ПОВЕДЕНИЕ ОБОЛОЧКИ РИДБЕРГОВСКОГО СФЕРОИДА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ФИЗИКА (PHYSICS)

УДК 539.1.04

Сухоносов В.Я.

канд. физ.-мат. наук [email protected]

(г. Обнинск, Россия)

ПОВЕДЕНИЕ ОБОЛОЧКИ РИДБЕРГОВСКОГО СФЕРОИДА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Аннотация: в рамках квазиклассической модели Бора показано, что оболочка ридберговского сфероида является сильным парамагнетиком. Магнетизм оболочки обусловлен большим орбитальным магнитным моментом ридберговских электронов. Высокая степень намагниченности оболочки и ее маленький вес создают условия для реализации магнитомеханического эффекта. Вращение оболочки визуально наблюдали в эксперименте.

При вращении оболочки самопроизвольно происходит трансформация ее сфероидальной структуры в круглый параболоид, что свидетельствует о топологической природе ридберговского вещества.

Ключевые слова: ридберговский сфероид, парамагнетизм оболочки, магнитомеханический эффект, топология.

ВВЕДЕНИЕ.

Специфика ридберговской молекулы воды состоит в том, что это молекула гигантского размера с диаметром ~ 100 нм и является парамагнитной. Конденсат таких молекул имеет чрезвычайно низкую плотность. Оболочка сфероида, сформированная из конденсата ридберговских молекул воды (РМ), обладает парадоксальным сочетанием свойств - являясь конденсированным веществом со сплошной средой, имеет газовую плотность и упругие свойства твердого тела с изменяющейся структурой, характерной для жидких сред [1].

Магнитные свойства являются фундаментальными свойствами материи. Любое вещество взаимодействует с магнитным полем: оно либо втягивается, либо выталкивается из него. Магнитные свойства вещества могут проявляться весьма значительно и наблюдаться визуально, а могут быть весьма слабыми, обнаружить которые возможно только специальными приборами.

Цель настоящей работы состояла в том, чтобы показать, что оболочка ридберговского сфероида является сильным парамагнетиком и даже в слабом однородном магнитном поле оболочка проявляет феноменальные свойства.

НАМАГНИЧИВАНИЕ ОБОЛОЧКИ СФЕРОИДА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ И МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.

Намагничивание оболочки сфероида. РМ находятся в высоковозбужденном состоянии с главным квантовым числом п = 18. Их можно рассматривать как классические объекты. Диаметр этих молекул равен 98 нм и время жизни 5,8 10-5 с, что на три порядка больше времени жизни ~10-8с, характерное для обычных возбужденных молекул. Такое большое время жизни свидетельствует о том, что РМ находятся в триплетном состоянии и являются парамагнитными.

Считаем, что оболочка представляет собой совокупность независимых РМ, к которым применима квазиклассическая теория Бора. Особенность данной молекулярной системы состоит в том, что их ридберговские электроны имеют чрезвычайно большой орбитальный магнитный момент

— е\т

Рт1 = —^, где е, У18 - соответственно заряд и скорость электрона,

Г18 = 4,9- 10-8м - радиус его орбиты. Скорость электрона равна у18=ув п-1,

где

Ув = 2,19^ 106 м/с - скорость электрона на боровской орбите. Тогда орбитальный магнитный момент 1 - го электрона будет равен Рт1 = 4,7-10-22

Ам2. В единицах магнетрона Бора имеем Р т = 53 ^в .

При помещении сфероида в постоянное магнитное поле будет происходить упорядоченное расположение магнитных моментов молекул оболочки Рт по отношению к направлению магнитного поля н. Вектор магнитного момента оболочки Рт равен векторной сумме орбитальных

магнитных моментов Рш всех ее ридберговских электронов Рт = ^ Рш , где

1=1

N = 1,23-1013 - число ридберговских электронов оболочки. Магнитными моментами ядер молекул пренебрегаем по сравнению с магнитными моментами электронов.

