5.5 האלקטרון

דף הבית ／ פרק 5: חלקיקים מיקרוסקופיים

מדריך לקורא: מדוע ״אלקטרון נקודתי״ מותח את האינטואיציה

ה״קשיים״ המפורטים להלן אינם כשלי חישוב אלא פערים באינטואיציה לגבי מבנה ומוצא. הם מסבירים מדוע אנו מציעים דמות חומרית בצורת טבעת, ובו בזמן נשארים מיושרים עם נתוני הזרם המרכזי.

• מקור נראה לעין של המטען חסר. הדגם הנקודתי מתייחס למטען כקבוע פנימי בעל גודל וסימן ״נכונים״, אך אינו מראה מדוע כך צריך להיות.
• הסיבה למספרים הקוונטיים. כלל הספין חצי והכימות של מטען תקפים כרעיון, אולם לקורא חסרה תחושת חומריות של איך הדבר נראה בפועל.
• שדה קרוב שקשה לקריאה. ניסויים בוחנים בעיקר שדה רחוק או חלונות קצרים של אנרגיה גבוהה שבהם המראה הנקודתי דומיננטי. נדיר להמחיש כיצד השדה הקרוב מאורגן וכיצד חשמלי ומגנטי נטמעים בגאומטריה אחת.
• מטען אינטואיטיבי קלאסי מטעה. התמונה של כדור טעון המסתובב מתנגשת ביחסות, באיבוד קרינה ובגבולות הפיזור באנרגיה גבוהה. הזרם המרכזי דוחה אותה, אך קוראים רבים נמשכים אליה אינטואיטיבית.
• פער סיפורי בתגובת הקרינה. התיאור הקוונטי יציב, ואילו במשוואות קלאסיות טהורות הופעת האצה מוקדמת ופתרונות סוררים מעוררת צורך בהסבר אינטואיטיבי הנשען על תווך ועל זיכרון.

שפת הנקודה מצליחה מספרית במידה רבה. השפה הטבעתית של תורת סיבי האנרגיה נועדה להשלים את שכבת הדמות ולא להפיל את המספרים. להלן תיאור התצורה לפי תורת סיבי האנרגיה.

הרעיון המרכזי

בדמות של סיב אנרגיה בתוך ים האנרגיה האלקטרון אינו נקודה מופשטת אלא סיב אנרגיה יחיד הסוגר טבעת ונושא את עצמו כאריג תלת ממדי בים האנרגיה. לטבעת יש עובי סופי. בחתך הטבעת זורם שטף ספירלי הנעול במופע, חזק יותר בצד הפנימי וחלש יותר בצד החיצוני. מבנה שדה קרוב זה חורט בתווך טקסטורת כיווניות הפונה פנימה והיא ההגדרה המעשית של מטען שלילי בתורת סיבי האנרגיה. במקביל האות הנעול לאורך הטבעת יחד עם ממוצע בזמן של הכיווניות הכוללת, שבו מותרת פרססיה עדינה ורעידה קלה ללא סיבוב קשיח מלא, מחליקים את ההשפעה המרוחקת למשיכה מתונה וכמעט איזוטרופית. כך מתקבל מראה המסה. הסירקולציה הסגורה בפנים והקצב שלה מופיעים כספין וכמומנט מגנטי של האלקטרון.

הבהרה. המונח ריצת רצועות מופע מתאר תנועה של חזית התבנית ואינו מעיד על מעבר חומר או מידע במהירות על אור.

