El modelo de anillo toroidal , conocido originalmente como magnetón de Parson o electrón magnético , es un modelo físico de partículas subatómicas . También se lo conoce como anillo plasmoide , anillo de vórtice o anillo de helicón . Este modelo físico trataba a los electrones y protones como partículas elementales y fue propuesto por primera vez por Alfred Lauck Parson en 1915.
En lugar de una única carga orbital , el anillo toroidal fue concebido como una colección de elementos de carga infinitesimales , que orbitaban o circulaban a lo largo de un camino continuo común o " bucle ". En general, este camino de carga podía asumir cualquier forma, pero tendía hacia una forma circular debido a fuerzas electromagnéticas repulsivas internas . En esta configuración, los elementos de carga circulaban, pero el anillo en su conjunto no irradiaba debido a los cambios en los campos eléctricos o magnéticos, ya que permanecía estacionario. El anillo producía un campo magnético general (" espín ") debido a la corriente de los elementos de carga en movimiento. Estos elementos circulaban alrededor del anillo a la velocidad de la luz c , pero a una frecuencia ν = c /2π R , que dependía inversamente del radio R. La energía inercial del anillo aumentaba cuando se comprimía , como un resorte , y también era inversamente proporcional a su radio, y por lo tanto proporcional a su frecuencia ν . La teoría afirmaba que la constante de proporcionalidad era la constante de Planck h , el momento angular conservado del anillo.
Según el modelo, los electrones o protones podrían verse como haces de " fibras " o " plasmoides " con carga total ± e . La fuerza de repulsión electrostática entre elementos de carga del mismo signo se equilibraba con la fuerza de atracción magnética entre las corrientes paralelas en las fibras de un haz, según la ley de Ampère . Estas fibras se retorcían alrededor del toro del anillo a medida que avanzaban alrededor de su radio, formando una hélice similar a Slinky . La finalización del circuito exigía que cada fibra plasmoide helicoidal se retorciera alrededor del anillo un número entero de veces a medida que avanzaba alrededor del anillo. Se pensaba que este requisito explicaba los valores " cuánticos " del momento angular y la radiación . La quiralidad exigía que el número de fibras fuera impar , probablemente tres, como una cuerda. Se pensaba que la helicidad de la torsión diferenciaba al electrón del protón.
El modelo toroidal o "helicónico" no exigía un radio o una energía inercial constantes para una partícula. En general, su forma, tamaño y movimiento se ajustaban de acuerdo con los campos electromagnéticos externos de su entorno. Estos ajustes o reacciones a los cambios de campo externo constituían la emisión o absorción de radiación por parte de la partícula. El modelo, entonces, pretendía explicar cómo las partículas se unían entre sí para formar átomos .
El desarrollo del helicón o anillo toroidal comenzó con André-Marie Ampère , quien en 1823 propuso diminutos "bucles de carga" magnéticos para explicar la fuerza de atracción entre elementos de corriente. [1] En esa misma época, Carl Friedrich Gauss y Michael Faraday también descubrieron leyes fundamentales de la electrodinámica clásica , recopiladas más tarde por James Maxwell como ecuaciones de Maxwell . Cuando Maxwell expresó las leyes de Gauss , Faraday y Ampère en forma diferencial , asumió partículas puntuales , una suposición que sigue siendo fundamental para la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica en la actualidad. En 1867, Lord Kelvin sugirió que los anillos de vórtices de un fluido perfecto descubierto por Hermann von Helmholtz representaban "los únicos átomos verdaderos ". [2] Poco antes de 1900, cuando los científicos aún debatían sobre la existencia misma de los átomos, JJ Thomson [3] y Ernest Rutherford [4] provocaron una revolución con experimentos [5] que confirmaban la existencia y las propiedades de los electrones, los protones y los núcleos . Max Planck añadió más leña al fuego cuando resolvió el problema de la radiación del cuerpo negro suponiendo no sólo partículas discretas , sino frecuencias discretas de radiación que emanaban de estas "partículas" o " resonadores ". El famoso artículo de Planck, [6] que por cierto calculó tanto la constante de Planck h como la constante de Boltzmann k B , sugería que algo en los propios "resonadores" proporcionaba estas frecuencias discretas.
