¿Cuál es la carga de un protón en física? Estructura de un átomo: núcleo, neutrón, protón, electrón. Ejemplos de resolución de problemas
Este artículo, basado en la esencia eterodinámica de la carga eléctrica y las estructuras de las partículas elementales, proporciona un cálculo de los valores de las cargas eléctricas del protón, electrón y fotón.
El falso conocimiento es más peligroso que la ignorancia
JB Shaw
Introducción. En la física moderna, la carga eléctrica es una de las características más importantes y una propiedad integral de las partículas elementales. De la esencia física de la carga eléctrica, definida sobre la base del concepto eterodinámico, se derivan una serie de propiedades, como la proporcionalidad de la magnitud de la carga eléctrica a la masa de su portador; la carga eléctrica no se cuantifica, sino que se transfiere mediante cuantos (partículas); la magnitud de la carga eléctrica tiene signo definido, es decir, siempre es positiva; que imponen restricciones significativas sobre la naturaleza de las partículas elementales. A saber: en la naturaleza no existen partículas elementales que no tengan carga eléctrica; La magnitud de la carga eléctrica de las partículas elementales es positiva y mayor que cero. Con base en la esencia física, la magnitud de la carga eléctrica está determinada por la masa, la velocidad del flujo del éter que conforma la estructura de la partícula elemental y sus parámetros geométricos. La esencia física de la carga eléctrica ( La carga eléctrica es una medida del flujo de éter.) define inequívocamente el modelo eterodinámico de las partículas elementales, eliminando así la cuestión de la estructura de las partículas elementales, por un lado, e indica la inconsistencia de los modelos estándar, de quarks y otros de partículas elementales, por el otro.
La magnitud de la carga eléctrica también determina la intensidad de la interacción electromagnética de las partículas elementales. Con la ayuda de la interacción electromagnética, se produce la interacción de protones y electrones en átomos y moléculas. Por tanto, la interacción electromagnética determina la posibilidad de un estado estable de tales sistemas microscópicos. Sus tamaños están determinados en gran medida por la magnitud de las cargas eléctricas del electrón y del protón.
La interpretación errónea de propiedades por parte de la física moderna, como la existencia de cargas eléctricas positivas y negativas, elementales, discretas, cuantificadas, etc., la interpretación incorrecta de experimentos para medir la magnitud de la carga eléctrica condujo a una serie de errores graves en las partículas elementales. física (falta de estructura del electrón, masa y carga cero de un fotón, existencia de un neutrino, igualdad en valor absoluto de las cargas eléctricas de un protón y un electrón con una elemental).
De lo anterior se deduce que la carga eléctrica de las partículas elementales en la física moderna tiene una importancia decisiva para comprender los fundamentos del microcosmos y requiere una evaluación equilibrada y razonable de sus valores.
En condiciones naturales, los protones y los electrones se encuentran unidos, formando pares protón-electrón. La mala comprensión de esta circunstancia, así como la idea errónea de que las cargas de un electrón y un protón son iguales en valor absoluto a las elementales, han dejado a la física moderna sin respuesta a la pregunta: ¿cuál es el valor real de las cargas eléctricas? de un protón, un electrón y un fotón?
Carga eléctrica de un protón y un electrón. En su estado natural, el par protón-electrón existe en forma del elemento químico átomo de hidrógeno. Según la teoría: “El átomo de hidrógeno es una unidad estructural irreductible de la materia que encabeza la tabla periódica de Mendeleev. En este sentido, el radio del átomo de hidrógeno debe clasificarse como una constante fundamental. ... El radio de Bohr calculado es = 0,529 Å. Esto es importante porque no existen métodos directos para medir el radio de un átomo de hidrógeno. ...el radio de Bohr es el radio del círculo de la órbita circular del electrón, y se define en total conformidad con la comprensión generalmente aceptada del término "radio".