I. כיצד האלקטרון נקשר לעצמו, טבעת יחידה סגורה וחתך ספירלי

1. תמונה בסיסית. בצפיפות ובמתח מתאימים ים האנרגיה מרים סיב ענף והסיב בוחר מסלול חסכוני במאמץ, נסגר לטבעת יחידה ובעל סיכויי שרידות גבוהים יותר.
2. לא טבעת קשיחה. לטבעת עובי וגמישות. הגאומטריה והמתח מאזנים זה את זה ליציבות.
3. ספירלה בחתך. המופע נע כמבנה ספירלי נעול. השהייה ארוכה יותר בפנים וקצרה יותר בחוץ. זו אינה תבנית קפואה, רצועת המופע רצה ברציפות ובמהירות.
4. מהיר לאורך הטבעת ואיטי בכיווניות. הקצב לאורך הטבעת מהיר, הכיווניות הכוללת עוברת פרססיה איטית ורעידה קלה. לאחר ממוצע בזמן המראה המרוחק כמעט סימטרי סביב ציר וללא הנחה של סיבוב קשיח.
5. מקור הקוטביות ורמזים בדידים
   • הגדרת השלילי. טקסטורת השדה הקרוב פונה פנימה אל הטבעת ללא תלות בזווית התצפית וכך מוגדר מטען שלילי.
   • תמונת הראי של החיובי. אם הנעילה מתהפכת וחוזק השטף חזק בחוץ וחלש בפנים החצים מצביעים החוצה ומתקבל מטען חיובי. התגובה באותו שדה חיצוני מחליפה סימן כמראה.
   • מדרגות בדידות. הספירלה בחתך והנעילה לאורך הטבעת מאפשרות מספרים מועטים ויציבים של מדרגות ושל דרכי אריגה. מדרגת היסוד נותנת יחידת מטען שלילי אחת. מדרגות מורכבות יקרות יותר אנרגטית ונדירות.
6. חלון יציבות. כדי להיות אלקטרון המבנה צריך לעמוד בו בזמן בסגירה טבעתית, באיזון מתח עצמי, בנעילת מופע, בקנה מידה ואנרגיה נאותים ובגזירה סביבתית הנמוכה מסף. רוב הניסיונות יתפרקו לים בתוך זמן קצר ומעטים ייפלו בחלון היציב ויחזיקו מעמד.

II. מראה המסה, קערה רדודה סימטרית

1. נוף המתח. הצבת טבעת בים האנרגיה דומה ללחיצה של קערה רדודה וסימטרית לתוך ממברנה מתוחה. המתח הגדול ביותר סמוך לטבעת וההשטחה מהירה החוצה.
2. מדוע זה נקרא מסה
   • אינרציה. דחיפת האלקטרון גוררת איתה את הקערה ואת התווך והמשיכה חזרה מגיעה מכל הכיוונים. טבעת הדוקה יותר כורעת קערה עמוקה ויציבה יותר ואינרציה גדולה יותר.
   • הובלה הדומה לכבידה. אותו מבנה מצייר מחדש את מפת המתח למדרון עדין הפונה אל האלקטרון שעליו חלקיקים וחבילות גל מונחים בקלות.
   • איזוטרופיה ועיקרון השקילות. במרחק המראה חסר הטיה ואיזוטרופי ועומד בבחינות המאקרו של עיקרון השקילות.
   • כבידת מתח סטטיסטית. ריבוי מבנים זעירים מסוג זה לאחר ממוצע בזמן ובמרחב יוצר הובלה קולקטיבית עדינה ואחידה.

III. מראה המטען, סחרור פנימה בשדה קרוב וקוהסיה בשדה ביניים

• הסכמה. השדה החשמלי הוא המשך רדיאלי של טקסטורת הכיווניות והשדה המגנטי הוא גלגול טבעתי הנוצר מתנועה מתרגמת או מסירקולציה פנימית סגורה. המקור גאומטריה קרובה אחת עם חלוקת תפקידים שונה.
• סחרור פנימה בשדה הקרוב. התבנית חזק בפנים חלש בחוץ חורטת בים טקסטורה הפונה פנימה. עצם מובנה העובר בתוכה יחווה התנגדות קטנה יותר כאשר הכיווניות תואמת וגדולה יותר כאשר אינה תואמת. חבילות הפרעה נקיות יושפעו מכך מעט בעיקר מסיר הלחץ של המסה.
• תנועה ומגנטיות. בתרגום השדה הקרוב נגרר ונוצרת מערבולת טבעתית סביב המסלול שהיא המראה של השדה המגנטי. גם ללא תרגום הסירקולציה הפנימית הנעולה מארגנת מערבולת מקומית המולידה מומנט מגנטי. לשם בהירות נשתמש בביטוי זרם טבעתי שקול ושטף טבעתי שקול שאינם תלויים ברדיוס גאומטרי. בחלונות אנרגיה גבוהים וזמן קצר המראה חוזר כמעט לנקודתי.
• כיוונון עדין של רעש רקע. רעש הרקע של ים האנרגיה מחזק או מחליש מעט את הסחרור הפנימה. אם הדבר מדיד עליו להיות הפיך ניתן לשחזור וניתן להדלקה ולכיבוי באמצעות מדרונות נשלטים ועליו להישאר מתחת לתקרות מוצהרות.

