Спин и квантование магнитного момента атома

Но мы всё ещё не у предела; после электронов или атомов электричества пришёл магнетон или атом магнетизма, который входит сейчас двумя различными путями: через изучение магнитных тел и через изучение спектров элементов… Ритц представляет себе колеблющийся атом образованным из вращающегося электрона и из множества магнетонов, расположенных один за другим. В таком случае уже не взаимное электростатическое притяжение электронов управляет длинами волн, а магнитное поле, создаваемое этими магнетонами.

Анри Пуанкаре, "Последние мысли", 1913 г. [101]

Перейдём на время от субэлектронного к более привычному этажу микромира, — этажу электронов и тяжёлых элементарных частиц. Как было показано выше, и, как многие предполагали ранее [79], именно электроны и позитроны являются теми кирпичиками, из которых сложены все прочие частицы. Тогда нейтрон, весящий в 1838 раз больше электрона, должен состоять примерно из тысячи (919) электронов и из того же числа позитронов, дабы полный заряд нейтрона равнялся нулю. То же строение имеет и протон, но электронов в нём на один меньше, с чем и связан его положительный заряд. Тогда, в целом, атом и, вообще, — мир окажутся построены из равного числа электронов и позитронов.

Однако такое представление ведёт, на первый взгляд, к противоречиям. Во-первых, магнитный момент протона и нейтрона — заметно меньше, чем у электрона, что, как считают, доказывает его отсутствие в нейтроне. Но, если нейтрон или протон составлены из многих зарядов, то их магнитные моменты вполне могут сориентироваться так, что почти полностью погасят друг друга. То, что малый магнитный момент нейтронов и протонов обусловлен лишь взаимной компенсацией моментов образующих их частиц, подтвердили эксперименты В.В. Коробкина, Р.В. Серова и Г.А. Аскаряна. Этой группе в 1980-х годах удалось разбить тела нуклонов мощным лазерным импульсом, при этом регистрировались мощные магнитные поля, в миллионы Гаусс. Это легко объяснить тем, что при делении нуклона на части, их магнитные моменты перестают компенсировать друг друга и отчётливо проявляются, доказывая, что локальные магнитные поля внутри атомов и ядер — много больше, чем их внешние, скомпенсированные поля. Так что, наличие внутри нейтрона или протона сотен электронов и позитронов — не исключено. Более того, думается, лишь электроны и позитроны обладают собственным электрическим зарядом и магнитным моментом, а уже их присутствие придаёт эти характеристики другим частицам (§ 3.9).

Интересно, что именно Ритц первым предсказал существование стандартного магнитного момента (магнетона) у элементарных частиц, — кирпичиков, из которых сложен атом, атомный остов. К этим частицам, как выяснили, следует отнести электроны и позитроны. Однако никто теперь не связывает открытие магнитного момента электрона с именем Ритца. Все говорят или о магнетоне Вейсса, или о магнетоне Бора. Один лишь А. Пуанкаре упоминал о магнетоне и атоме Ритца. Будучи очень глубоким и смелым мыслителем, он хорошо видел перспективы и пути развития науки. Пуанкаре был не только замечательным математиком и философом науки (лично навестившим Ритца — для вручения ему награды и обсуждения математических проблем), но и первопроходцем во многих областях физики и астрономии. Думается, именно он мог бы осуществить развитие и обоснование теории Ритца. Ведь именно Пуанкаре был первым, кто принял ключевой для БТР принцип относительности явлений в оптике и электродинамике. Однако, указанные мысли Пуанкаре и впрямь оказались для него последними, поскольку в 1912 г. он умер, подобно Ритцу, не успев довести до конца свою работу. Лишь после смерти были изданы его мысли о магнитной модели атома и магнетонах Ритца.

Магнетоны Вейсса и Бора, в отличие от магнетона Ритца, связаны не с собственными магнитными моментами элементарных частиц, а, больше, — со свойствами атомов и вещества, как целого. Магнетон Вейсса — это, по сути, элементарный магнитный момент атома, ответственный за взаимодействие атомов в ферромагнетиках. А магнетон Бора — это единица магнитного момента микромира, связанная с его квантовыми свойствами и рассчитанная впервые не Бором, а Ланжевеном. Магнитный момент атома квантуется, дискретно меняясь на величину, кратную магнетону Бора. Однако, с позиций классической науки такой характер изменения не имеет никакого отношения к квантовым свойствам поля, а обусловлен наличием стандартного момента у электрона. Поскольку электроны в атоме располагаются упорядоченно, их элементарные моменты складываются, давая в сумме магнитный момент атома, кратный моменту электрона. Изменение общего момента на дискретную величину связано с тем, что моменты электронов ориентируются всегда либо сонаправленно, либо противонаправленно, гася друг друга.

