CC BY
11
А
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2023-2-137-140
Поступила 11.05.2023 Received 11.05.2023
КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЕ ДВИЖЕНИЕ ЧАСТИЦ
Корпускулярно-волновой дуализм частиц впервые был обнаружен у фотонов [1, 2]. Экспериментально установлено, что они обладают такими волновыми свойствами, как дифракция, интерференция, поляризация. Также известно, что фотоны проявляют корпускулярные свойства: фотоэффект, эффект Ком-птона, давление [1, 2].
Французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщем характере корпускулярно-волнового дуализма частиц [1]. Было установлено, что волновыми свойствами обладают электроны, протоны, нейтроны [1-3]. Согласно Л. де Бройлю, движущейся частице с энергией E и импульсом p соответствует волна частотой E/ h и длиной h /p, где h - постоянная Планка [1, 2].
Если фотоны движутся в пространстве с постоянными и предельными скоростями, то не ясен волновой механизм их кооперативного движения. Если волнового кооперативного движения фотонов нет, то не ясен высокочастотный (волновой) механизм движения фотона.
Согласно стандартной модели (СМ) - современной теории физики элементарных частиц, фотон имеет энергию, импульс и момент импульса (спин) [1]. Кроме того, согласно СМ, фотон является безмассовой частицей, в том смысле, что его масса покоя (масса) равна нулю. Стандартная модель не объясняет природу фотона, которая является противоречивой. Во-первых, фотон - элементарная частица без массы, но имеет энергию, причем не ясно какую. Во-вторых, у фотона есть импульс, но нет массы. В-третьих, у фотона есть момент импульса, но движется фотон прямолинейно и не может вращаться, не имея массы.
Частицей, аналогичной фотону, является нейтрино. Согласно СМ, нейтрино имеет энергию, импульс и момент импульса, но не имеет массы и движется со скоростью фотона [2, 3]. Но в 2015 г. было экспериментально установлено, что нейтрино имеет массу. А. Макдональд и Т. Каджита получили Нобелевскую премию по физике за «открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу» [4]. Нейтринные осцилляции заключались в том, что виды нейтрино могли взаимно превращаться друг в друга. Экспериментально установлено, что средняя масса нейтрино составляет 0,51 эВ или 9,1-10-37 кг [5]. Это означает, что нейтрино в миллион раз легче электрона [2].
Известен процесс взаимопревращения (осцилляции) электронно-позитронной пары в фотоны. Такая осцилляция свидетельствует о наличии у фотона массы. Процесс поглощения и испускания фотонов электроном также говорит о том, что фотоны имеют массу. Поскольку фотон и нейтрино подобны, то следует полагать, что их массы примерно равны, то есть можно принять, что масса фотона в среднем составляет 9,Ы0-37 кг.
Наличие масс у нейтрино и фотона означает, что уравнения специальной теории относительности (СТО) не распространяются на эти частицы. В противном случае фотон и нейтрино имели бы бесконечные массы и энергии. Уравнения СТО применимы к частицам, движущимся прямолинейно с постоянными скоростями (инерциальным частицам). Нейтрино и фотон не укладываются в рамки СТО только потому, что они являются неинерциальными частицами, движущимися не прямолинейно, но с постоянными скоростями, что соответствует вращательному орбитальному движению. Это подтверждается тем, что фотон и нейтрино имеют моменты импульса.
Фотон, обладающий импульсом и моментом импульса, как частица должен вращаться с постоянной тангенциальной скоростью по окружности с частотой света и при этом двигаться прямолинейно со скоростью света. Также должен перемещаться и нейтрино. В итоге траекториями движения фотона и нейтрино являются винтовые спирали (рис. 1). Наличие магнитного момента у электрона также доказывает, что траектория движения электрона - винтовая спираль. Все частицы, имеющие спин, движутся в пространстве по траекториям винтовых спиралей. Такое движение частиц объясняет их корпускулярно-волновой дуализм. Он заключается в том, что частица одновременно участвует в двух видах
Рис. 1. Общий вид винтовых спиралей
движения - по окружности с частотой V , тангенциальной скоростью ^ и по направлению импульса частицы со скоростью • Первый вид движения обеспечивает частице волновые свойства, а второй вид движения - корпускулярные свойства. Корпускулярно-волновые свойства частиц подтверждают движение этих частиц по траекториям винтовых спиралей.
