=-2
Powyższa równość jest spełniona i wynika z niej, że w modelu atomu Bohra superpozycja pól protonu i elektronu na styku elektronu z otoczeniem jest polem centralnym, z centrum w środku protonu. Zatem w modelu atomu Bohra poruszający się po orbicie kołowej elektron nie ma podstaw do emisji promieniowania. W takich warunkach ruch ładunku daje taki sam skutek emisyjny jak jednostajny ruch prostoliniowy ładunku elektrycznego bez obecności obcych pól. - Brak emisji.
Warto zwrócić uwagę na superpozycję pól i mechanizm powstawania zaburzenia pola wypadkowego protonu i elektronu.
Ważne: aby poruszający się elektron mógł zaburzyć swoim ruchem nie tylko własne pole ale także i pole protonu, to pola te w czasie przechodzenia przez elektron muszą być przez niego porywane (przemieszczane).
Jeśli zatem powyższy mechanizm powstawania zaburzenia wypadkowego pola elektrycznego tłumaczy potwierdzony przez naturę brak emisji elektronu w modelu atomu Bohra, tłumaczy również pochodzenie spinu magnetycznego elektronu.

Uzasadnienie odmiennego podejścia do pochodzenia spinu.
Orbitalny moment magnetyczny elektronu postrzegany jest przez fizyków jako skutek prądu tworzonego przez poruszający się elektron. Nie kwestionuję tego podejścia ale wówczas powstaje problem porównania źródła spinu orbitalnego ze źródłem spinowego momentu magnetycznego. Nie ma pewności jak określić natężenie prądu wirującego elektronu. Nie ma pewności jaka jest średnica elektronu i wewnętrzny rozkład ładunku. Fizycy szacują, że aby uzyskać oczekiwany moment magnetyczny, prędkość wirowania punktu na powierzchni elektronu powinna przekraczać prędkość światła c. Takie źródło spinu magnetycznego staje się nierealne i fizykom pozostało uznać, że spin jest wewnętrzną właściwością cząstki.
Zgodnie z mechanizmem powstawania zaburzenia pola elektrycznego elektronu z tytułu jego ruchu, na orbicie tworzy tworzone jest pole magnetyczne stanowiące orbitalny moment magnetyczny. Identyczny skutek zaburzenia pola powstaje w ruchu wirowym elektronu. Przy prędkości wirowania elektronu odpowiadającej ruchowi postępowemu w czasie toczenia się po najmniejszej orbicie Bohra, punkt zewnętrzny elektronu porusza się z prędkością około 0,01 prędkości światła! Wówczas momenty orbitalny i spinowy powinny być jednakowe. Wynika to jednoznacznie z takiej samej ilości linii pola elektrycznego elektronu zaburzanych w jednostce czasu dla ruchu postępowego i wirowego. Warto zauważyć, że ten sposób porównania eliminuje znaczenie rozmiaru elektronu oraz znaczenie jego wewnętrznego rozkładu ładunku.
Wniosek: przedstawiona analiza i zrozumienie zjawisk fizycznych zachodzących w zdaniem fizyków przestarzałym modelu atomu, burzy nie tylko założenia Bohra i przywraca należny szacunek prawu fizyki, a także podważa założenie fizyki kwantowej dotyczące pochodzenia spinu magnetycznego elektronu.

PS
Powszechnie wiadomo, że nie ma skutku bez przyczyny, a zjawiska fizyczne z pewnością nie stanowią wyjątku. Zatem kolejnego wyjaśnienia wymaga przyczyna ruchu wirowego elektronu,
która z pewnością nie jest cechą cząstki, musi tam działać prosty mechanizm wprawiający elektron
w kontrolowany ruch wirowy. To niesamowite dzieło przyrody, najprostszy, a zarazem doskonały mechanizm, nad którym warto się pochylić.

W publikowanej treści na stronie pl.sci.fizyka nie da się zamieścić towarzyszącego rysunku pomocniczego do analizy superpozycji pól protonu i elektronu. Zainteresowanym prześlę pełną treść artykułu drogą e-mail.

Eugeniusz Włodarczyk
eugeniu...@gmail.com