CC BY
10METHODS BASED ON ELECTROMAGNETIC TRAPS AND PROTON INTERACTIONS IN A HYDROGEN MOLECULE FOR HOLDING ELECTRONS AS PARTICLES IN PROTON ORBITALS, AND FORMATION OF THE PAULI PRINCIPLE AND ASYMPTOTIC FREEDOM IN PARTICLE
INTERACTIONS
Kuznetsov V.Y.
PhD in Engineering Sciences
МЕТОДЫ УДЕРЖАНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ КАК ЧАСТИЦ НА ОРБИТАЛЯХ ПРОТОНОВ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЛОВУШКИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОТОНОВ В МОЛЕКУЛЕ ВОДОРОДА, А ТАКЖЕ ФОРМИРОВАНИЕ ПРИНЦИПА ПАУЛИ И АСИМПТОТИЧЕСКАЯ СВОБОДЫ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЧАСТИЦ
Кузнецов В.Ю.
кандидат технических наук
Abstract
This article discusses a method of holding electrons as particles in atomic orbitals by protons. The method is based on the protons functioning as electromagnetic traps for electrons. We propose a method of proton interactions in a hydrogen molecule and explain the formation of the Pauli principle and asymptotic freedom in particle interactions.
Аннотация
В данной статье рассматривается метод удержания электронов как частиц на орбитах атомов протонами на основе работы протонов как электромагнитных ловушек для электронов, предлагается метод взаимодействия протонов в молекуле водорода, объясняется формирование принципа Паули и асимптотическая свободы во взаимодействии частиц.
Keywords: holding an electron as a particle by a proton, proton interactions in a hydrogen molecule, formation of the Pauli principle, asymptotic freedom.
Ключевые слова: удержание электрона как частицы протоном, взаимодействие протонов в молекуле водорода, формирование принципа Паули, асимптотическая свобода.
Метод удержания протонов в молекуле водорода
Рассмотрим идеальное расположение 2 протонов напротив друг друга в параллельный плоскостях и расположении грянь против грани при совпадающих направлениях их спинов исходя из их формы согласно [1]. Поскольку их заряды одинаковы то они будут отталкиваться. Сила взаимодействия 2 зарядов [2]:
4ле0г2
Поскольку их спины одинаковы и направлены в одном направлении то и токи в них текут в одинаковых направлениях и эта сила будет притягивать. Сила взаимодействия 2 проводников с током [2]: „ Мо'1'2 ,
^ = -г:-Ь
2 лг
Так как 2 протона это молекула водорода и она стабильна то сумма этих сил должна быть равна
тона положителен и равен цр = 10"26Дж*тл"1 [3] и
определяется как fip = :_- [2], т.к.протон нахо-
дится в вакууме, откуда ; - ; — f, то при длине сто-
роны треугольного контура а исходя, что сторонами этого треугольного контура являются кварки протона, получаем:
3а
4П£оГ2
= 0
(1)
где 8=^- илощадь равнобедренного треугольника
4
(контура)
г = 0.7416 ангстрем расстояние между атомами в молекуле водорода [4]
ч
_мо (Mp/^a2))2
4ЯТ£ог __-( Мр
3а
ч
(,/3a2 ) 3а за4 3а за3
3 _ 32д-др£рг
ч-
а=4.9*10"14 м.
Соответственно радиус в который вписывается треугольник со стороной а=4.9*10-14 м. будет 7*1014 м , что соотносится с общепринятым значением диаметром протона в 1 фемтометр. Необходимо учесть, что это не наружный размер протона с учётом толщины кварка, а размер внутреннего треугольника образующегося внутренними сторонами кварков - исходя их этого поперечный размер кварков будет порядка 0,175 фемтометра.
Строгая фиксированность углов образования химических связей при рассмотренном выше методе удержания протонов в молекуле водорода при применении этого метода к иным атомам указывает на фиксированность протонов как в пространстве ядра так и определённой их ориентации в этом пространства.
4
Метод удержания электронов на орбиталях протонов на основе электромагнитной ловушки
В [1] была рассмотрена структура протона как треугольной антенны т.е. замкнутого контура. В то же время известно, что если электрическое сопротивление равно нулю, то возбужденный в сверхпро-
водящем кольце ток будет существовать бесконечно долго. Форма магнитного поля будет подобна показанному на Рис. 1 и вполне подходит на роль зеркального магнитного зеркала, которые используются при создании зеркальных магнитных ловушек [5].
Рис. 1 Незатухающий ток в сверхпроводящем кольце и создаваемое им магнитное поле.