Кроме того, у атома есть и магнитный момент, связанный с орбитальным движением электрона вокруг остова. Как легко рассчитать, этот момент не зависит от радиуса орбиты электрона и всегда равен одному и тому же значению, — как раз тому самому, пресловутому магнетону Бора. В самом деле, электрон заряда e и массы M, крутящийся по орбите радиуса R с частотой f, подобен витку с током I=ef, обладающему тем же радиусом и магнитным моментом m=Iπr²=efπR². Из законов Планка и фотоэффекта, дающих связь энергии электрона E=M(2πRf)²/2=hf с частотой f его обращения в атоме, следует, что f=h/2π²R²M (§ 4.3). Подставляя значение f в m, получаем, что орбитальный магнитный момент не зависит от радиуса и частоты обращения:m=efπR²=eh/2πM. Но это в точности равно удвоенному магнитному моменту электрона m=2μ. И точно, эксперимент давно подтвердил, что магнитный момент электрона, вызванный его орбитальным вращением в два раза превышает момент от его осевого вращения. Таким образом, орбитальный магнитный момент атома и вещества, действительно, квантуется, меняется дискретно, но связано это не с абстрактными квантомеханическими законами, а — с дискретно меняющимся числом атомов и крутящихся в них электронов. Таким образом, и магнетон Вейсса, и магнетон Бора — это, в конечном счёте, всего лишь следствия магнетона Ритца и его магнитной модели атома. Именно модель Ритца позволяет описать все магнитные свойства веществ.

Возникает лишь вопрос о природе магнитного момента у самого электрона и о том, что задаёт его величину, — значение магнетона Ритца. Давно уже было понято, что магнитный момент электрона создаётся его вращением: любой крутящийся заряд, как говорилось, подобен витку с током, генерирующему магнитное поле, момент. Именно так, электрон становится подобен элементарному магнитику (Рис. 95). Интересно, что первым эту идею выдвинул всё тот же Ритц, связавший анизотропию электромагнитных свойств электрона — с наличием у него оси вращения [2]. Он же выдвинул гипотезу вращения внутриатомных частиц, наподобие волчка, для объяснения гравитации (§ 1.17) и особенностей расщепления спектральных линий (§ 3.5). Однако, поздней физики стали отрицать вращение электрона, и слово "спин", означающее "вращение", стали понимать совсем иначе, считая, что для размытого по квантовым законам электрона неправомерно говорить о таких механических свойствах, как вращение. Например, Паули, считавший частицы бесструктурными (§ 3.11), выступал против гипотезы спина, вращения электрона и снова попал впросак. Но, поскольку здесь следуем классической теории частиц, обладающих конкретной пространственной структурой, геометрической формой и размерами, вполне правомерно говорить о вращении электрона. Раз у всех электронов одинаковый магнитный момент, то и частота вращения должна быть у них одинакова. Почему же электрон вращается и что поддерживает частоту его вращения на одном и том же уровне?

Судя по всему, вращение электрона связано с испусканием реонов. Если вспомнить аналогию электрона с пиротехническими снарядами (Рис. 7, Рис. 139), то сам собой напрашивается и простейший механизм раскрутки электрона реактивными струями реонов, как у вертящихся фейерверочных огненных колёс, или огненных мельниц (Рис. 141). Так же крутится паровой шар Герона, сегнерово колесо, — ороситель для газонов в виде вертушки, раскручиваемой струями воды [75]. Наконец, если ищем электрических аналогий, можно вспомнить описанную в "Физическом фейерверке" [148, с. 163] древнюю зрелищную игрушку — ионно-ветряную мельницу, называемую "колесом Франклина" [137]. Этот прибор представляет собой крестовину — в виде заряженной солнечной свастики, уравновешенной на острие иглы и вращаемой за счёт реакции отдачи стекающих с игл ионов, — реактивных струй ионного ветра, дующего от всех зарядов (Роуэлл Г., Герберт С. Физика. М., 1994, с. 410).

Рис. 141. Реактивная раскрутка: а) огненного колеса; б) электрона e, пускающего бластоны B, взрывающиеся каскадами реонов R на сфере распада; в) водополивалки для газонов; г) ионно-ветряной мельницы.