También se sabe que las mediciones del radio de los protones se llevaron a cabo utilizando átomos de hidrógeno ordinarios, lo que llevó (CODATA -2014) a un resultado de 0,8751 ± 0,0061 femtómetros (1 fm = 10 −15 m).
Para estimar la magnitud de la carga eléctrica de un protón (electrón), utilizamos la expresión general para carga eléctrica:
q = (1/ k) 1/2 tu r (ρ S) 1/2 , (1)
donde k = 1 / 4πε 0 – coeficiente de proporcionalidad de la expresión de la ley de Coulomb,
ε0 ≈ 8.85418781762039·10 −12 F m −1 – constante eléctrica; u – velocidad, ρ – densidad del flujo de éter; S – sección transversal del cuerpo del protón (electrón).
Transformemos la expresión (1) de la siguiente manera
q = (1/ k) 1/2 tu r (EM/ V) 1/2 ,
Dónde V = r S – volumen corporal, metro — masa de una partícula elemental.
Un protón y un electrón son duetones: - una estructura que consta de dos cuerpos en forma de toro conectados por las superficies laterales de los toros, simétricos con respecto al plano de división, por lo tanto
q = (1/ k) 1/2 tu r (metro2 CALLE/2 VT) 1/2 ,
Dónde CALLE- sección, r- longitud, VT = r St— volumen del toroide.
q = (1/ k) 1/2 tu r (ms t/ VT) 1/2 ,
q = (1/k) 1/2 u r (mS T /rS T) 1/2 ,
q = (1/ k) 1/2 tu (señor) 1/2 . (2)
La expresión (2) es una modificación de la expresión (1) para la carga eléctrica de un protón (electrón).
Sea R 2 = 0,2 R 1 , donde R 1 es el radio exterior y R 2 el interior del toro.
r= 2π 0,6 R 1 ,
la carga eléctrica de un protón y un electrón, respectivamente
q = ( 1/ k) 1/2 tu (metro 2π 0,6 R 1 ) 1/2 ,
q= (2π 0,6 / k) 1/2 tu (metro R 1 ) 1/2 ,
q= 2π ( 1.2 ε 0 ) 1/2 tu (metro R 1 ) 1/2
q = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 tu (metro R 1 ) 1/2 (3)
La expresión (3) es una forma de expresar la magnitud de la carga eléctrica de un protón y un electrón.
En tu = 3∙10 8m / с – segunda velocidad del sonido del éter, expresión 2.19 π (ε 0 ) 1/2 tu = 2.19 π( 8,85418781762 10 −12 F/m ) 1/2 3∙10 8m / c = 0,6142∙ 10 4 m 1/2 F 1/2 s -1 .
Supongamos que el radio del protón (electrón) en la estructura presentada anteriormente es el radio R 1.
Para un protón se sabe que m р = 1,672∙10 -27 kg, R 1 = r р = 0,8751∙10 -15 m, entonces
qR = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 tu (metro R 1 ) 1/2 = 0,6142∙10 4 [m 1/2 F 1/2 s -1 ] ∙ (1.672∙10 -27 [kg] ∙
0,8751∙10 -15 [m]) 1/2 = 0,743∙10 -17 Cl.
Por tanto, la carga eléctrica de un protón. qR= 0,743∙10-17Cl.
Para un electrón se sabe que m e = 0,911∙10 -31 kg. Para determinar el radio del electrón, bajo el supuesto de que la estructura del electrón es similar a la estructura del protón, y la densidad del flujo de éter en el cuerpo del electrón también es igual a la densidad del flujo de éter en el cuerpo del protón, utilizamos la relación conocida entre las masas del protón y del electrón, que es igual a
metro r / metro mi = 1836,15.
Entonces r r /r e = (m r /m e) 1/3 = 1836,15 1/3 = 12,245, es decir, r e = r r /12,245.
Sustituyendo los datos del electrón en la expresión (3) obtenemos
q e = 0.6142∙10 4 [m 1/2 F 1/2 /s] ∙ (0.911∙10 -31 [kg] 0.8751∙10 -15 [m]/12.245) 1/2 =
0,157∙10-19 cl.