Суть зеркальной магнитной ловушки состоит в использовании магнитных пробок, или магнитных зеркал, — областей, в которых напряжённость магнитного поля сильно (но плавно) возрастает. Такие области могут отражать «падающие» на них вдоль силовых линий поля заряженные частицы. На Рис. 2 изображена траектория частицы в неоднородном магнитном поле, напряжённость которого меняется вдоль его силовых линий. Эффект отражения обусловлен тем, что при продвижении частицы в область более сильного поля при некоторых условиях
её поперечная скорость у* возрастает и увеличивается связанная с этой скоростью «поперечная энер-
1
гия» частицы — mv¿. Но полная энергия заряженной
11 частицы mv\f+ -mv¿
2
при движении в магнитном поле не изменяется, так как сила Лоренца, будучи перпендикулярна скорости, работы не производит. Поэтому одновременно с увеличением у*, уменьшается уц.В какой-то точке уц может стать равной нулю. В этой точке и происходит отражение частицы от «магнитного зеркала». [5]
Рис. 2 Траектория частицы в неоднородном магнитном поле, напряжённость которого меняется вдоль
его силовых линий
Рассчитаем минимальный угол отражения электрона от протона.
Для магнитного поля в вакууме напряженность магнитного поля определяется выражением [3]:
Мо
Магнитная индукция в плоскости треугольного элемента (протона) равна геометрической сумме магнитных индукцией, создаваемых каждой стороной в отдельности поля треугольного витка
будет
F
В=В1 +В2+В3
_ 6-W _ 3V3W D — -— cos к — -cos к
2naV3 1 па 1
где а - длина стороны треугольника (кварка протона)
Площадь равнобедренного треугольника
4
Соответственно
Н =l2^cosa1=2.8l*l014 А/м
па3
4Мр
•/3 а2
12p.op.-p
В =-recosas
па3
напряженность (H) в центре равнобедренного треугольника (протона)
z1=2.81*1014 А/м (2)
Радиус первой орбиты в атоме водорода R=5,291772085910-11 м [6]
Напряженность поля от протона на радиусе первой орбиты водорода на оси перпендикулярной к плоскости витка протона
Но =—l2^^rrCOsa1 = 223570 А/м (3)
0 п(Я2+а2)3/2 1 v '
Минимальный угол входа электрона в поле протона с первой орбиты водорода чтобы он был не отражён найдём из формулы [5 формула 2.21 стр.39]
Н =
н 0
sin
sin2K 0
«0= = 2.82 * 10-5
0 V н
отсюда 0Сд= 0.00161°
В случае круговой формы протона значения 2 и 3 будут ещё больше, а угол ещё меньше.
Электрон неотражённый и идущий по нормали к протону исходя из представления протона как
витка попросту пройдёт через центр протона, затормозится и пойдёт к протону обратно.
Таким образом протон работает как электромагнитная ловушка для электрона. Поскольку элек-
троны отражаясь от магнитного зеркала будут отбрасываться от протона то и стабильной орбиты они иметь не будут занимая хаотические места пространстве как указано на Рис.3:
Рис. 3 Атомная орбиталь (АО) это область пространства, в которой вероятность нахождения электрона максимальна.
Но необходимо учесть, что удерживание элек- исследованиями [7] которые дали следующее рас-тронов электромагнитным полем протонов не даёт пределение квадрата волновой функции двухэлек-электронам находиться в любой точке простран- тронной системы в молекуле водорода (Рис. 4) [7]: ства вокруг протона. Данный факт подтверждается
а Square of 2sog wave function c' Image by photofragmentation
Рис. 4 Квадрат волновой функции двухэлектронной системы в молекуле водорода при расстоянии между ядрами атомов в 0,85 ангстрема. M. Waitz et al./Nature Communications, 2018 [7]
Так же известно, что на каждой орбитали могут максимально размещаться два электрона, обладающие равной энергией, но отличающиеся спином. Принцип исключения Паули утверждает, что два электрона (или два любых других фермиона) не могут иметь одинаковое квантово-механическое состояние в одном атоме или одной молекуле [8, 9] В рамках данного метода это объясняется тем, что двигаясь в магнитном поле протона электрон, обладая также магнитным полем, так же будет ориентироваться спином протона не смотря на свои движе-
ния вокруг протона и тем самым формируя принцип Паули. А поскольку протоны связываются своим спином, ориентированными симметрично, то и спины электронов у этих протонов будут направлены также симметрично. Чтобы спин электрона был направлен антисимметрично к спину протона он должен быть строго антипараллелен спину протона, в противном случае он будет повёрнут до параллельности магнитному поля протона.
Необходимо заметить, что в данной модели один протон может удерживать 2 электрона - по одному по разным сторонам плоскости нахождения кварков протона.