Проекциями траектории движения частицы массой т на плоскость 2 - У является окружность радиуса R, а на плоскость 2 - X - косинусоида (рис. 2). Проекция спина частицы (^) на направление ее импульса определяется следующим уравнением [1]:
S =--5,
2п
где 5 - спиновое квантовое число.
(1)
Рис. 2. Проекции движения частицы по винтовой спирали
Поскольку S = m&]_R , то справедливо уравнение:
hs = 2%Rm<al.
Частота волнового движения частицы определяется по уравнению:
ю,
V = -
Длина волны движущейся частицы (X) равна:
2nR
л=Ю2.
(2)
(3)
(4)
Из уравнений (2) - (4) получаем расчетную формулу для X :
<a2hs
л =
тю,
2 '
Из уравнений (2) и (3) имеем:
(5)
V=
тюх hs
Из уравнения (6) получаем:
ю, =
vhs
m
(6) (7)
V
Из уравнений (3) и (6) имеем следующую расчетную формулу для R :
R = . (8)
2пта1
Фотон имеет а2 = с, 5 = 1 [1]. Тогда, учитывая, что с = 3-108 м/с (в вакууме), ту = 9,Ы0-37 кг, к = 6,626-10-34 Джх, получаем значения X, а и R фотонов в зависимости от частоты корпускулярно-волнового излучения (см. таблицу) [1, 2].
Параметры корпускулярно-волнового движения фотонов
Корпускулярно-волновое излучение V, Гц X, м м/с Я, м
Радиоволновое 105 3-103 8,5103 1,410-2
Микроволновое 1010 310-2 2,7^106 4,3 10-5
Инфракрасное 1013 310-5 8,5107 1,4-Ю-6
1,2^1014 2,5^10-6 3-108 3,9^10-7
Видимое 4^1014 7,6-10-7 5,4^10® 2,2^10-7
7,5^1014 4^10-7 7,4^10® 1,6^10-7
Ультрафиолетовое 1016 310-8 2,7^109 4,310-8
Рентгеновское 1018 3^10-10 2,7^1010 4,3 10-9
у- излучение 1022 3^10-14 2,7^1012 4,3^10-11
Из таблицы следует, что % = с при частоте корпускулярно-волнового излучения фотонов V = 1,2-1014 Гц. До этого значения а1 < с, а при V > 1,2-1014 Гц а1 > с . При этом проекция а1 на направление импульса фотона равна нулю. Поэтому ^ не влияет на ^ и скорость прямолинейного движения фотона в вакууме всегда равна с .
Из таблицы следует, что до микроволнового излучения фотонов ^ ■ с . Тогда энергия фотонов (Еуг) выражается следующей формулой:
т, с 2
Е1Г . (9)
В общем случае энергия фотонов определяется по формуле:
тую2 тус2
Еу=^ + ^-. (10)
2
Из (7) и (10) имеем расчетную формулу для Еу :
к\> т.,с2
При = с из (5) и (6) получаем формулы частоты и длины (Ху) волны корпускулярно-
волнового движения фотонов:
т4-=к. *,=^=А. (12)
к к тус ру
где ру - импульс фотона.