Por tanto, la carga eléctrica de un electrón. qoh = 0,157∙10 -19 Cl.
Carga específica de protones
q р /m р = 0,743∙10 -17 [C] /1,672∙10 -27 [kg] = 0,444∙10 10 C /kg.
Carga de electrones específica
q e / m e = 0,157∙10 -19 [C] /0,911∙10 -31 [kg] = 0,172∙10 12 C /kg.
Los valores obtenidos de las cargas eléctricas del protón y del electrón son estimaciones y no tienen estatus fundamental. Esto se debe al hecho de que los parámetros geométricos y físicos de un protón y un electrón en el par protón-electrón son interdependientes y están determinados por la ubicación del par protón-electrón en el átomo de una sustancia y están regulados por la ley de conservación del momento angular. Cuando cambia el radio de la órbita de movimiento del electrón, la masa del protón y del electrón y, en consecuencia, la velocidad de rotación alrededor de su propio eje de rotación cambian en consecuencia. Dado que la carga eléctrica es proporcional a la masa, un cambio en la masa de un protón o electrón conducirá, en consecuencia, a un cambio en sus cargas eléctricas.
Así, en todos los átomos de una sustancia, las cargas eléctricas de protones y electrones difieren entre sí y tienen su propio significado específico, sin embargo, en una primera aproximación, sus valores pueden estimarse como los valores de la carga eléctrica. del protón y del electrón del átomo de hidrógeno, definidos anteriormente. Además, esta circunstancia indica que la carga eléctrica de un átomo de una sustancia es su característica única, que puede utilizarse para identificarla.
Conociendo la magnitud de las cargas eléctricas de un protón y un electrón de un átomo de hidrógeno, se pueden estimar las fuerzas electromagnéticas que aseguran la estabilidad del átomo de hidrógeno.
Según la ley de Coulomb modificada, la fuerza de atracción eléctrica FPR será igual
Fpr = k (q 1 - q 2) 2 / r 2, en q 1 ≠ q 2,
donde q 1 es la carga eléctrica de un protón, q 2 es la carga eléctrica de un electrón, r es el radio del átomo.
Fpr =(1/4πε 0)(q 1 - q 2) 2 / r 2 = (1/4π 8.85418781762039 10 −12 F m −1)
- (0.743∙10 -17 C - 0.157∙10 -19 C) 2 /(5.2917720859·10 −11 ) 2 = 0.1763·10 -3 N.
En un átomo de hidrógeno, sobre un electrón actúa una fuerza de atracción eléctrica (Coulomb) igual a 0,1763·10 -3 N. Dado que el átomo de hidrógeno está en un estado estable, la fuerza de repulsión magnética también es igual a 0,1763·10 -3 N ... A modo de comparación, toda la literatura científica y educativa proporciona un cálculo de la fuerza de interacción eléctrica, por ejemplo, que da el resultado 0,923·10 -7 N. El cálculo dado en la literatura es incorrecto, ya que se basa en los errores discutidos. arriba.
La física moderna afirma que la energía mínima necesaria para extraer un electrón de un átomo se llama energía de ionización o energía de enlace, que para un átomo de hidrógeno es de 13,6 eV. Estimemos la energía de enlace de un protón y un electrón en un átomo de hidrógeno en función de los valores obtenidos de la carga eléctrica del protón y el electrón.
Est. = F pr ·r n = 0,1763·10 -3 · 6,24151·10 18 eV/m · 5,2917720859·10 −11 = 58271 eV.
La energía de enlace de un protón y un electrón en un átomo de hidrógeno es 58,271 KeV.