A raíz de toda la nueva información se desarrollaron numerosas teorías sobre la estructura del átomo , [7] [8] de las cuales el modelo de 1913 de Niels Bohr llegó a predominar. El modelo de Bohr [9] proponía electrones en órbita circular alrededor del núcleo con valores cuantizados de momento angular . En lugar de radiar energía de forma continua , como exigía la electrodinámica clásica de una carga acelerada, el electrón de Bohr radiaba de forma discreta cuando " saltaba " de un estado de momento angular a otro.
En 1915, Alfred Lauck Parson propuso su " magnetón " [10] como una mejora sobre el modelo de Bohr , que representa partículas de tamaño finito con la capacidad de mantener la estabilidad y emitir y absorber radiación de ondas electromagnéticas . Casi al mismo tiempo, Leigh Page desarrolló una teoría clásica de la radiación del cuerpo negro suponiendo " osciladores " rotatorios, capaces de almacenar energía sin radiar. [11] Gilbert N. Lewis se inspiró en parte en el modelo de Parson al desarrollar su teoría del enlace químico . [12] Luego, David L. Webster escribió tres artículos que conectaban el magnetón de Parson con el oscilador de Page [13] y explicaban la masa [14] y la dispersión alfa [15] en términos del magnetón. En 1917, Lars O. Grondahl confirmó el modelo con sus experimentos sobre electrones libres en cables de hierro . [16] La teoría de Parson atrajo luego la atención de Arthur Compton , quien escribió una serie de artículos sobre las propiedades del electrón, [17] [18] [19] [20] y H. Stanley Allen , cuyos artículos también defendían un "electrón en anillo". [21] [22] [23]
El aspecto del magnetón de Parson con mayor relevancia experimental (y el aspecto investigado por Grondahl y Webster) fue la existencia de un momento dipolar magnético del electrón ; este momento dipolar está efectivamente presente. Sin embargo, trabajos posteriores de Paul Dirac y Alfred Landé demostraron que una partícula puntual podría tener un espín cuántico intrínseco y también un momento magnético. La teoría moderna de gran éxito, el Modelo Estándar de física de partículas, describe un electrón puntual con un espín y un momento magnético intrínsecos. Por otro lado, la afirmación habitual de que un electrón es puntual puede asociarse convencionalmente solo con un electrón "desnudo". El electrón puntual tendría un campo electromagnético divergente, que debería crear una fuerte polarización del vacío. De acuerdo con la QED, las desviaciones de la ley de Coulomb se predicen a distancias de escala Compton desde el centro del electrón, 10 −11 cm. Los procesos virtuales en la región Compton determinan el espín del electrón y la renormalización de su carga y masa. Esto demuestra que la región Compton del electrón debe considerarse como un todo coherente con su núcleo puntual, que forma un electrón físico ("vestido"). Obsérvese que la teoría de Dirac del electrón también exhibe el comportamiento peculiar de la región Compton. En particular, los electrones muestran un movimiento de zitter en la escala Compton. Desde este punto de vista, el modelo de anillo no contradice la QED ni la teoría de Dirac y es posible que se puedan utilizar algunas versiones para incorporar la gravedad en la teoría cuántica.
La cuestión de si el electrón tiene una subestructura de algún tipo debe decidirse experimentalmente. Todos los experimentos realizados hasta la fecha coinciden con el Modelo Estándar del electrón, sin subestructura, anular o de otro tipo. Los dos enfoques principales son la dispersión electrón-positrón de alta energía [24] y las pruebas atómicas de alta precisión de la electrodinámica cuántica [ 25], las cuales coinciden en que el electrón es puntual a resoluciones de hasta 10 −20 m. En la actualidad, la región Compton de los procesos virtuales, de 10 −11 cm de diámetro, no se exhibe en los experimentos de alta energía sobre dispersión electrón-positrón.
Nikodem Popławski utiliza el método de Papapetrou de expansión multipolar para demostrar que la torsión modifica el modelo de Burinskii del electrón de Dirac al reemplazar el anillo singular de Kerr-Newman del tamaño de Compton con una estructura toroidal con el radio exterior del tamaño de Compton y el radio interior del tamaño de Cartan (10 −27 m) en la teoría de la gravedad de Einstein-Cartan . [26]