El modelo de anillo toroidal , conocido originalmente como magnetón de Parson o electrón magnético , es un modelo físico de partículas subatómicas . También se le 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 en órbita , el anillo toroidal fue concebido como una colección de elementos de carga infinitesimales , que orbitaban o circulaban a lo largo de una trayectoria continua común o " bucle ". En general, este camino de carga podría 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 cambios en los campos eléctricos o magnéticos ya que permanecía estacionario. El anillo produjo 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 al comprimirse , como un resorte , y también era inversamente proporcional a su radio, y por 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 cargados del mismo signo estaba equilibrada por la fuerza de atracción magnética entre las corrientes paralelas en las fibras de un haz, según la ley de Ampère . Estas fibras se retorcieron 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 tenía en cuenta 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 del giro distinguía el electrón del protón.
El modelo toroidal o "helicón" no exigía un radio constante ni energía inercial para una partícula. En general, su forma, tamaño y movimiento se ajustan de acuerdo con los campos electromagnéticos externos de su entorno. Estos ajustes o reacciones a los cambios del campo externo constituyeron la emisión o absorción de radiación para la partícula. El modelo, entonces, pretendía explicar cómo las partículas se unían 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 actuales. [1] En esa misma época, Carl Friedrich Gauss y Michael Faraday también descubrieron las leyes fundamentales de la electrodinámica clásica , recopiladas más tarde por James Maxwell como las 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 vórtice de un fluido perfecto descubiertos por Hermann von Helmholtz representaban "los únicos átomos verdaderos ". [2] Luego, poco antes de 1900, mientras los científicos todavía 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, protones y núcleos. . Max Planck se sumó al fuego cuando resolvió el problema de la radiación del cuerpo negro suponiendo no sólo partículas discretas , sino también frecuencias discretas de radiación que emanan de estas "partículas" o " resonadores ". El famoso artículo de Planck, [6] que por cierto calculó tanto la constante h de Planck como la constante k B de Boltzmann , sugirió 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 llegó a predominar el modelo de 1913 de Niels Bohr . El modelo de Bohr [9] propuso electrones en órbita circular alrededor del núcleo con valores cuantificados de momento angular . En lugar de irradiar energía continuamente , como exigía la electrodinámica clásica de una carga acelerada, el electrón de Bohr irradiaba discretamente cuando " saltaba " de un estado de momento angular a otro.
En 1915, Alfred Lauck Parson propuso su " magnetón " [10] como una mejora con respecto al 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 asumiendo " osciladores " giratorios, capaces de almacenar energía sin irradiar. [11] Gilbert N. Lewis se inspiró en parte en el modelo de Parson para desarrollar su teoría del enlace químico . [12] Luego, David L. Webster escribió tres artículos conectando el magnetón de Parson con el oscilador de Page [13] y explicando la masa [14] y la dispersión alfa [15] en términos del magnetón. En 1917, Lars O. Grondahl confirmó el modelo con sus experimentos con electrones libres en cables de hierro . [16] La teoría de Parson luego atrajo la atención de Arthur Compton , quien escribió una serie de artículos sobre las propiedades del electrón, [17] [18] [19] [20] [21] y H. Stanley Allen , cuyos artículos también abogó por un "anillo de electrones". [22] [23] [24]
El aspecto del magnetón 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 de hecho está 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 intrínseco y un momento magnético. Por otra parte, la afirmación habitual de que un electrón es puntual puede asociarse convencionalmente sólo con un electrón "desnudo". El electrón puntual tendría un campo electromagnético divergente, lo que debería crear una fuerte polarización en el vacío. De acuerdo con QED, las desviaciones de la ley de Coulomb se predicen a distancias en la escala de Compton del centro del electrón, 10 −11 cm. Los procesos virtuales en la región de Compton determinan el espín del electrón y la renormalización de su carga y masa. Muestra que la región de Compton del electrón debe considerarse como un todo coherente con su núcleo puntiagudo, formando un electrón físico ("revestido"). Obsérvese que la teoría del electrón de Dirac también exhibe el comportamiento peculiar de la región de Compton. En particular, los electrones muestran zitterbewegung en la escala de Compton. Desde este punto de vista, el modelo de anillo no contradice la QED ni la teoría de Dirac y algunas versiones podrían utilizarse para incorporar la gravedad en la teoría cuántica.
La cuestión de si el electrón tiene algún tipo de subestructura debe decidirse mediante experimentos. Todos los experimentos realizados hasta la fecha concuerdan con el modelo estándar del electrón, sin subestructura, ni en forma de anillo ni de otro tipo. Los dos enfoques principales son la dispersión de electrones y positrones de alta energía [25] y las pruebas atómicas de alta precisión de electrodinámica cuántica , [26] las cuales coinciden en que el electrón es puntual en resoluciones de hasta 10 −20 m. Actualmente, la región de Compton de procesos virtuales, de 10-11 cm de diámetro, no se exhibe en los experimentos de alta energía sobre dispersión de electrones y positrones.