El resultado obtenido indica la incorrección del concepto de energía de ionización y la falacia del segundo postulado de Bohr: “ La emisión de luz ocurre cuando un electrón pasa de un estado estacionario con mayor energía a un estado estacionario con menor energía. La energía del fotón emitido es igual a la diferencia entre las energías de los estados estacionarios”. En el proceso de excitación de un par protón-electrón bajo la influencia de factores externos, el electrón se desplaza (se aleja) del protón en una cierta cantidad, cuyo valor máximo está determinado por la energía de ionización. Una vez que el par protón-electrón genera fotones, el electrón regresa a su órbita anterior.
Estimemos la magnitud del desplazamiento máximo de electrones tras la excitación de un átomo de hidrógeno por algún factor externo con una energía de 13,6 eV.
El radio del átomo de hidrógeno será igual a 5,29523·10 −11, es decir, aumentará aproximadamente un 0,065%.
Carga eléctrica de un fotón. Según el concepto eterodinámico, un fotón es: una partícula elemental, que es un vórtice toroidal cerrado de éter densificado con un movimiento anular del toro (como una rueda) y un movimiento helicoidal en su interior, que lleva a cabo un movimiento cicloidal de traslación (a lo largo de una trayectoria helicoidal), provocado por momentos giroscópicos de su Rotación propia y rotación a lo largo de una trayectoria circular y destinada a la transferencia de energía.
Basado en la estructura del fotón como un cuerpo de vórtice toroidal que se mueve a lo largo de una trayectoria helicoidal, donde r γ λ es el radio exterior, m γ λ es la masa, ω γ λ es la frecuencia natural de rotación, la carga eléctrica del fotón se puede representar de la siguiente manera.
Para simplificar los cálculos, asumimos que la longitud del flujo de éter en el cuerpo del fotón r = 2π r γ λ ,
u = ω γ λ r γ λ , r 0 λ = 0,2 r γ λ es el radio de la sección transversal del cuerpo del fotón.
q γ λ = (1/k) 1/2 ω γ λ r γ λ 2πr γ λ (m λ /V · V/2πr γ λ) 1/2 = (1/k) 1/2 ω γ λ r γ λ (m λ 2πr γ λ) 1/2 =
= (4πε 0) 1/2 ω γ λ r γ λ (m λ 2πr γ λ) 1/2 = 2π(2ε 0) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ) 1/2 ,
q γ λ = 2 π (2 ε 0 ) 1/2 ω γ λ (metro λ r 3 γ λ ) 1/2 . (4)
La expresión (4) representa la carga eléctrica del fotón sin tener en cuenta el movimiento a lo largo de una trayectoria circular. Los parámetros ε 0, m λ, r γ λ son casi constantes, es decir variables cuyos valores cambian de manera insignificante (fracciones de %) a lo largo de todo el rango de existencia del fotón (de infrarrojo a gamma). Esto significa que la carga eléctrica del fotón es función de la frecuencia de rotación alrededor de su propio eje. Como se muestra en el trabajo, la relación entre las frecuencias de un fotón gamma ω γ λ Г y un fotón infrarrojo ω γ λ И es del orden de ω γ λ Г /ω γ λ И ≈ 1000, y el valor de la frecuencia del fotón La propia carga eléctrica también cambia en consecuencia. En las condiciones modernas, esta cantidad no se puede medir y, por lo tanto, sólo tiene significado teórico.
Según la definición de fotón, tiene un movimiento helicoidal complejo, que puede descomponerse en movimiento a lo largo de una trayectoria circular y rectilíneo. Para estimar el valor total de la carga eléctrica del fotón, es necesario tener en cuenta el movimiento a lo largo de una trayectoria circular. En este caso, la carga eléctrica del fotón se distribuye a lo largo de esta trayectoria circular. Teniendo en cuenta la periodicidad del movimiento, en la que el paso de la trayectoria helicoidal se interpreta como la longitud de onda del fotón, podemos hablar de la dependencia del valor de la carga eléctrica total del fotón de su longitud de onda.
