Friday, February 5, 2010

Proton i inne...


Chociaz liczba czastek elementarnych podawanych w rozmaitych zbiorach danych jest calkiem pokazna to faktycznie wiekszosc z nich cieszy sie ta nazwa nieco na wyrost. Sa to bowiem konglomeraty nietrwale, ktore po wzglednie krotkim czasie (10^-16 do 10^3 sec) rozpadaja sie na elementy bardziej podstawowe i trwale, ktorych jest tylko dziesiec (albo jedenascie jesli wlaczyny do nich foton). Polowa z tych dziesieciu to pary czastka-antyczastka a wiec w istocie istnieje tylko piec zasadniczych czastek elementarnych. Z tych pieciu tylko dwa, elektron i proton, maja wzglednie dobrze znane podstawowe wlasnosci fizyczne (masa spoczynkowa, ladunek, moment magnetyczny itp). Ponadto mamy trzy typy neutrin, o ktorych praktycznie nie wiemy nic napewno. W szczegolnosci zas nie wiemy czy maja one czy tez nie mase spoczynkowa, ladunek elektryczny i moment magnetyczny. Istnieje bowiem tylko oszcowania gornych granic tych wielkosci. W uprzednim wpisie ("There was a young lady named Bright...") opisalem klasyczny model elektronu w moim sformulowaniu. Podazajac za orginalna propozycja Thomsona przyjalem, ze cala masa spoczynkowa elektronu jest pochodzenia polowego i jego bezwladnosc wynika z tego, ze usilujac ruszyc z posad elektron musimy takze poruszyc wytworzone wokol niego pole elektro-magnetyczne. To pole posiada pewna energie rozdystrybuowana w przestrzeni i wobec tego posiada takze pewna mase (zgodnie z relacja Einsteina). Tak wiec elektron jest faktycznie ukladem dwoch pol: elektrycznego i dipolowego pola magnetycznego rotujacego wzgledem i wewnatrz niego.Jest to obiekt zajmujacy pewna objetosc ( a wiec nie bedacy punktem materialnym , jak to sie zazwyczaj przyjmuje), skladajacym sie z rdzenia o promieniu R = 2.82x 10^-15 m = 2.82x 10^-5 A = 2.82 Fm oraz z "atmosfery" materialnej pochodzenia polowego. Gestosc tej materii zmienia sie od bardzo wysokiej tuz przy powierzchni rdzenia rzedu 10^23 kg/m^3, ( Dla porownania gestosc jadra Ziemi to tylko 10^4 kg/m^3.) do wzglednie rozrzedzonej ( wysoka proznia) - rzedu 10^-8 kg/m^3, w odleglosci 10^5 promieni rdzenia czyli dla okolo 3A od centrum czastki. To oznacza, ze rdzen elektronu jest nie-penetrowalny ale bardzo maly. Natomiast atmosfera polowa rozprzestrzenia sie na odleglosci rzedu stalej sieciowej krysztalow (niklu) jakie byly uzyte w doswiadczeniach dyfrakcyjnych (Davisson i Germer , 1927). Tak wiec taki klasyczny model elektronu mowi nam, ze obiekt ten moze przejawiac wlasnosci falowe wynikajace z przeciskania sie "polowej atmosfery " przez atomy stanowiace szczeliny siatki dyfrakcyjnej. Jak wynika z obliczen dipolowe pole magnetyczne rotuje z czestotliwoscia 4.4 x 10^23 Hz. Alternatywnie mozemy tez traktowac elektron jako krople materi ujemnej (dark matter) obracajaca sie w srodowisku materii dodatniej. Tak wiec znany nam Wszechswiat wyglada nieco jak emulsja (np mleko) skladajaca sie z kropel materii ujemnej zawieszonej w srodowisku materii dodatniej. Miejmy nadzieje, ze nie powstanie w przyszlosci kosmiczne maslo w wyniku separacji tych dwoch faz. Masy ujemne i dodatnie cechuje bowiem wzajemne odpychanie (jak oleju i wody) natomiast masy jednoimienne wzajemnie sie przyciagaja. W klasycznej elektrodynamice ladunki elektryczne traktowane sa jako obdarzone masa zrodla pol. Tutaj sytuacja jest odwrocona. Ladunek jest produktem ubocznym rotacji pola magnetycznego wzgledem pola elektrycznego a masa jest wynikiem tego, ze pola: elektryczne i magnetyczne posiadaja pewna energie. Jak wynika z modelu, moga istniec tylko dwa rodzaje ladunkow elektrycznych : ujemny i dodatni bo istnieja tylko dwie mozliwosci obrotu rdzenia wokol osi momentu magnetycznego : zgodny z i przeciwny do ruchu wskazowek zegara. Innym wnioskiem z modelu jest to, ze wszystkie czastki elementarne moga posiadac tylko jednostkowy ladunek elektryczny gdyz istnieje tylko jedna powierzchnia rozdzialu pomiedzy masa dodatnia i masa ujemna ( czyli pomiedzy rdzeniem a atmosfera). Oczywiscie wydaje sie konieczne aby przyjac, ze taki sam model moze opisywac takze druga stabilna czastke naladowana czyli proton. Ze wzgledu na to, ze proton jest takze zrodlem pola sil jadrowych (oddzialywanie silne) oraz pola oddzialywan slabych (ktorych zrodlem jest zreszta tez i elektron) powinnismy uwzglednic rowniez i ich wklad do masy spoczynkowej. Chwilowo jednak te efekty pominiemy gdyz sa to oddzialywania krotko-zasiegowe, ktorych klasyczna teoria nie