Асимптотическая свобода
Принято считать, что сильное взаимодействие короткодействующее: его радиус 10-13 см. Особенностью его, является то, что притяжение между кварками растёт с увеличением расстояния между ними. С другой стороны при сближении кварков в адронах их взаимодействие ослабевает (асимптотическая свобода). Обратим внимание на взаимодействие (1)
Мо(Мр/("4
3 а — ■
2 пг 4Л£оГ2
или в более общем виде
= 0
(1)
2 пг АПЕоГ2
Из него видно, что реализуется взаимодействие описанное выше между кварками - при уменьшении расстояния сила отталкивания возрастает энергичней чем сила притяжения, а при увеличении расстояния сила отталкивания падает быстрее чем сила притяжения при ядерных масштабах расстояний. Например при отклонении от точки равновесия на порядок в сторону уменьшения расстояния сила притяжения увеличится только на 10 раз в то время как сила отталкивая на 100 раз, в тоже время при отклонении расстояния в сторону увеличения сила притяжения уменьшится только на 10 в от время как сила отталкивания уменьшится в 100. Поскольку кварки обладают как зарядом так и магнитным полем то этот механизм предлагается рассмотреть в межкварковом взаимодействии учитывая, что кварки обладают как зарядом так и спином.
На основании изложенного выдвигаю предположение, что электроны удерживаются на орбитах атомов вследствие попадания в магнитное поле протонов, которое формируется в виде электромагнитного зеркала. Как следствие расположение связей между атомами будет определяться положением протонов в структуре ядра атома, поскольку при произвольном вращение протона электрон будет вноситься внутрь ядра чего не наблюдается. Строгая фиксированность углов образования химических связей при рассмотренном выше методе удержания протонов в молекуле водорода при применении этого метода к иным атомам указывает на фиксированность протонов как в пространстве ядра так и определённой их ориентации в этом пространства. Так же стоит отметить, что спины протонов, участвующих в образовании химических связей, должны быть одинаково направлены.
Кроме этого, если связи между атомами выстраиваются по линии то спины будут слагаться и получается магнитный материал. В случае образования связей под различными углами спины будут взаимно ослабляться и материал магнитным не будет. Кроме этого, если выстроить атомы водорода в цепочку с однонаправленными спинами то такой материал должен приобрести магнитные свойства
Наводороживание сложным образом влияет на магнитные свойства стали. До определенной полноты насыщения металла водородом магнитные свойства меняются слабо. Затем происходит резкое уменьшение максимальной магнитной проницаемости и остаточного магнетизма и еще более резкое возрастание коэрцитивной силы. Сделана попытка объяснения этих эффектов влиянием внутрипо-лостного давления, меняющего межатомные расстояния в решетке и состояние электронных орбит управляющее магнитными характеристиками [10 с. 21]. В рамках данной работы это объясняется тем, что при насыщении водородом без образования гидридов магнитные моменты атомов водорода располагаются хаотично и тем самым противодействуют магнитным моментам атомов железа. Соответственно степень ослабления магнитных свойств зависит от степени насыщения стали водородом. В тоже время образование гидрида железа приводит к усилению магнитных свойств, что объясняется в рамках данной работы тем, что к спиновым магнитным значениям атомов железа добавляются спиновые магнитные значения атомов водорода, т.к. все они будут ориентироваться однонаправлено в своих связях [11].
Поглощение протонам энергии приведёт к росту напряжённости поля протонов и соответственно к удалению электронов от протонов, т.е. переводу на более высокие орбитали. В рамках данного метода поглощение электронами электромагнитного излучения не имеет никакого значения для перехода по орбиталям атома за исключением прямого столкновения с фотонами высоких энергий.
References
1. National Association of Scientists (NAU). monthly scientific journal no.51/2020 1 part ISSN 2413-5291 DOI 10.31618/NAS.2413-5291.2020.1.51
Engineering view of interaction processes of electromagnetic radiation with protons, neutrons and atomic nuclei. Kuznetsov V. Yu. pp. 42 - 44
2. Electrodynamics and propagation of radio waves : tutorial / D.Yu. Muromtsev, Yu.T. Zyryanov, P.A. Fedyunin et al. -T. Zirianov, P.A. Fed'yunin etc. -Tambov: Publishing house of TSTU, 2012. - 200 с. 100 copies. ISBN 978-5-8256-1146-6.
Tables of physical quantities. Handbook. Under the editorship of Acad. I.K. Kikoin. Moscow Atomiz-dat. 1976. 1008 с.
4. Handbook of chemists. - 2nd edition, revised, revision. M.-L.: GSTI Chemical Literature, 1962.
5. Artsimovich L.A. Elementary Physics of Plasmas. 1963. 98 p. GosAtomIz-dat.
6. V.A. Kireev, Concise Course of Physical Chemistry, Moscow, 1968.
7. https://www.nature.com/articles/s41467-017-02437-9
8. W.Pauli General Principles of Wave Mechanics. OGIZ Moscow 1947.
9. D.V. SIVUKHIN. GENERAL COURSE OF PHYSICS: Atomic Physics. vol. V. Part 1 Moscow. Nauka, 1986, 426 pp.
10. Shrader A.V., Shparber I.S., Archakov Y.I. Hydrogen Influence on Oil and Chemical Equipment. Moscow, Machine Engineering, 1976, p144.
