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粒子的自旋及半徑

 漯河張景倫 2023-03-04 發(fā)布于山東

粒子的自旋及半徑

摘要  在量子理論中,硬性規(guī)定費(fèi)米子在某個(gè)方向上的自旋角動(dòng)量為,卻不給出任何解釋,認(rèn)為它是粒子的內(nèi)稟特性,但這種理論造成了很多的悖論。本文試圖用經(jīng)典理論解釋粒子的自旋,并自洽地計(jì)算出粒子的半徑。

關(guān)鍵詞:粒子自旋,中子磁矩,質(zhì)子半徑,電子半徑

1. 引言

量子物理的很多內(nèi)容讓人無(wú)法理解,例如,粒子的自旋,如果一個(gè)理論無(wú)法清楚地說(shuō)明粒子是如何自旋的,我們就可以懷疑它。本文認(rèn)為:基本粒子只有三類:正負(fù)電子、正反質(zhì)子及以太粒子,宇宙中所有的物質(zhì)應(yīng)該是由這三類粒子組成的?;玖W討?yīng)該在宇宙中長(zhǎng)期穩(wěn)定地存在,不穩(wěn)定的、不能獨(dú)立存在的粒子不能稱為基本粒子。中子也不例外,它很可能是由質(zhì)子與電子組成的復(fù)合體,而且原子核也很可能是由電子和質(zhì)子組成的復(fù)合體,質(zhì)子是依靠電子粘接起來(lái)的,原子核內(nèi)只存在電磁力,并不存在強(qiáng)和弱相互作用,也就是說(shuō),原子核內(nèi)并不存在中子,也不存在核力。

中子是電子墜落在質(zhì)子表面形成的復(fù)合粒子,但它并不穩(wěn)定,其原因是質(zhì)子的自旋和以太的波動(dòng)。電子墜落在質(zhì)子表面后,會(huì)跟隨著質(zhì)子一起旋轉(zhuǎn)。

2. 粒子的自旋

2.1. 電子的自旋

電子自旋概念最早是由泡利為解釋不相容原理而提出的,同年,荷蘭物理學(xué)家烏倫貝克和古茲密特提出了電子具有內(nèi)稟運(yùn)動(dòng)的自旋概念,1928年,狄拉克將相對(duì)論效應(yīng)納入用于描述原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的薛定諤方程中形成狄拉克方程,從而在理論上印證了電子的自旋,由此,電子自旋概念被科學(xué)界普遍認(rèn)同和接受,電子自旋也被認(rèn)定為電子的基本性質(zhì)之一,自旋不僅在大小上是固定不變的,它在空間的任意方向上的投影的大小也只能取兩個(gè)固定的數(shù)值。

但是,電子真的自旋嗎?迄今為止的實(shí)驗(yàn)從未發(fā)現(xiàn)電子有尺寸的下限,即電子是沒(méi)有大小的,它的角動(dòng)量和磁矩是從哪里來(lái)的?本文認(rèn)為:電子沒(méi)有角動(dòng)量和磁矩,也就是說(shuō),即使電子存在自旋,其角動(dòng)量與磁矩也很小,可以忽略不計(jì),其原因如下:

A. 泡利不相容原理

其內(nèi)容主要是:一個(gè)原子軌道上最多可容納兩個(gè)電子,而這兩個(gè)電子的自旋方向必須相反。量子理論從來(lái)不承認(rèn)電子具有軌道,而且到現(xiàn)在我們也不知道電子在原子核外是如何運(yùn)行的,兩個(gè)電子在一個(gè)軌道上如何運(yùn)行?為什么兩個(gè)電子的自旋方向必須相反?