Формулы (12) справедливы только для фотонов с частотой корпускулярно-волнового движения, равной 1,2-1014 Гц, то есть для инфракрасного излучения фотонов. В этом случае справедливы следующие основные формулы квантовой физики [1, 2]:
Е = р = — . (13)
с
Электроны, протоны и нейтроны имеют 5 = — [1]. Если принять, что % = а = ® , то по (5) и (7) получим формулы частот (V р ) и длин (X р ) волн корпускулярно-волнового движения частиц:
2та2 _ 2Ер к к
=---, X р =-= — . (14)
к к 2та 2 р
Формулы (14) не соответствуют уравнениям Л. де Бройля для электронов, протонов и нейтронов.
Соответствие будет наблюдаться только при следующих условиях: ^ = а и ^ = .
\2
Частицы перемещаются в пространстве по спирально-винтовым траекториям благодаря эффекту вихревого движения. Это неинерциальный процесс, который происходит при ускоренном движении частиц. Известно, что когда молекулы ускоряются, то они движутся по винтовой спирали в сторону направленного движения (ускорения). Так, горячий воздух от пожара, ускоряясь вверх, движется по винтовой спирали, образуя вихревой смерч (рис. 3). Эффект вихревого движения связан с неинерциальными силами - силами пространства [6]. Они действуют на ускоренную частицу, заставляя ее вращаться по винтовой спирали. Наблюдается и обратный неинерциальный эффект. При вихревом движении частиц на них действует ускоряющая направленная сила пространства [6]. Ее действие можно наблюдать при вращении воды в стеклянном стакане, на дне которого находятся более тяжелые частицы. При этом они поднимаются вверх, собираясь в вихрь, по центру стакана (рис. 4). Чем больше тангенциальная скорость частиц, тем сильнее пространство сжимает их спирально-винтовое движение, уменьшая его диаметр.
Рис. 3. Вихревой смерч, возникший во время пожара Рис. 4. Вихревое движение частиц тяжелее воды
при ее вращении в стеклянном стакане
Электроны, протоны, нейтроны, фотоны, нейтрино, вылетая из атомов, ускоряются и движутся по винтовым спиралям. Также перемещаются ускоренные атомы и молекулы. Ускоритель заряженных частиц способствует их движению по винтовым спиралям. Причем это движение всегда направлено по вектору ускоряющей силы. После прекращения ее действия частицы движутся по винтовым спиралям с постоянными скоростями ( fflj и&2).
Следует отметить, что спиновые квантовые числа частиц могут иметь как положительные, так и отрицательные значения [1]. При 5 > 0 проекция спина частицы на направление ее импульса (m&2) совпадает с направлением. В результате частица движется по правовинтовой спирали. Если s < 0 , то проекция спина частицы противоположна направлению ее импульса. В этом случае частица движется по левовинтовой спирали. Знак спина частиц, движущихся по винтовой спирали, определяет их поляризационные свойства.
Таким образом, корпускулярно-волновое движение частиц заключается в их перемещении по траекториям винтовых спиралей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Энциклопедия для школьников и студентов. Т. 2. Физика. Математика / Под ред. Н. А. Поклонского. Минск: Беларуская энцыклапедыя iмя П. Броую, 2010. 528 с.
2. Аксенович Л. А., Зенькович В. И., Фарино К. С. Физика в средней школе / Под ред. К. С. Фарино. Минск: Аверсэв, 2010. 1102 с.
3. Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. Учеб. пособ. М.: Наука, 1972. 672 с.
4. Герштейн С. С., Куденко Ю. Г. Лауреаты Нобелевской премии 2015 по физике - А. Макдональд и Т. Каджита // Природа. 2016. № 1. С. 59-64.
5. The KATRIN Collaboration. Direct neutrino-mass measurement with sub-electronvolt sensitivity. Nature Phisics, 2022, vol. 18, pp. 160-166.
6. Стеценко В. Ю., Стеценко А. В. Силы пространства // Литье и металлургия. 2020. № 3. С. 117-120.
В. Ю. СТЕЦЕНКО, г. Могилев, Беларусь. E-mail: stetsenko.52@bk.ru