Таким образом, оболочка сфероида в магнитном поле будет обладать

N ^

большой намагниченностью I = 1/(АУ) ^ Рш , где АУ - элементарный объем

1=1

оболочки. Обычное парамагнитное вещество обладает слабыми магнитными свойствами. В нашем случае оболочка является сильным парамагнетиком, магнетизм которой обусловлен орбитальным магнетизмом.

Наряду с большой намагниченностью, оболочка имеет большой механический импульс ье, который равен векторной сумме орбитальных

^ ^ N ^

моментов импульса Ье1 всех ее ридберговских электронов ье = ^ Ье1. Это

1=1

обусловлено тем, что механический импульс оболочки ье связан с ее магнитным моментом Рт соотношением ье = - Рт , где g - гиромагнитное отношение. В магнитном поле механические моменты оболочки также будут иметь преимущественное направление по отношению к направлению магнитного поля н .

Если учесть, что оболочка сфероида имеет очень маленькую массу, равную тоб = 3,6-10-10 г., то можно предположить, что оболочка сфероида в магнитном поле под действием большого механического импульса будет вращаться в результате магнитомеханического эффекта.

Магнитомеханический эффект оболочки. Оболочку сфероида можно представить как две подсистемы: электроны молекул и их остов. Считаем, что система электроны молекул - остов является замкнутой. Поэтому, если суммарный механический момент ридберговских электронов молекул Рт оболочки изменяется, то должен измениться и момент импульса остова оболочки Ь . Следовательно, в магнитном поле оболочка должна начать

вращаться вокруг оси параллельно Н. Угловая скорость ю ее вращения должна быть такой, чтобы момент импульса Дю был равен:

Дю = -Ь

где Д - момент инерции оболочки, который для тонкостенной сферы

равен

Д = 2/3 тоб г2 = 1,2-10-15 кгм2 , где г = 7 см - радиус оболочки. Угловая скорость ю будет равна:

ю = - Ь = - Шртт- = - 0,016 рад/с.

J

Трансформация оболочки сфероида в магнитном поле. Оболочка сфероида состоит из сетки гигантских ридберговских молекул в виде шести и пятиугольников. Такая структура придает оболочке высокую механическую прочность и эластичность, что позволяет выдерживать не только давление, но и удар. При этом оболочка восстанавливает форму после многократных сжатий и растяжений подобно резиновой поверхности. Она также обладает способностью самопроизвольно изменять свою поверхность без разрывов и склеек под действием непрерывных деформаций.

Таким образом, оболочка сфероида ведет себя одновременно и как упругое твердое вещество и видоизменяет свою поверхность, подобно жидкости. Особо ярко это свойство оболочки проявляется в магнитном поле.

В магнитном поле оболочка сфероида вращается с угловой скоростью

ю =0,016 рад/с вокруг своей вертикальной оси, проходящей через ее центр. При этом оболочка видоизменяется и становится некоторой

поверхностью вращения. Для простоты рассмотрим поверхность вращения не сфероида, а сферы, которая представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Поверхность вращения оболочки в виде сферы.

Найдем уравнение поверхности вращения сферы. На элементарный

бесконечно малый объем поверхности оболочки АУ в точке М действует сила

тяжести Ат§ и центробежная сила Атю2г, где г - радиус-вектор от

элементарного объема до оси симметрии. Результирующая сила нормальна к

, йк Атс2г „ с2г , „ поверхности оболочки, поэтому — =- или ап = -йг. После

йг g

2 г 2

интегрирования будем иметь И(г) = -+ С, где С - константа, т.е.

2 g

поверхность вращающей сферы трансформируется в круглый параболоид. Вес ридберговской сферы очень мал, и силой тяжести можно пренебречь. Тогда с увеличением напряженности магнитного поля диаметр параболоида будет увеличиваться.

Экспериментальное подтверждение рассматриваемой модели.

Рассматриваемая модель поведения оболочки в магнитном поле имеет экспериментальное подтверждение [2]. Магнитное поле создавалось тороидальным соленоидом, состоящим из 100 витков медного провода с большим диаметром 575 см. Напряженность магнитного поля в центре соленоида изменялось в пределах 25 - 100 Э. Сфероид поднимался в атмосфере

воздуха и попадал в слабое магнитное поле. Оболочка оказалась очень чувствительной к магнитному полю и притягивалась к магниту, проявляя ярко выраженные парамагнитные свойства. Внутри соленоида оболочка зависала, создавая эффект невесомости, и начинала вращение. Визуальное наблюдение вращения оболочки свидетельствует о том, что она обладает исключительно высокой намагничиваемостью даже в слабом магнитном поле.