11. Hydrogen Influence on Change of Magnetic Characteristics of Nanocrystalline Iron A.A. Nova-kova, O.V. Agladze, T.Yu. T. Yu. Kiseleva, Lomono-sov Moscow State University, Russia. T. Yu. Kiseleva, M.V. Lomonosov Moscow State University, Solid State Physics, 2001, vol. 43, issue 8, pp. 1443 - 1448
Список литеpатуpы
1. Национальная ассоциация учёных (НАУ). ежемесячный научный журнал №51/2020 1 часть ISSN 2413-5291 DOI 10.31618/NAS.2413-5291.2020.1.51
Инженерный взгляд на процессы взаимодействия электромагнитного излучения с протонами, нейтронами и атомными ядрами. Кузнецов В.Ю. стр. 42 - 44
2. Электродинамика и распространение радиоволн : учебное пособие / Д.Ю. Муромцев, Ю.Т. Зырянов, П.А. Федюнин и др. -Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. - 200 с. 100 экз. ISBN 978-5-8256-1146-6.
3. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. М. Атомиздат. 1976. 1008 с.
4. Справочник химика. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.-Л.: ГНТИ Химической литературы, 1962
5. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы. 1963 год. 98 стр ГосАтомИздат
6. В.А. Киреев Краткий курс физической химии, М., 1968
7. https://www.nature.com/articles/s41467-017-02437-9
8. В.Паули Общие принципы волновой механики. ОГИЗ Москва 1947
9. Д.В. СИВУХИН. ОБЩИЙ КУРС ФИЗИКИ Атомная физика. т. V. ч. 1 М. Наука, 1986, 426 с
10. Шрейдер А.В., Шпарбер И.С., Арчаков Ю.И. Влияние водорода на нефтяное и химическое оборудование. М., «Машиностроение», 1976, с144
11. Влияние водорода на изменение магнитных характеристик нанокристаллического железа А. А. Новакова, О.В. Агладзе, Т.Ю. Киселева, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 8, стр. 1443 - 1448
ENGINEERING VISION OF THE PROCESSES OF INTERACTION BETWEEN ELECTROMAGNETIC RADIATION AND PROTONS, NEUTRONS, AND ATOMIC NUCLEI
Kuznetsov V.Y.
PhD in Engineering Sciences
ИНЖЕНЕРНЫЙ ВЗГЛЯД НА ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПРОТОНАМИ, НЕЙТРОНАМИ И АТОМНЫМИ ЯДРАМИ
Кузнецов В.Ю.
кандидат технических наук
Abstract
The present paper focuses on the interaction of electromagnetic radiation with atomic nuclei based on the theory of receiving and transmitting antennas, linear, aperture antennas, and antenna arrays used in radio-electronic devices. It presents an alternative vision of the Compton experiment with regard to the non-shifted radiation on the atom as a whole. Based on the listed facts, conclusions on some quark properties are made.
Аннотация
В данной статье рассматривается взаимодействие электромагнитного излучения с ядрами атомов на основе теории приёмных и передающих антенн, а также линейных, апертурных антенн и антенных решёток, применяющихся в устройствах радиоэлектронных средств. Предлагается альтернативный взгляд на опыт Комптона в части не смещенного излучения на атоме в целом. На основе предложенных фактов сделаны выводы о некоторых свойствах кварков.
Keywords: Atom, quark, antenna, electromagnetic radiation, quark properties
Ключевые слова: Атом, кварк, антенна, электромагнитное излучение, свойства кварка
Как известно фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 кэВ, что соответствует излучению с частотой от 3 1016 до 61019 Гц и длиной волны 0,005—10 нм т. е. от 10-14 до 108 м, что согласуется с линейными размерами атомов: их радиусы составляют от 0,3 до 2,6 ангстрема (1 ангстрем = 1010 м). Радиус ядра около 10-5 ангстрема, то есть 1015 м. Т.е. ядро атома работает как антенна поглощающая ЭМИ. А как известно чтобы
антенна хорошо ловила ЭМ её длина должна быть сопоставима с длиной волны ЭМИ а наилучшие результаты дают четвертьволновые (для штыревых) или 2 четвертьволновых отрезков (для дипольной) .
Кроме того самые энергичные гамма-кванты (т.е с наименьшей длиной волны - 10-14) даже внедряются в структуру элементарных частиц, таких как протоны и нейтроны. Сопоставим их линейные