De la esencia física de una carga eléctrica se deduce que la magnitud de una carga eléctrica es proporcional a su masa y, por tanto, a su volumen. Por tanto, la carga eléctrica del fotón es proporcional al volumen corporal del fotón (V γ λ). De manera similar, la carga eléctrica total de un fotón, teniendo en cuenta su movimiento a lo largo de una trayectoria circular, será proporcional al volumen (V λ) que formará un fotón que se mueve a lo largo de una trayectoria circular.
q λ = q γ λ V λ /V γ λ = q γ λ 2π 2 R λ r 2 γ λ /2π 2 Lr 3 γ λ = q γ λ R λ / L 2 r γ λ ,
q λ = q γ λ R λ / l 2 r γ λ . (5)
donde L = r 0γλ /r γλ es el parámetro de la estructura del fotón, igual a la relación entre el radio de la sección transversal y el radio exterior del cuerpo del fotón (≈ 0,2), V T = 2π 2 R r 2 es el volumen del toro , R es el radio del círculo de rotación de la generatriz del círculo del toro; r es el radio de la generatriz del círculo del toro.
q λ = q γ λ R λ / l 2 r γ λ = 2π(2ε 0) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ) 1/2 R λ / l 2 r γ λ ,
q λ = 2 π (2 ε 0 ) 1/2 ω γ λ (metro λ r γ λ ) 1/2 R λ / l 2 . (6)
La expresión (6) representa la carga eléctrica total del fotón. Debido a la dependencia de la carga eléctrica total de los parámetros geométricos del fotón, cuyos valores se conocen actualmente con un gran error, no es posible obtener el valor exacto de la carga eléctrica mediante cálculo. Sin embargo, su valoración permite extraer una serie de conclusiones teóricas y prácticas importantes.
Para datos del trabajo, es decir en λ = 225 nm, ω γ λ ≈ 6,6641·10 30 r/s,
metro λ≈ 10-40 kg, r γ λ ≈ 10-20 metros, R λ ≈ 0,179 · 10 -16 m, l≈ 0,2, obtenemos el valor de la carga eléctrica total del fotón:
q λ = 0, 786137 ·10-19 cl.
El valor obtenido de la carga eléctrica total de un fotón con una longitud de onda de 225 nm concuerda bien con el valor medido por R. Millikan (1.592·10 -19 C), que luego se convirtió en una constante fundamental, teniendo en cuenta el hecho que su valor corresponde a la carga eléctrica de dos fotones. Duplica la carga eléctrica calculada del fotón:
2q λ = 1,57227·10-19Cl,
en el Sistema Internacional de Unidades (SI), la carga eléctrica elemental es igual a 1,602 176 6208(98) 10 −19 C. El valor duplicado de la carga eléctrica elemental se debe a que el par protón-electrón, por su simetría, siempre genera dos fotones. Esta circunstancia se confirma experimentalmente por la existencia de un proceso como la aniquilación de un par electrón-positrón, es decir. en el proceso de destrucción mutua de un electrón y un positrón, tienen tiempo de generarse dos fotones, así como la existencia de dispositivos tan conocidos como fotomultiplicadores y láseres.
Conclusiones. Así, en este trabajo se demuestra que la carga eléctrica es una propiedad fundamental de la naturaleza, que juega un papel importante en la comprensión de la esencia de las partículas elementales, los átomos y otras estructuras del micromundo.
La esencia éter-dinámica de la carga eléctrica nos permite proporcionar una justificación para la interpretación de las estructuras, propiedades y parámetros de las partículas elementales que difieren de los conocidos por la física moderna.
Basado en el modelo dinámico del éter del átomo de hidrógeno y la esencia física de la carga eléctrica, se dan estimaciones calculadas de las cargas eléctricas de un protón, un electrón y un fotón.
Los datos sobre el protón y el electrón, debido a la falta de confirmación experimental por el momento, son de naturaleza teórica, sin embargo, teniendo en cuenta el error, pueden utilizarse tanto en teoría como en la práctica.
Los datos del fotón concuerdan con los resultados de experimentos conocidos sobre la medición de la magnitud de la carga eléctrica y justifican la representación errónea de la carga eléctrica elemental.