jest jeszcze tak dobrze znana jak bysmy to mogli oczekiwac po blisko 50ciu latach rozwazan na ten temat. Przyjmiemy zatem, ze z dobrym przyblizeniem rowniez cala masa spoczynkowa protonu jest pochodzenia elektromagnetycznego. Z teorii przedstawionej uprzednio wynikaja nastepujace relacje wiazace promien rdzenia R i czestotliwosc obrotu z masa spoczynkowa [ wzory (1) i (2) na planszy] . Jak widzimy czestostliwosc obrotu jest proporcjonalna do masy spoczynkowej podczas gdy promien rdzenia jest do tej masy odwrotrnie proporcjonalny. Jesli przyjmiemy, ze wlasnosci wnetrza rdzenia protonu sa identyczne z wlasnosciami rdzenia elektronu to latwo spostrzec , ze stosunek czestotliwosci obrotu rdzenia protonu do czestotliwosci obrotu rdzenia elektronu jest rowny stosunkowi mas obu czastek czyli wynosi okolo 1836. To wszystko przy zalozeniu, ze przenikalnosc magnetyczna obu rdzeni jest identyczna. Oznaczaloby to, ze czestotliwosc obrotu rdzenia protonu jest 1836 razy wieksza od czestotliwosci obrotu elektronu i wynosi okolo 8.2 x 10^26 Hz. Podobnie znajdziemy, ze promien rdzenia protonu jest 1836 razy mniejszy od promienia elektronu. Elektron jest wiec czastka o rdzeniu znacznie wiekszym niz rdzen protonu mimo znacznie wiekszej masy tego ostatniego. Te relacje przekladaja sie takze na stosunek dipolowych momentow magnetycznych obu czastek. Otrzymujemy relacje mowiaca, ze moment magnetyczny elektrony jest 1836 razy wiekszy niz moment magnetyczny protonu przy czym wektory momentow dipolowych tych czastek maja przeciwne zwroty . Jest to zgodne z wnioskiem wynikajacycm z teori Diraca ale niezgodne z wynikami doswiadczalnymi. Te ostatnie bowiem mowia, ze moment magnetyczny elektronu jest tylko 658 razy wiekszy od momentu magnetycznego protonu. Standartowe wyjasnienie tej sprzecznosci mowi, ze za odstepstwo odpowiedzialne jest powstawanie wirtualnych par neutron + pion dodatni = proton czyli efekty kwantowe ze swojej istoty. Z punktu widzenia obecnego modelu mozemy po prostu powiedziec, ze wlasnosci elektromagnetyczne rdzenia protonu sa inne nie rdzenia elektronu z tego wzgledu, ze rdzen ten generuje takze pole oddzialywan silnych. Inaczej mowiac wzgledne przenikalnosci magnetyczne obu czastek sa rozne. Relacje promieni rdzeni elektronu i protonu pozostaja jak poprzednio. Natomiast stosunek czestosci obrotu podany jest wzorem (3). Korzystajac z tej zaleznosci mozemy wyznaczyc wzgledna przenikalnosc magnetyczna rdzenia protonu tak aby uzyskac wynik zgodny z doswiadczeniem. Przenikalnosc magnetyczna wnetrza protonu wynosi zatem -0.45032 . Rdzen protonu jest wiec srodowiskiem anty-paramagnetycznym (tak jak rdzen elektronu) tyle ze ten antyparamagnetyzm jest znacznie silniejszy. Mozemy tez obliczyc czestotliwosc obrotu rdzenia. Jest ona okolo 5123 razy wieksza od czestotliwosci obrotu rdzenia elektronu (wzor (5)).Jak widac ze wzoru (6) spin protonu jest z grubsza o polowe mniejszy niz spin elektronu. Powszechnie przyjmowane zalozenie, ze oba fermiony maja identyczny spin (rowny h/(4 Pi) nie wydaje sie byc sluszne tak jak nie jest sluszne traktowanie tych czastek jako punktow materialnych. Wreszcie mozemy wyznaczyc tez wspolczynnik zyromagnetyczny protonu czyli stosunek magnetycznego momentu dipolowego do spinu [wzor(7)], Wynosi on -5.671 x10^8 (sec T)^-1. Jest on mniej wiecej dwa razy wiekszy od podawanego w zbiorach danych czego powodem jest to, ze zaklada sie tam, ze spin protonu wynosi h/(4 Pi) co, jak juz wspomnialem, nie uwazam za sluszne.
Jak wiec widac, ten prosty klasyczny model moze byc z powodzeniem stosowany do opisu innych niz elektron czastek naladowanych. Pytanie tylko czy mozna sie nim posluzyc w interpretacji najtrudniejszej czastki Wszechswiata jaka jest neutrino (czy neutrina). Do tego problemu wrocimy pozniej. Jest to czywiscie model pol-empiryczny gdyz nie pozwala on na przewidzenie ani mas czastek elementarnych ani tez wielkosci ich ladunkow (elektrycznych, slabych i jadrowych). Aby miec taka mozliwosc nalezy wprowadzic dodatkowe zalozenia dotyczace struktury wnetrza rdzenia czastek elementarnych przy czym przesuwa to jedynie pytanie nieco glebiej. Nie znamy bowiem odpowiedzi dlaczego takie a nie inne wlasnosci maja czastki sub-elementarne takie jak kwarki i gluony (Model Standartowy ).Osobiscie uwazam, ze musi byc jakis powod, dla ktorego tylko pewne konfiguracje pol elektrycznych i magnetycznych sa stabilne. To jednak musi wyniknac z glebszej analizy wlasnosci tych pol.