В процессе вращения оболочка сфероида проявила удивительную способность изменять свою форму под воздействием магнитного поля. Сначала она трансформировалась в нижнюю полусферу, а затем сформировалась в виде круглого параболоида, который расширялся в радиальном направлении под действием центробежной силы.

Топологические свойства оболочки сфероида. Способность оболочки сфероида трансформироваться в полусферу, а затем в круглый параболоид, а также самопроизвольные трансформации без магнитного поля в тор или крендель обусловлены топологическим свойством ридберговского вещества. Оболочка сфероида является топологическим веществом, для которого характерно сохранение своих свойств при плавных деформациях без разрывов и склеек. Это вещество не имеет традиционных агрегатных состояний: твердое, жидкое и газообразное. Топологическая фаза агрегатного состояния вещества представляет собой единое сочетание свойств твердого, жидкого и газообразного состояний и характеризует вид упорядоченности молекулярной системы. На поверхности такой фазы возникают напряжения, и она вспучивается - поверхность изогнута и состоит из холмов и ложбин в результате возбуждения на поверхности капиллярных волн. Неровности поверхности подавляются большим поверхностным натяжением вещества.

Топологическая фаза также обладает поразительной связностью вещества, которая проявляется в ее способности сильно деформироваться, проникать через узкие отверстия или щели и затем восстанавливать свою первоначальную сферическую форму. Принятие сферической формы

обусловлено тем, что форма сферы имеет минимальную поверхностную энергию.

Экспериментальным доказательством существования топологической фазы, для которой характерны одновременно упругие и высокоэластичные состояния являются следующие эксперименты. В работе [3] наблюдали, как сфероид упруго сталкивался с поверхностью воздухозаборника, расположенного в области потолка, и отскакивал от него с сохранением сфероидальной структуры. Высокоэластичное состояние сфероида наблюдали при прохождении сфероида диаметром около 100 мм через отверстие в картоне с диаметром 50 мм с полным восстановлением своей сферической формы [4].

При нарушении связности топологическая фаза приобретает способность к делению на несколько частей подобно капли ртути.

Важной особенностью топологической фазы является ее инвариантность относительно незначительных деформаций. Каждое топологическое состояние объекта характеризуется своим значением инварианта, которое не изменяется, если происходит растягивание или сжатие поверхности. При непрерывных деформациях оболочка может трансформироваться в блиноподобный диск, длинную ленту, жгут, стержень или параболоид.

Инвариант принимает новое значение только при разрыве поверхности при сильных внешних воздействиях. Для оболочки сфероида топологическим инвариантом являются количество дырок, образующихся на ее поверхности в процессе эволюции сфероида. Образовать топологическую дырку - значит изменить топологию объекта.

Переход в новое топологическое состояние возможен только с изменением значения инварианта у в виде топологического фазового перехода. Например, при у = 1, 2, 3 соответственно возможны фазовые переходы: сфера ^тор, сфера ^ крендель, сфера ^ тройной тор. При этом система переходит в состояние с наименьшей энергией и возникает наиболее энергетически выгодная структура.

Топологическая фаза, в отличие от других видов упорядоченности, обладает устойчивостью к внешним воздействиям. Тенденция сохранения первоначальной формы даже при достаточно сильных деформациях обусловлена не только большой поверхностной энергией, но и топологий системы. Если топологический инвариант у не изменяется, то в результате плавных деформаций форма объекта переходит только в топологически эквивалентное состояние. Тепловые или квантовые флуктуации не могут разрушить заданной структуры, которая топологически защищена сохранностью инварианта у. Именно такой случай имеет место при нахождении оболочки в слабом магнитном поле. Сфера трансформируется в параболоид без топологического фазового перехода. Трансформация оболочки в тор, которая обозначает топологический фазовый переход, возможна только при разрыве ее поверхности. Трансформация оболочки в магнитном поле доказывает ее топологическую природу.