Literatura:
- Lyamin V. S., Lyamin D. V. Esencia física de la carga eléctrica.
- Kasterin N. P. Generalización de las ecuaciones básicas de aerodinámica y electrodinámica.
(Parte aerodinámica). Problemas de hidrodinámica física / Colección de artículos ed. Académico de la Academia de Ciencias de la BSSR A.V. Likova. – Minsk: Instituto de Transferencia de Calor y Masa de la Academia de Ciencias de la BSSR, 1971, p. 268 – 308. - Atsiukovsky V.A. Dinámica general del éter. Modelado de las estructuras de la materia y los campos a partir del concepto de éter gaseoso. Segunda edicion. M.: Energoatomizdat, 2003. 584 p.
- Emelyanov V. M. Modelo estándar y sus ampliaciones. - M.: Fizmatlit, 2007. - 584 p.
- Cerrar F. Introducción a los quarks y partones. - M.: Mir, 1982. - 438 p.
- Akhiezer A I, Rekalo M P “Carga eléctrica de partículas elementales” UFN 114 487–508 (1974). .
- Enciclopedia física. En 5 volúmenes. - M.: Enciclopedia soviética. Editor en jefe A. M. Prokhorov. 1988.
Lyamina V.S. , Lyamin D. V. Lvov
Capítulo 9. Cargos elementales. electrón y protón
§ 9.1. Masa y carga electromagnética. Pregunta sobre la esencia de la carga.
En el Capítulo 5, descubrimos el mecanismo de la inercia, explicamos qué es la "masa inercial" y qué fenómenos eléctricos y propiedades de las cargas elementales la determinan. En el Capítulo 7 hicimos lo mismo con el fenómeno de la gravedad y la "masa gravitacional". Resultó que tanto la inercia como la gravedad de los cuerpos están determinadas por el tamaño geométrico de las partículas elementales y su carga. Dado que el tamaño geométrico es un concepto familiar, fenómenos tan fundamentales como la inercia y la gravedad se basan en una sola entidad poco estudiada: la "carga". Hasta ahora, el concepto de “carga” es misterioso y casi místico. Al principio, los científicos se ocuparon únicamente de cargas macroscópicas, es decir, Cargas de cuerpos macroscópicos. Al comienzo del estudio de la electricidad en la ciencia, se utilizaron ideas sobre "fluidos eléctricos" invisibles, cuyo exceso o deficiencia conduce a la electrificación de los cuerpos. Durante mucho tiempo, el debate se centró únicamente en si se trataba de un líquido o de dos: positivo y negativo. Luego descubrieron que existen portadores de carga "elementales", electrones y átomos ionizados, es decir. átomos con un electrón sobrante o un electrón faltante. Incluso más tarde se descubrieron los portadores de carga positiva "más elementales": los protones. Luego resultó que hay muchas partículas "elementales" y muchas de ellas tienen carga eléctrica, y en términos de magnitud esta carga siempre es
es un múltiplo de alguna porción mínima detectable de carga q 0 ≈ 1.602 10− 19 C. Este
parte se denominó “carga elemental”. La carga determina en qué medida un cuerpo participa en interacciones eléctricas y, en particular, en interacciones electrostáticas. Hasta la fecha no existe una explicación inteligible de qué es una carga elemental. Cualquier razonamiento sobre el tema de que una carga se compone de otras cargas (por ejemplo, quarks con valores de carga fraccionarios) no es una explicación, sino una “difuminación” escolástica del problema.