IV. ספין ומומנט מגנטי, הקצב והנעילה של טבעת יחידה

• ספין כהיגיון אינטואיטיבי. ספין הוא החצנה גלויה של ידיות הקצב הסגור של המופע. הוא קיים כממוצע בזמן ואינו דורש סיבוב קשיח.
• מקור המומנט וכיוונו. המומנט המגנטי נובע מזרם טבעתי שקול ומשטף שקול שאינם תלויים ברדיוס. בחלון אנרגיה קצר ומהיר המראה חוזר לנקודתי כמעט. הגודל והכיוון נקבעים על ידי הקצב לאורך הטבעת על ידי ההטיה חזק בפנים חלש בחוץ בחתך ועל ידי הסדר בטקסטורה הקרובה.
• פרססיה ומענה לשדות חוץ. כאשר מתחם כיווניות חיצוני משתנה הספין עובר פרססיה בצירוף הסטי רמות וצורות קו כיוליות. המהירות נקבעת על ידי חוזק הנעילה הפנימית ועל ידי מדרונות השדה.

V. שלוש תמונות חופפות, טבעת דונאט יחידה אל כרית שפה רכה אל קערה רדודה סימטרית

• תקריב מיקרו. טבעת דונאט יחידה והחגורה הטבעתית מתוחה ביותר. הספירלה חזק בפנים חלש בחוץ ברורה והטקסטורה הקרובה הפונה פנימה נועלת מטען שלילי.
• מרחק ביניים שכבת מעבר. כרית שפה רכה המשתטחת במהירות החוצה. בחלון זמן ארוך יותר הדקויות מוחלקות המעבר מתרכך וחלוקת המטען נעשית קוהסיבית יותר.
• מרחוק מאקרו. קערה רדודה סימטרית שווה בעומקה סביב סביב מראה מסה יציב ואיזוטרופי.

עוגני איור. קשת מובילה קצרה וזנב גרירה של חזית המופע. חיצי שדה קרוב הפונים פנימה. שפת החוץ של כרית המעבר. פתח הקערה וטבעות שוות עומק. במקרא יצוינו זרם טבעתי שקול שאינו תלוי רדיוס ואיזוטרופיה לאחר ממוצע בזמן.

VI. קנה מידה ונצפות, ליבה זעירה אך פרופיל צד אפשרי

• הליבה קפוצה מאוד והדמיה ישירה קשה. פיזור באנרגיה גבוהה ובזמן קצר מאוד מספק לרוב מענה כמעט נקודתי.
• סחרור פנימה וקוהסיית שדה ביניים מרמזים על חלוקת מטען אפקטיבית הדבוקה לרצועת הטבעת. פיזור אלסטי מדויק ומדידות קיטוב יכולים לשרטט מן הצד את הרדיוס האפקטיבי הזה.
• בגבול הנקודתי גורם הצורה חייב לקרוס למראה נקודתי ללא עיטורים ניתנים להפרדה והרדיוס האפקטיבי נעשה בלתי נבדל עם העלייה באנרגיה.
• המעבר מהקרוב אל הרחוק מתון והולך. מרחוק נראית רק הקערה היציבה ולא ריצת רצועות המופע.

VII. הולדה והכחדה, כיצד נוצרת וכיצד נעלמת

• הולדה. באירועים של מתח וצפיפות גבוהים נפתח חלון גלגול לספירלת החתך. כאשר הטבעת נסגרת וננעלת בתבנית חזק בפנים חלש בחוץ מטען שלילי ננעל בו בזמן. היפוך התבנית מוליד פוזיטרון.
• הכחדה. כאשר אלקטרון ופוזיטרון מתקרבים הסחרורים הקרובים בעלי הסימן המנוגד מבטלים זה את זה. הרשת הסגורה נפרמת בזמן קצר ביותר והמתח חוזר לים כחבילות גל הנצפות כאור או כהפרעות אחרות. אנרגיה ותנע נשמרים רכיב אחר רכיב בין הסיב ובין הים.