B. 斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)

這個(gè)實(shí)驗(yàn)只能證明銀原子具有磁矩,與電子的自旋有何相干?實(shí)驗(yàn)并不能說(shuō)明電子具有自旋磁矩,更不能判定電子的軌道磁矩為0。司今先生在他的博客《從磁陀螺運(yùn)動(dòng)談“施特恩-格拉赫”實(shí)驗(yàn)形成的物理機(jī)制》[1]一文中,給予了詳細(xì)的說(shuō)明。即使電子的自旋磁矩等于玻爾磁子,單憑一個(gè)電子也不可能拉動(dòng)銀原子,就像地球的受力不可能拉動(dòng)太陽(yáng)一樣(當(dāng)?shù)厍蚴艿酵饬r(shí),能夠改變的只有它的軌道,不會(huì)拉著太陽(yáng)一起跑)。我們?cè)诤芏嗟膶?shí)驗(yàn)中,所測(cè)量的實(shí)際上都是原子的磁矩,與電子的自旋沒(méi)有半毛錢的關(guān)系。

 斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)也無(wú)法證明空間量子化,因?yàn)殂y原子只要一進(jìn)入磁場(chǎng),銀原子最外層電子在洛侖茲力的作用下,其軌道平面就會(huì)與外磁場(chǎng)垂直,銀原子的磁矩方向就會(huì)與外磁場(chǎng)平行,這也是為什么量子理論認(rèn)為電子的自旋不僅在大小上是固定不變,而且在空間的任意方向上的大小也只能取兩個(gè)固定的數(shù)值的原因(這也是量子理論中最匪夷所思的地方之一)。如果銀原子的外層電子軌道平面不能自由轉(zhuǎn)動(dòng),它在外磁場(chǎng)方向上的磁矩將會(huì)是任意值。

C. 潘寧阱中的實(shí)驗(yàn)

在最開始,人們認(rèn)為原子的磁矩是由于帶負(fù)電的電子圍繞帶正電的原子核旋轉(zhuǎn)造成的。而后來(lái)的潘寧阱中的電子自旋實(shí)驗(yàn),證明了這個(gè)磁矩與電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)沒(méi)有任何關(guān)系,而是由于電子自身的原因造成的。

但是,當(dāng)單個(gè)電子懸浮在彭寧阱中時(shí),如果電子沒(méi)有磁矩,它是不可能產(chǎn)生拉莫爾振動(dòng)的,那么,它產(chǎn)生的是什么頻率呢?本文認(rèn)為,電子在彭寧阱中的運(yùn)動(dòng)是軌道運(yùn)動(dòng),實(shí)驗(yàn)測(cè)量的頻率是電子的軌道頻率。假設(shè)彭寧阱中的磁場(chǎng)強(qiáng)度為B,根據(jù)磁場(chǎng)力與離心力相等:,可得軌道角頻率,我們所測(cè)量到的頻率為。由于微觀粒子的軌道運(yùn)動(dòng)符合(這是粒子產(chǎn)生軌道共振的必要條件),可以得出:電子的軌道磁矩,它就是玻爾磁子。

可見,雖然電子的磁矩與電子是否圍繞原子核旋轉(zhuǎn)沒(méi)有關(guān)系,但電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)同樣也能產(chǎn)生磁矩,而不論電子自身是否旋轉(zhuǎn),只要電子帶有電荷。

D. 狄拉克方程

許多人認(rèn)為,電子自旋是先由實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn),然后是由狄拉克方程從理論上導(dǎo)出的。但是,狄拉克理論所描述的是矩陣旋量,而將該旋量對(duì)應(yīng)于電子自旋則是主觀的臆測(cè),如果將該旋量對(duì)應(yīng)到軌道旋轉(zhuǎn)則更為合理。在狄拉克和薛定諤方程中,電子是以無(wú)尺寸大小的質(zhì)點(diǎn)形式進(jìn)入的,如果能夠解出電子的自旋性質(zhì),就失去了邏輯上的關(guān)聯(lián)性,成為一個(gè)悖論。

E. 電子自旋共振

在量子力學(xué)中,電子自旋共振是指在外加磁場(chǎng)中,簡(jiǎn)并的電子自旋能級(jí)將產(chǎn)生分裂,若在垂直外磁場(chǎng)方向加上合適頻率的電磁波,能使處于低自旋能級(jí)的電子吸收電磁波能量而躍遷到高能級(jí),從而產(chǎn)生電子的順磁共振吸收現(xiàn)象。