Intentemos pensar en las cargas nosotros mismos, utilizando lo que ya hemos establecido anteriormente. Recordemos que la principal ley establecida para las cargas es la ley de Coulomb: la fuerza de interacción entre dos cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de las magnitudes de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Resulta que si derivamos la ley de Coulomb a partir de algún mecanismo físico específico ya estudiado, daremos un paso adelante para comprender la esencia de las cargas. Ya hemos dicho que las cargas elementales, en términos de interacción con el mundo exterior, están completamente determinadas por su campo eléctrico: su estructura y su movimiento. Y dijeron que después de la explicación de la inercia y la gravedad, en las cargas elementales no quedaba nada excepto un campo eléctrico en movimiento. Y el campo eléctrico no es más que los estados perturbados del vacío, del éter, del pleno. Bueno, ¡seamos coherentes e intentemos reducir el electrón y su carga a un campo en movimiento! Ya intuimos en el capítulo 5 que un protón es completamente similar a un electrón, excepto por el signo de su carga y su tamaño geométrico. Si, al reducir el electrón a un campo en movimiento, vemos que podemos explicar tanto el signo de la carga como la independencia de la cantidad de carga de las partículas con respecto al tamaño, entonces nuestra tarea estará completa, al menos en una primera aproximación.
§ 9.2. Corrientes extrañas y olas extrañas. electrón plano
Primero, consideremos una situación modelo extremadamente simplificada (figura 9.1) de una carga anular que se mueve a lo largo de una trayectoria circular de radio r 0. Y déjalo en general
eléctricamente neutral, es decir. en su centro hay una carga de signo opuesto. Este es el llamado "electrón plano". No afirmamos que esto sea un electrón real, solo estamos tratando de comprender por ahora si es posible obtener un objeto eléctricamente neutro equivalente a una carga elemental libre en un caso plano y bidimensional. Intentemos crear nuestra carga a partir de las cargas asociadas del éter (vacío, pleno). Para ser más precisos, supongamos que la carga del anillo sea negativa y que el anillo se mueva en el sentido de las agujas del reloj (figura 9.1). En este caso, la corriente It fluye en sentido antihorario. Seleccionemos pequeño
elemento del anillo con carga dq y le asignamos una pequeña longitud dl. Es obvio que en cada momento el elemento dq se mueve con rapidez tangencial v t y aceleración normal a n. A tal movimiento podemos asociar la corriente total del elemento dI -
cantidad vectorial. Este valor se puede representar como una corriente tangencial constante dI t, que "gira" constantemente su dirección con el flujo.
el tiempo, es decir, acelerado. Es decir, tener aceleración normal dI&norte. Dificultad
Una mayor consideración se debe al hecho de que hasta ahora en física hemos considerado principalmente corrientes alternas cuya aceleración está en la misma línea recta que la dirección de la corriente misma. En este caso, la situación es diferente: la actual perpendicular a su aceleración. ¿Y qué? ¿Invalida esto leyes de la física previamente firmemente establecidas?
Arroz. 9.1. Corriente de anillo y su efecto de fuerza sobre la carga de prueba.
Así como su campo magnético está asociado con la propia corriente elemental (según la ley de Biot-Savart-Laplace), la aceleración de la corriente elemental está asociada con el campo eléctrico de inducción, como mostramos en capítulos anteriores. Estos campos ejercen una acción de fuerza F sobre la carga externa q (figura 9.1). Dado que el radio r 0 es finito, entonces las acciones
Las corrientes elementales de la mitad derecha (según la figura) del anillo no pueden compensarse completamente mediante el efecto opuesto de las corrientes elementales de la mitad izquierda.
Por lo tanto, entre la corriente de anillo I y la carga de prueba externa q debe
Surge la interacción de fuerzas.
Como resultado, descubrimos que podemos crear especulativamente un objeto que, en su conjunto, será completamente eléctricamente neutro en su construcción, pero que contendrá una corriente anular. ¿Qué es una corriente anular en el vacío? Ésta es la corriente sesgada. Podemos imaginarlo como un movimiento circular de cargas de vacío negativas (o viceversa, positivas) asociadas con el resto completo de las cargas opuestas ubicadas
V centro. También se puede imaginar como un movimiento circular conjunto de cargas unidas positivas y negativas, pero a diferentes velocidades, o a lo largo de diferentes radios o
V lados diferentes... En última instancia, no importa cómo miremos la situación, será
reducir a un campo eléctrico giratorio E, cerrado en un círculo . Esto crea un campo magnético. B, asociado con el hecho de que las corrientes fluyen y cr adicionales, no limitados en campo eléctrico hom Eind , debido a que estas corrientes acelerado.