Wiecej informacji na temat wspolczesnej teorii czastek elementarnych na poziomie nie wymagalcym wielkiej ekspertyzy technicznej mozna znalezc w : John Maddox " What remains to be discovered" Chap. 2, Simon&Schuster 1998,
Paul Davies "The New Physics" Chaps 14, 15, Cambridge University Press 1989

11 comments:

Anna M said...

czarna magia, a ze mialam z chemii 3 to uciekam juz

Mieczsilver said...

Mechanika kwantowa i teoria względności czekają na odkrywcę aby powiązać je w całość.To klucz do początku naszego Wszechświata.
Na ten temat prowadzone są dyskusje,a ciekawa polemika na SG we Wrocławiu była prowadzona po wystąpieniu księdza Michała prof.Hellera.
W innym miejscu wspomniany Jerzy Przystawa propagujący ruch JOW to fizyk teoretyk,który proces stwarzania dobrze spopularyzował "najstarszym" dowodem jakim jest promieniowanie reliktowe.

Takie Jeden Łoś said...

@Bobola
A czytal Pan, Panie Profesorze, prace:
Reitera i spolki z Physical Review Letter Volume: 89 Issue: 13 Page: 135505 z 2002 roku? Szczegolnie prosze zwrocic uwage na rysunek 1b. Co sie dzieje w takiej sytuacji z tym Panskim "rdzeniem" protonu? Wydaje sie, ze proton ma tam nieciagla dystrybucje w przestrzeni. Czy ten jego "rdzen" jest po obu stronach "dziury", czy po jednej? A jesli po jednej, to po ktorej?

Bobola said...

