Modelo de anillo toroidal - Toroidal ring model
El modelo de anillo toroidal , conocido originalmente como Magnetón de Parson o electrón magnético , es un modelo físico de partículas subatómicas . También se lo conoce como anillo plasmoide , anillo de vórtice o anillo de helicón . Este modelo físico trataba 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 sola carga en órbita , el anillo toroidal se concibió como una colección de elementos de carga infinitesimales , que orbitaban o circulaban a lo largo de una ruta o " bucle " continuo común . En general, esta trayectoria de carga podría asumir cualquier forma, pero tendía hacia 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 produjo un campo magnético general (" giro ") debido a la corriente de los elementos de carga en movimiento. Estos elementos circular alrededor del anillo en la velocidad de la luz c , pero a la frecuencia ν = c / 2π R , que dependía inversamente en el radio R . La energía inercial del anillo aumentaba cuando se comprimía , 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 h de Planck , el momento angular conservado del anillo.
Según el modelo, los electrones o protones podrían verse como haces de " fibras " o " plasmoides " con carga total ± e . La fuerza de repulsión electrostática entre elementos de carga del mismo signo fue equilibrada por la fuerza de atracción magnética entre las corrientes paralelas en las fibras de un haz, según la ley de Ampère . Estas fibras se retorcieron alrededor del toro del anillo a medida que avanzaban alrededor de su radio, formando una hélice similar a Slinky . La terminación del circuito exigía que cada fibra plasmoide helicoidal girara alrededor del anillo un número entero de veces a medida que avanzaba alrededor del anillo. Se pensaba 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 de la torsión distinguía el electrón del protón.
El modelo toroidal o "helicón" no exigía un radio constante o energía inercial para una partícula. En general, su forma, tamaño y movimiento se ajustan de acuerdo con los campos electromagnéticos externos de su entorno. Estos ajustes o reacciones a cambios de campo externos constituyeron la emisión o absorción de radiación por la partícula. El modelo, entonces, 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 los elementos actuales. En esa misma época, Carl Friedrich Gauss y Michael Faraday también descubrieron las leyes fundamentales de la electrodinámica clásica , recopiladas más tarde 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 de hoy. En 1867, Lord Kelvin sugirió que los anillos de vórtice de un fluido perfecto descubierto por Hermann von Helmholtz representaban "los únicos átomos verdaderos ". Luego, poco antes de 1900, mientras los científicos aún debatían sobre la existencia misma de los átomos, JJ Thomson y Ernest Rutherford provocaron una revolución con experimentos que confirmaban la existencia y propiedades de electrones, protones y núcleos . Max Planck se sumó al fuego cuando resolvió el problema de la radiación del cuerpo negro asumiendo no solo partículas discretas , sino también frecuencias discretas de radiación que emanan de estas "partículas" o " resonadores ". El famoso artículo de Planck, que incidentalmente calculó tanto la constante de Planck h como la constante k B de Boltzmann , sugirió que algo en los propios "resonadores" proporcionaba estas frecuencias discretas.
Numerosas teorías sobre la estructura del átomo se desarrollaron a raíz de toda la nueva información, de las cuales llegó a predominar el modelo de Niels Bohr de 1913 . El modelo de Bohr propuso electrones en órbita circular alrededor del núcleo con valores cuantificados de momento angular . En lugar de irradiar energía continuamente , como exigía la electrodinámica clásica de una carga acelerada, el electrón de Bohr irradiaba discretamente cuando " saltaba " de un estado de momento angular a otro.
Parson Magneton
En 1915, Alfred Lauck Parson propuso su " magneton " como una mejora sobre el modelo de Bohr , que representa partículas de tamaño finito con la capacidad de mantener la estabilidad y emitir y absorber radiación de ondas electromagnéticas . Aproximadamente al mismo tiempo, Leigh Page desarrolló una teoría clásica de la radiación del cuerpo negro asumiendo " osciladores " rotativos , capaces de almacenar energía sin irradiar. Gilbert N. Lewis se inspiró en parte en el modelo de Parson al desarrollar su teoría de los enlaces químicos . Luego, David L. Webster escribió tres artículos conectando el magnetón de Parson con el oscilador de Page y explicando la masa y la dispersión alfa en términos del magnetón. En 1917, Lars O. Grondahl confirmó el modelo con sus experimentos sobre electrones libres en alambres de hierro . A continuación, la teoría de Parson atrajo la atención de Arthur Compton , quien escribió una serie de artículos sobre las propiedades del electrón, y de H. Stanley Allen , cuyos artículos también abogaban por un "electrón anular".
Estado actual
El aspecto del magneton de Parson con mayor relevancia experimental (y el aspecto investigado por Grondahl y Webster) fue la existencia de un momento dipolar magnético electrónico ; este momento dipolar está realmente presente. Sin embargo, un trabajo posterior de Paul Dirac y Alfred Landé mostró que una partícula puntual podría tener un giro cuántico intrínseco y también un momento magnético. La teoría moderna de gran éxito, el modelo estándar de física de partículas, describe un electrón puntual con un giro intrínseco y un momento magnético. Por otro lado, la afirmación habitual de que un electrón tiene forma de punto puede asociarse convencionalmente sólo con un electrón "desnudo". El electrón puntual tendría un campo electromagnético divergente, lo que debería crear una fuerte polarización de vacío. De acuerdo con QED, las desviaciones de la ley de Coulomb se predicen a distancias de escala de Compton desde el centro del electrón, 10-11 cm. Los procesos virtuales en la región de Compton determinan el espín del electrón y la renormalización de su carga y masa. Muestra que la región de Compton del electrón debe considerarse como un todo coherente con su núcleo puntual, formando un electrón físico ("revestido"). Observe que la teoría de Dirac del electrón también exhibe el comportamiento peculiar de la región de Compton. En particular, los electrones muestran zitterbewegung en la escala de Compton. Desde este punto de vista, el modelo de anillo no contradice la QED o la teoría de Dirac y posiblemente algunas versiones podrían usarse para incorporar la gravedad en la teoría cuántica.
La cuestión de si el electrón tiene una subestructura de algún tipo debe decidirse experimentalmente. Todos los experimentos hasta la fecha concuerdan con el modelo estándar del electrón, sin subestructura, en forma de anillo o de otro tipo. Los dos enfoques principales son la dispersión de electrones y positrones de alta energía y las pruebas atómicas de alta precisión de la electrodinámica cuántica , las cuales coinciden en que el electrón es similar a un punto en resoluciones de hasta 10 −20 m. En la actualidad, la región de Compton de los procesos virtuales, de 10 a 11 cm de ancho, no se muestra en los experimentos de alta energía sobre la dispersión de electrones y positrones.
Referencias
27- David L. Bergman, J. Paul Wesley ; Spinning Charged Ring Model of Electron
Yielding Anomalous Magnetic Moment, Galilean Electrodynamics. Vol. 1, 63-67 (Sept./Oct. 1990).