VIII. מיפוי אל מול התיאוריה המודרנית

1. נקודות הסכמה
   • הכימות של מטען וזהות חלקיקית. נעילת היסוד בתבנית חזק בפנים חלש בחוץ שקולה ליחידת מטען שלילי אחת כפי שמתצפיות מעידות.
   • צמידות ספין ומומנט מגנטי. סירקולציה פנימית סגורה וריתמוס הקצב מצמידים באופן טבעי ספין ומומנט.
   • מראה נקודתי בפיזור. ליבה קטנה וממוצע זמן חזק מספקים פיזור דמוי נקודה באנרגיה גבוהה.
2. שכבת חומריות נוספת
   • תמונת המוצא של מטען. השלילי נשען ישירות על ההטיה הרדיאלית של ספירלת החתך וחורט טקסטורה פנימה ולא תגית בדיעבד.
   • תמונה מאוחדת של מסה והובלה. קערה סימטרית וממוצע בזמן מציבים יחד את האניזוטרופיה בקרוב ואת האיזוטרופיה ברחוק.
   • חשמלי ומגנטי בגאומטריה אחת. החשמלי כהמשך רדיאלי והמגנטי כגלגול טבעתי שני תפקידים מאותה גאומטריית שדה קרוב ובאותו חלון זמן.
3. עקביות ותנאי שפה
   • עקביות באנרגיה גבוהה. בחלונות האנרגיה והזמן הנוכחיים גורם הצורה צריך להיראות נקודתי והרדיוס האפקטיבי לצאת מן ההפרדה עם העלייה באנרגיה.
   • תקני ייחוס למומנט מגנטי. הערך העיקרי והכיוון תואמים מדידה וכל היסט סביבתי זעיר חייב להיות הפיך משוחזר ומכויל ומתחת לחוסר הוודאות העדכני.
   • מומנט דיפול חשמלי קרוב לאפס. בסביבה אחידה כמעט אפס ומתחת למדרון מתח נשלט מותר מענה לינארי חלש מאוד מתחת לגבולות הנהוגים.
   • ספקטרוסקופיה נשמרת. ספקטרום דמוי מימן היסטים עדינים ועליונים והתאבכות נותרים בתחומי השגיאה הניסויית וכל מאפיין חדש דורש מקור עצמאי בר בדיקה עם קריטריוני כיבוי והדלקה ברורים.
   • יציבות דינמית. ללא תוצאה לפני סיבה וללא ריצה עצמית. דעיכה אם קיימת תופיע כחיבור ים וסיב בעל זיכרון סיבתי עם חלונות זמן מכוילים וללא סתירה לתצפיות.

IX. רמזים לקריאה, מישור התמונה קיטוב זמן ספקטרום אנרגיה

• במישור התמונה סטיות אלומה וחיזוק שפת פנים אם מופיעים משקפים את גאומטריית הקערה ואת חלוקת המטען הקוהסיבית.
• בקיטוב יש לחפש רצועות קיטוב והפרשי מופע העולים בקנה אחד עם הטקסטורה הפונה פנימה שהן טביעת האצבע הגאומטרית של השדה הקרוב.
• בזמן עירור פולסים מעל סף מקומי עשוי לייצר מדרגות והדים וסולמות הזמן עוקבים אחר חוזק הנעילה.
• בספקטרום בסביבות מעבדות מחדש יתכנו יחד הרמה של המקטע הרך ושיאים צרים קשים הקשורים לתבנית חזק בפנים חלש בחוץ והיסטים או פיצולים זעירים עשויים לנבוע מכיוונון רעש לחוזק הנעילה.

X. חיזויים ובדיקות, תכניות פעולה לשדה קרוב ושדה ביניים

• היפוך סימן בזוגות בפיזור כיראלי קרוב
  חיזוי. היפוך כיוריות הגשש או החלפת אלקטרון ופוזיטרון יגררו היפוך זוגי של היסטי המופע.
  תצורה. מלכודות חלקיק יחיד ומצבי מיקרוגל ואור הניתנים להחלפה בעלי תנע זוויתי מסלולי.
  קריטריון. היפוך הפיך עם משרעת יציבה.
• נסיגה לינארית סביבתית של גורם ג אפקטיבי
  חיזוי. במדרון מתח נשלט תדירות תהודת הציקלוטרון תראה נסיגה לינארית קטנה ושיפוע מנוגד עבור פוזיטרונים.
  תצורה. מלכודות מגנטיות יציבות במיוחד ומשקולות זעירות או שדות חלל זעירים לכיול המדרון.
  קריטריון. פרופורציה מדרגה ראשונה למדרון והתנהגות מראה בין אלקטרונים ופוזיטרונים.
• מומנט דיפול חשמלי קרוב לאפס עם מענה לינארי מושרה מדרון
  חיזוי. אפסי כמעט בסביבה אחידה ומענה חלש הפיך בצירוף מדרון.
  תצורה. מלכודות יונים או אלומות מולקולריות עם מדרון מתח שקול וקריאה בשיטת מופע תהודתי.
  קריטריון. הדלקה כיבוי והיפוך כיוון על פי המדרון ומשרעת מתחת לגבולות הנהוגים.
• מעבר לא סימטרי דרך נקבוביות ננו כיראליות
  חיזוי. אלקטרונים בעלי ספין מקוטב מראש החוצים גבול כיראלי יפגינו אי סימטריה זעירה בין שמאל לימין ופוזיטרונים יחליפו סימן.
  תצורה. ממברנות ננו כיראליות וסריקות רב זווית ורב אנרגיה.
  קריטריון. האיבר האי סימטרי ינוע עם כיוריות הממברנה ועם קוטביות החלקיק.
• הטיה דקה בקרינה בשדות חזקים
  חיזוי. בשדות מעוקמים מאוד זוויות הקרינה יראו הטיה קטנה הניתנת לשחזור התואמת את כיוריות הטקסטורה הפונה פנימה.
  תצורה. השוואת קיטוב והתפלגות זוויתית של אלקטרונים ופוזיטרונים בטבעות אגירה או מדידת גאומטריית קרינת הרתע בעזרת לייזרים רבי עוצמה.
  קריטריון. הבדלים ניתנים לכיול אנרגטי בצירוף היפוך סימן בעת החלפת קוטביות.