但是,這只是量子理論的一種解釋,這種解釋并不能說(shuō)明自旋能級(jí)是什么,它是如何產(chǎn)生的,又是如何分裂的,也無(wú)法解釋電子是如何吸收電磁波的,電子又是如何躍遷的。

當(dāng)然還有其他的解釋。我們?cè)谧鲭娮幼孕舱駥?shí)驗(yàn)時(shí),用的并不電子,也不是一個(gè)原子,而是一種固體,是原子的集合。由于原子在固體中失去了轉(zhuǎn)動(dòng)的自由,當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí),原子的磁矩方向就會(huì)繞外磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng),也就是產(chǎn)生拉莫爾振動(dòng)。由于電磁波是以太中的振動(dòng),當(dāng)這兩種振動(dòng)的頻率相同時(shí),原子就會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生吸收,與消聲棉具有相似的原理。必須指出的是,拉莫爾振動(dòng)是原子產(chǎn)生的,是電子軌道平面的振動(dòng),與電子是否自旋無(wú)關(guān)。

F. 巨磁阻效應(yīng)

自從巨磁電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái),由于量子力學(xué)把它解釋為電子的自旋效應(yīng),還產(chǎn)生了一門新興的學(xué)科和技術(shù):自旋電子學(xué),而且近年來(lái)被廣泛地研究。但是把這種效應(yīng)歸結(jié)為電子的自旋是非常牽強(qiáng)的,因?yàn)橐粋€(gè)電子是否旋轉(zhuǎn)與電阻沒(méi)有那么大的關(guān)系,它應(yīng)該是原子的磁矩所起的作用。

G. 光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)

量子力學(xué)認(rèn)為,原子光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)形成的原因是電子的自旋軌道耦合,但是,一個(gè)連電子軌道都不承認(rèn)的理論如何說(shuō)明電子的自旋軌道?如何耦合?本文認(rèn)為,光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是由內(nèi)層電子的運(yùn)動(dòng)引起的,反常塞曼效應(yīng)也應(yīng)該是基于同樣的原理。

需要說(shuō)明的是,本文并不否認(rèn)電子存在自旋,否定的是量子理論對(duì)電子自旋的描述,電子可能存在自旋角動(dòng)量和自旋磁矩,但會(huì)很小。

2.2. 質(zhì)子的自旋

質(zhì)子是存在自旋的,現(xiàn)代科技已經(jīng)測(cè)量出它的自旋磁矩,本文把質(zhì)子當(dāng)作基本粒子看待,并假設(shè)它是表面均勻帶電的球體。如果質(zhì)子不存在自旋,那么,它在彭寧陷中的表現(xiàn)將會(huì)與電子一樣,其軌道角頻率也是,軌道磁矩也將是

正是由于質(zhì)子的自旋,才使質(zhì)子在彭寧陷中產(chǎn)生拉莫爾進(jìn)動(dòng),從而使它的軌道磁矩為0,也就是說(shuō),質(zhì)子在彭寧陷中沒(méi)有軌道運(yùn)動(dòng),質(zhì)子的磁矩全部來(lái)自于本身的自旋。

3. 粒子半徑的計(jì)算

3.1. 中子的半徑計(jì)算

假設(shè)中子是由質(zhì)子與電子組成的復(fù)合體,電子靜止在質(zhì)子的赤道面上并隨著質(zhì)子一起旋轉(zhuǎn),由于電子的靜止質(zhì)量為9.1094x10-31kg、質(zhì)子自旋時(shí)的質(zhì)量為1.6726x10-27 kg,中子的靜止質(zhì)量為1.6749x10-27 kg??梢运愠觯弘娮拥倪\(yùn)動(dòng)質(zhì)量為2.3056x10-30 kg(中子與質(zhì)子的質(zhì)量相減),根據(jù)相對(duì)論,可以得出:電子的運(yùn)動(dòng)速度為v= 2.75x108 m/s(相當(dāng)于光速的0.92倍)。假設(shè)電子所受的電磁力與離心力相等:,可以計(jì)算出電子與質(zhì)子的質(zhì)心距為1.32x10-15 m,這個(gè)距離是兩者間的最大距離,如果電子所受的電磁力大于離心力,質(zhì)子的表面將產(chǎn)生一定的壓力,如果電子所受的電磁力小于離心力,電子將飛出,中子也就不存在了。