Возможно, так же вращается и заряженный электрон, испускающий реактивные струи реонов — реонный ветер. Но, возможно, вращение электрона, словно у мельницы, создаётся сходящимся из сферы распада потоком реонов, ударяющим по электрону и раскручивающим его. Если электрон случайно получит небольшое вращение, оно будет ускоряться, поскольку выбрасываемые электроном бластоны обретают окружную скорость этого вращения и передают её при своём распаде реонам, отчего те с большей частотой и скоростью ударяют по той стороне электрона, которая удаляется при вращении (Рис. 141.б). Тем самым, реоны ещё ускоряют это вращение. И так — до тех пор, пока сила реактивной отдачи от испускания бластонов не уравновесит воздействия ускоряющего вращение потока сходящихся реонов. На этом этапе скорость вращения электрона стабилизируется и автоматически поддерживается возле этого значения, обеспечивая постоянство магнитного момента электрона. Примерно так же, и крылья мельницы в потоке ветра, водяные и фейерверочные вертушки, наращивают скорость своего вращения, пока их окружная скорость вращения не достигнет величины на порядок-два меньшей скорости этого потока, после чего автоматически поддерживается на данном уровне.

Интересно оценить, исходя из этого, скорость вращения электрона. Если магнитный момент электрона μ=eh/4πM создан его вращением, то, как нашли, μ=m=efπr², где r — радиус электрона. То есть efπr²=eh/4πM. Отсюда окружная скорость на экваторе электрона V=f2πr=h/2πrM. Если взять в качестве r классический радиус электрона r₀=2,8·10^-15 м, получим V=4,1·10¹⁰ м/с. Это на два порядка больше скорости реонов с=3·10⁸ м/с. Если же, как выяснили, окружная скорость вращения должна быть, как в мельнице, сопоставима со световой скоростью с потока реонов, вызывающих вращение, то получим, что гораздо естественней принять r=a₀/2=2,7·10^-11 м — половину межэлектронного расстояния (§ 3.1), что даёт скорость V=4,3·10⁶ м/с, — как раз на два порядка меньшую световой скорости потока реонов. Как видим, радиус сферы распада, с поверхности которой и выбрасываются реоны и которую можно условно считать внешней границей вращающегося электрона, в действительности, равен не классическому радиусу электрона, а межэлектронному расстоянию, сопоставимому с радиусом атома. К такому же выводу о величине внешнего радиуса сферы распада электрона пришли и в предыдущем разделе (§ 3.18). Если инертная масса электрона и ядерная энергия, пропорциональные 1/r, задаются более существенным, в этом случае, — внутренним радиусом r₀ электрона (точней его сферы распада), то для магнитного момента m=efπr², пропорционального r², напротив, определяющим окажется внешний радиусa₀. Фактически, именно по этому внешнему радиусу и циркулирует круговой ток электрона, поскольку именно там расположено большинство источников поля, бластонов, в момент их взрыва реонами.

Как видим, ритцева модель, представляющая электрическое воздействие — через распад электрона, в процессе испускания им реонов, кроме природы заряда, автоматически раскрывает и природу спина электрона, его стандартного магнитного момента, а также причину его "квантования" и, вообще, квантования магнитного момента в атомах и телах. Обычно открытие спинового магнитного момента электрона связывают с именами С. Гаудсмита и Дж. Уленбека, а открытие спина ядра — с именем В. Паули. И никто не вспомнит, что впервые элементарный магнитный момент частиц, образующих атом и ядро, был предсказан Ритцем ещё в 1908 г., задолго до этих теоретических "открытий", сделанных в 1924–1925 гг. Именно Ритц первым предположил выделенную ось у электрона, на основе анализа непрерывного спектра β-распада (§ 3.15). Именно Ритц предсказал в 1908 г. квантование, дискретное изменение магнитного момента ядра и образующих его крутящихся частиц, исходя из анализа атомных спектров и расщепления их линий во внешнем и внутриатомном магнитном поле. А, потому, весьма возможно, открытие спина, так же как другие открытия Ритца, было просто украдено у него кванторелятивистами. Ведь, при "открытии" спина они, повторяя Ритца, исходили из анализа спектральных линий и их расщепления в магнитном поле ядра, которого до Ритца никто даже не предполагал. Кроме того, "открытие" спина состоялось с подачи П. Эренфеста, больше других общавшегося с Ритцем и бывшего в курсе его идей. Именно Эренфест был консультантом и руководителем Гаудсмита и Уленбека, направившим их заметку в печать [154, с. 140]. При этом идею вращения электрона подал Уленбек, бывший чистым классиком, не знакомым с квантовой механикой, тогда как сторонник квантового подхода Гаудсмит, по признанию Эренфеста, просто подписал готовую заметку. В связи со всем вышесказанным напрашивается вопрос: а сделано ли вообще хотя бы одно открытие самими кванторелятивистами, или же каждое было похищено у Ритца и других физиков-классиков?