XI. מילון קצר ידידותי לקורא

• סיב אנרגיה. נושא קווי של מופע ומתיחה היכול להיות בעל עובי.
• ים האנרגיה. תווך רקע המספק חזרה אלסטית ומענה כיווני.
• מתיחה וטקסטורת כיווניות. כיוון ועוצמת המתיחה או המשיכה של התווך.
• נעילת מופע. השתלבות של מופעים כמו גלגלי שיניים היוצרת קצב יציב.
• שדה קרוב ביניים ורחוק. שלוש רצועות מן הטבעת החוצה שבהן הרחוק נעשה מוחלק יותר בעקבות ממוצע בזמן.
• ממוצע בזמן. החלקת תנודות מהירות וקטנות בחלון התצפית והשארת מראה יציב.

XII. לסיכום

בתורת סיבי האנרגיה האלקטרון הוא סיב אנרגיה הסוגר טבעת. בשדה הקרוב טקסטורה הפונה פנימה מגדירה מטען שלילי ובשדה הביניים ובשדה הרחוק קערה רדודה סימטרית מציגה מראה מסה יציב. ספין ומומנט מגנטי נובעים באופן טבעי מסירקולציה סגורה ומקצב. באמצעות התמונה טבעת דונאט יחידה אל כרית שפה רכה אל קערה רדודה סימטרית אנו מחברים את שלוש השכבות לאחד ומעגנים זאת היטב בעובדות ניסוייות קיימות דרך תנאי שפה ברורים.

XIII. איורים

1. גוף ועובי
   • טבעת עיקרית יחידה סגורה. סיב אחד נסגר לטבעת אחת. קו כפול מסמן עובי נושא עצמי ולא שני סיבים.
   • זרם טבעתי שקול ושטף שקול. המומנט המגנטי נובע מזרם שקול ואין לצייר את הטבעת העיקרית כלולאת זרם גאומטרית.
2. קצב מופע ללא מסלול ספירלה כחולה בתוך הטבעת
   • חזית מופע ספירלית כחולה בין השפה הפנימית לשפה החיצונית מסמנת את החזית המיידית ואת הקצב הנעול.
   • זנב דועך וראש מודגש מבטאים כיוריות וכיוון זמן. זהו סימון קצב ולא מסלול חלקיק.
3. טקסטורת כיווניות של שדה קרוב המגדירה קוטביות מטען
   • עטרת חצים קצרים בצבע כתום מעט מחוץ לטבעת הפונים פנימה. במיקרו ההתנגדות קטנה עם כיוון החצים וגדולה נגדם וזה מקור המשיכה והדחייה.
   • בתמונת הפוזיטרון החצים פונים החוצה והתגובה מחליפה סימן.
4. כרית מעבר של שדה ביניים
   טבעת מקווקוות רכה המציינת שכבה המחברת ומחליקה את פרטי השדה הקרוב והאניזוטרופיה דועכת.
5. קערה רדודה סימטרית של שדה רחוק
   הצללה מעגלית עדינה וטבעות שוות עומק לתיאור משיכה סימטרית סביב ציר. מראה מסה יציב ללא היסט דיפול קבוע.