由于質(zhì)子的自旋磁距為1.41x10-26J/T,而中子的自旋磁矩為-9.66x10-27 J/T,二者之差就是電子的軌道磁矩2.38x10-26J/T,由于已知電子的速度,可以求出二者的質(zhì)心距= 1.077x10-15 m(沒(méi)有考慮電子的自旋),也可以求出中子的自旋角速度為=2.556x1023rad/s。

3.2. 質(zhì)子的半徑計(jì)算

假設(shè)質(zhì)子是表面均勻帶電的球體,則它的磁矩可表示為,其中ω是質(zhì)子的角速度(如果假設(shè)質(zhì)子是均勻帶電的球體,則它的磁矩可表示為),由于已知質(zhì)子的自旋角速度(假設(shè)與中子相等)和磁矩,可以得出質(zhì)子的半徑為= 1.017x10-15 m。

為什么質(zhì)子半徑的實(shí)驗(yàn)值為0.83x10-15m呢?估計(jì)這個(gè)值是質(zhì)子的有效半徑,相當(dāng)于把質(zhì)子的電荷集中在其赤道面的某個(gè)點(diǎn)上,可表示為= 0.83x10-15 m。

3.3. 電子的半徑

長(zhǎng)期以來(lái),科學(xué)界一直無(wú)法給出電子的半徑,根據(jù)本文的假設(shè),電子的半徑為中子中的質(zhì)子與電子的質(zhì)心距與質(zhì)子的半徑之差,可以計(jì)算出其值為6.1x10-17 m。中子與質(zhì)子的體積幾乎是一樣的,只是質(zhì)子的赤道面多出了一個(gè)小山包,中子的半徑應(yīng)該與質(zhì)子是一樣的。

4. 假設(shè)的合理性

本文在計(jì)算過(guò)程中運(yùn)用了三個(gè)假設(shè):

1、電子可視為點(diǎn)粒子,其自旋磁矩可以忽略;

2、質(zhì)子是基本粒子,表面帶有均勻的電荷而且具有自旋;

3、中子是由質(zhì)子與電子組成的復(fù)合粒子。

第一個(gè)假設(shè)是合理的,也是自洽的,沒(méi)有半徑的粒子是不可能具有自旋磁矩,比量子理論中的假設(shè)更具合理性。

第二個(gè)假設(shè)與主流觀點(diǎn)完全相反,雖然夸克模型已得到學(xué)界主流的承認(rèn),也獲得了多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng),但我們從來(lái)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)夸克和膠子。因此,假設(shè)質(zhì)子是基本粒子也具有一定的合理性,因?yàn)橘|(zhì)子能夠穩(wěn)定地存在。假設(shè)質(zhì)子是表面帶有均勻的電荷,是因?yàn)槿绻|(zhì)子所帶的電荷為整體均勻分布時(shí),計(jì)算的結(jié)果是:中子無(wú)法穩(wěn)定地存在,而且宏觀世界里的電荷也是分布在表面,假設(shè)質(zhì)子自旋是因?yàn)橘|(zhì)子具有自旋磁矩。

第三個(gè)假設(shè)也與主流觀點(diǎn)不同,但卻可以解釋很多量子理論無(wú)法解釋的現(xiàn)象:

1、中子衰變時(shí)能產(chǎn)生質(zhì)子和電子,如果中子不是由質(zhì)子和電子組成的,難道質(zhì)子與電子能夠無(wú)中生有?如果中子中沒(méi)有電子存在,電子是不可能被創(chuàng)造出來(lái)的。中子的衰變很可能與以太有關(guān),因?yàn)橐蕴牟▌?dòng)能夠引起電子在質(zhì)子表面的振動(dòng),一旦電子的振動(dòng)量超過(guò)2.5x10-17 m,電子就會(huì)脫離質(zhì)子表面飛出去。

2、可以自洽地解釋中子的磁矩;

3、可以解釋核力是什么,核力,也就是強(qiáng)相互作用,在量子理論中,它是束縛質(zhì)子與中子的力,但它是怎樣產(chǎn)生的?量子理論為了解釋它,又引入了膠子,但是,膠子如何傳遞呢?沒(méi)有人能夠解釋。如果中子真的是質(zhì)子與電子組成的,那么,原子核也是由質(zhì)子與電子組成的,也就是說(shuō),原子核中沒(méi)有中子存在的必要了,核力這種奇怪的作用力也可得到合理的解釋:所謂的核力,其實(shí)也是電磁力,是電子負(fù)責(zé)把質(zhì)子粘連在一起的,核力的所有性質(zhì)都能用電磁力解釋。例如,一個(gè)電子就可以把三個(gè)質(zhì)子束縛在一起,它就是氦3,兩個(gè)電子能把四個(gè)質(zhì)子束縛在一起,它就是氦4,兩個(gè)電子把三個(gè)質(zhì)子束縛在起,它就是氚,如圖1所示。假設(shè)質(zhì)子與電子都是球體,而且電荷的分布都可以等效到質(zhì)心,由于質(zhì)子與電子的帶電量相等,以氦3核為例,可以計(jì)算出電子對(duì)任何一個(gè)質(zhì)子產(chǎn)生的引力(假設(shè)為1)大于另外兩個(gè)質(zhì)子產(chǎn)生的斥力的矢量和(合力為0.58),因此,原子核是穩(wěn)定的,從圖中也可以看出:氚核沒(méi)有氦核穩(wěn)定,在核自旋時(shí),可以放出一個(gè)電子變成氦3。如果量子力學(xué)中的核力存在,兩個(gè)質(zhì)子組成的原子核也應(yīng)該存在。

                   (a)3                          (b)4                                      (c)氚核       

1. 原子核中質(zhì)子與電子的結(jié)合方式

4、質(zhì)子和電子的質(zhì)量并不是固定的,與它所處的環(huán)境有關(guān),我們都知道:質(zhì)子的靜止質(zhì)量為1.6726x10-27 kg,但這個(gè)質(zhì)量實(shí)際上是質(zhì)子自由時(shí)的質(zhì)量,這時(shí)的質(zhì)子是處于自旋狀態(tài)的,正是質(zhì)子的自旋,才使它的質(zhì)量比完全靜止時(shí)大,這時(shí)的質(zhì)量應(yīng)該稱為自旋質(zhì)量。假設(shè)質(zhì)子是一個(gè)密度均勻的實(shí)心球體,根據(jù)前面的數(shù)據(jù)可以算出質(zhì)子的自旋能量為= 2.5x10-11 J,根據(jù)質(zhì)能公式可以得出質(zhì)子不自旋時(shí)的質(zhì)量約為1.4x10-27 kg。本文認(rèn)為,旋轉(zhuǎn)能量是核能的根本,沒(méi)有自旋就沒(méi)有核能,也就是說(shuō),核能貯存在自旋中。質(zhì)子在原子核內(nèi)的質(zhì)量降低,說(shuō)明了質(zhì)子在核內(nèi)的自旋程度下降。電子也存在自旋,但其自旋能量可以忽略。

5. 結(jié)論

對(duì)于很多的物理實(shí)驗(yàn),量子理論中的解釋讓人無(wú)法理解,實(shí)際上完全可以用經(jīng)典理論進(jìn)行解釋,而且更為合理。

參考文獻(xiàn)

[1] https://max.book118.com/html/2017/0427/102831736.shtm

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