Struktura wewnetrzna nukleonow jest przedmiotem badan juz od dluzszego czasu.Z tych badan wyrosl model standartowy i chromodynamika. Nie jestem pewien czy istnieje klasyczna teoria tych zjawisk gdyz wiekszosc rozwazan przebiega na poziomie teorii kwantowej. Tutaj jednak nie wchodze az tak gleboko w strukture rdzenia czastek takich jak elektron czy proton. To o czym pisze to teoria klasyczna probujaca odpowiedziec na pytanie skad sie bierze masa czastki elementarnej i jakie sa dalsze konsekwencje takiej odpowiedzi. Jest to sytuacja analogiczna do elektrodynamiki osrodkow ciaglych gdzie nie zastanawiamy sie jakie mikroskopowe procesy sa odpowiedzialne za taka czy inna wartosc stalej dielektrycznej czy przenikalnosci magnetycznej. To co chcialem przekazac to obserwacje, ze naukowe rozwazania w wielu bardzo zasadniczych kwestiach opieraja sie na calkiem watpliwych regulach (zasada Pauliego, uniwersalnosc spinow fermionow), ktore stoja w sprzecznosci z logika oraz podstawowa fizyka. W znacznym stopniu wspolczesne nauki przyrodnicze sa rownie irracjonalne jak zasady religijne.

HansKlos said...

@Bobola
Skąd się bierze masa cząstek? Może stąd: http://en.wikipedia.org/wiki/Higgs_mechanism

Bobola said...

Jest to tlumaczenie obdarzone logicznym bledem: tlumaczy bowiem nieznane przez nieznane. Istotnie, istnieja stricte kwantowe teorie czastek elementarnych ale zadna z nich nie ma intuicyjnego zaplecza w postaci modelu klasycznego. Moim zdaniem zanim zejdziemy do poziomu kwantowego swiata duchow powinnismy miec dobre tlumaczenie "klasyczne" . Mechanika kwantowa i kwantowa teoria pol sa bowiem tworami wtornymi, ktore powinny operowc na modelu swiata typu makroskowpowego. Tak jak w przypadku np oscylatora harmonicznego kwantowanie wnosi nowy element w postaci porcjonowania energii tak i w przypadku wyjasnienia pochodzenia masy kwantowanie powinno odpowiedziec na pytanie dlaczego pewne masy wystepuja a inne nie. Powinnismy miec jednak najpierw pewna odpowiedz na to pytanie na gruncie teorii "klasycznej". Pamietajmy bowiem, ze pojecia "bardzo male" i "bardzo duze " sa pojeciami wzglednymi i przyjmuja istnienie pewnej miary charkterystycznej.

Mieczsilver said...

Proszę się włączyć do dyskusji na Forum POLITYKI - ROTTWEILER DAEWINA

http://www.polityka.pl/forum/1041304.thread#C1041648

panika2008 said...

Czy masowość neutrin nie jest obecnie przez fizyków powszechnie przyjmowana za prawie pewnik na gruncie tego, że neutrina słoneczne w obserwacjach ziemskich najwyraźniej oscylują (jak by nie oscylowały, to ilość obserwowanych w komorach neutrin byłaby zbyt mała w stosunku do ilość reakcji termojądrowych, szacowanej na podstawie promieniowania e-m - taki pośredni dowód). Dobrze myślę?

panika2008 said...

Poza tym jak to możliwe, że spin elektronu jest inny, niż protonu? Przecież to jest bardzo łatwe do sprawdzenia empirycznie i dotychczas wszędzie (NMR? eksperyment Sterna-Gerlacha?) wychodziło, że spiny te co do wartości są takie same...

panika2008 said...

Zgodzę się z Tobą, Bobola, że cała fizyka współczesna jest jak ser szwajcarski, więcej w niej dziur, niż pod koniec XIX wieku. Chociażby równanie Diraca dla rozpraszania elektronów - no przecież to jest śmiech na sali (paradoks Kleina). Albo siłowa próba łatania kosmologii ciemną materią, bo się prędkość obrotu materii w galaktykach w zależności od odległości od centrum nijak ma do teorii zarówno klasycznych, jak i OTW. Albo efekt Allaisa. Itd itd. Każde równanie, każda teoria jest "prawdziwa", ale wyłącznie w mega zawężonym zakresie zastosowania, tak zawężonym, że fizycy XIX-wieczni nie uznaliby tych równań w ogóle za poprawne teorie naukowe.

Mieczsilver said...

Paradoks i taki,że im więcej tym mniej wiemy.

Ze wszystkich stworzonych światów prawdziwie najważniejszy jest :
ŚWIAT POSTULATÓW ETYCZNYCH.