Односвязная оболочка сфероида в виде поверхностей эллиптического типа. В экспериментах по рождению долгоживущих светящихся образований, как правило, образуются фигуры вращения. Это объясняется простотой такого типа поверхностей. Наиболее общей формой являются поверхности

эллиптического типа, к которым относятся эллипсоид, сфероид, сфера, точка,

2 2 2

эллиптический параболоид. Эллипсоид описывается уравнением + —г = 1 ,

abc

где a,b, c - его полуоси. Может возникнуть также сфероид, если окажется, что

какие-либо две оси эллипсоида одинаковы, например, b = c, что соответствует

2 2 2

уравнению + y- = 1. Наибольшая симметрия достигается, когда совпадают

a2 b2 b2

все три оси эллипсоида a = b = c= г. В этом случае возникает сфера х2 + y2 + z2 = r2 c радиусом г, центр которой находится в начале координат. Из сферы в результате равномерной деформации сжатия или растяжения может

быть сформироваться эллипсоид масштабным преобразованием вида x ^ Rx, y

a

R R

b с

При г = 0 поверхность эллиптического типа трансформируется в точку

2 2 2

(0,0,0) с уравнением ^+= 0.

abc

Эллиптические параболоиды описываются уравнением z = 2px2 + 2qy2 . Если p = q , то имеем круговой параболоид, который является телом вращения, образованным вращением одной ветви параболы z = 2px2. Круглый параболоид содержит окружности, а его поверхность состоит из одной полости, имеющей форму чаши.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Квазиклассическая модель Бора позволяет качественно правильно описать магнетизм оболочки ридберговского сфероида. Такое приближение приемлемо в силу того, что сильновозбужденные молекулы воды обладают свойствами, присущими объектам классической физики. Оболочка является сильным парамагнетиком, что обусловлено большим орбитальным магнитным моментом ридберговских электронов. Высокая степень намагничиваемости оболочки в магнитном поле и малый ее вес создают необходимые условия для возникновения магнитомеханического эффекта. Вращение оболочки визуально наблюдали в эксперименте.

Оболочка очень чувствительна даже к слабым магнитным полям. В процессе вращения сфероидальная оболочка трансформируется в круглый параболоид, что свидетельствует о топологической природе ридберговского вещества.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Сухоносов В.Я. Основные свойства конденсата ридберговских молекул воды. Международный научный журнал «Вестник науки» 2025. том 3. №1(82).С.1676 -1698;

2. Юферов В.Б., Муфель Е.В., Ткачев В.И., Шарый С.В., Ткачева Т.И. Особенности газовых разрядов над поверхностью воды при атмосферном давлении. Вестник НТУ «ХПГ» 2011. №4. С. 103-108;

3. Zhao Shixin, Yuan Chengxun, Кудрявцев А.А., Yao Jingfeng, Шабанов Г.Д. Влияние магнитных и электрических полей на динамику образования плазмоидов в гатчинском разряде // ЖТФ. 2022. том 92. вып.3. С. 366 - 385;

4. Шабанов Г.Д. О возможности создания природной шаровой молнии импульсным разрядом нового вида в лабораторных условиях. УФН 2019. т. 189. № 1. С.95-111

Sukhonosov V.Ya.

Dr. Chem.Phys. [email protected]

(Obninsk, Russia)

BEHAVIOR OF THE SHELL OF A RYDBERG SPHEROID IN A MAGNETIC FIELD

Abstract: it is shown within the framework of the quasi-classical Bohr model that the shell of a Rydberg spheroid is a strong paramagnetic. The magnetism of the shell is caused by the large orbital magnetic moment of the Rydberg electrons. The high degrof magnetization of the shell and its low weight create conditions for the implementation of the magnetomechanical effect. The rotation of the shell was visually observed in the experiment.

When the shell rotates, its spheroidal structure spontaneously transforms into a round paraboloid, which indicates the topological nature of the Rydberg substance.

Keywords: Rydberg spheroid, shell paramagnetism, magnetomechanical effect, topology.