¡Esto es exactamente lo que observamos cerca de cargas elementales reales (por ejemplo, electrones)! Aquí está nuestra fenomenología de la llamada interacción "electrostática". No se requieren cargas libres (con valores de carga fraccionarios u otros valores) para formar un electrón. es suficiente solo cargas de vacío ligadas! Recuerde que, según los conceptos modernos, un fotón también está formado por un campo eléctrico en movimiento y, por lo general, es eléctricamente neutro. Si un fotón se "dobla" formando un anillo, entonces tendrá carga, ya que su campo eléctrico ahora no se moverá de forma rectilínea y uniforme, sino acelerado. Ahora está claro cómo se forman las cargas de diferentes signos: si el campo E en el "modelo de anillo" (Fig. 9.1) se dirige desde el centro a la periferia de la partícula, entonces la carga es del mismo signo, si viceversa , luego del otro. Si abrimos un electrón (o positrón), creamos un fotón. En realidad, debido a la necesidad de conservar el momento angular, para convertir una carga en un fotón, es necesario tomar dos cargas opuestas, juntarlas y, finalmente, obtener dos fotones eléctricamente neutros. Este fenómeno (reacción de aniquilación) se observa realmente en experimentos. Así que eso es lo que es un cargo: es par de campo eléctrico! A continuación, intentaremos hacer fórmulas y cálculos y derivar la ley de Coulomb a partir de las leyes de inducción aplicadas al caso de la corriente de polarización alterna.
§ 9.3. La ley de Coulomb como consecuencia de la ley de inducción de Faraday
Demostremos que en una aproximación bidimensional (plana), un electrón en el sentido electrostático es equivalente al movimiento circular de una corriente, que es igual en magnitud a la corriente de carga q 0 que se mueve a lo largo de un radio r 0 con una velocidad igual a la velocidad de la luz c .
Para hacer esto, dividimos la corriente circular total I (Fig. 9.1) en corrientes elementales Idl, calculamos dE ind que actúa en el punto donde se encuentra la carga de prueba q y la integramos sobre el anillo.
Entonces, la corriente que fluye en nuestro caso a través del anillo es igual a:
(9.1) I = q 0 v = q 0 c . 2 π r 0 2 π r 0
Como esta corriente es curvilínea, es decir, acelerada, es
variables:
I. Misyuchenko |
El último secreto de Dios |
|||||||
dt 2 π r |
2πr |
|||||||
donde a es la aceleración centrípeta que experimenta cada elemento actual cuando se mueve en círculo con velocidad c.
Sustituyendo la expresión conocida de la cinemática por la aceleración a = c 2, obtenemos: r 0
q0 c2 |
||||||
2πr |
2πr2 |
|||||
Está claro que la derivada del elemento actual se expresará mediante la fórmula:
dl = |
q0 c2 |
dl. |
|||||
2πr |
2πr2 |
||||||
Como se desprende de la ley de Biot-Savart-Laplace, cada elemento actual Idl crea un campo magnético "elemental" en el punto donde se encuentra la carga de prueba:
(9,5) dB = |
yo[dl,rr] |
|||
Del Capítulo 4 se sabe que el campo magnético alterno de una corriente elemental genera uno eléctrico:
(9.6) dE r = v r B dB r = |
μ 0 |
|||||||||
yo[dl,r] |
||||||||||
Ahora sustituyamos en esta expresión el valor de la derivada de la corriente circular elemental de (9.4):
dl pecado(β) |
|||||||||||
dE = |
|||||||||||
2πr2 |
|||||||||||
Queda por integrar estas intensidades de campos eléctricos elementales a lo largo del contorno actual, es decir, a lo largo de todo dl que hemos identificado en el círculo:
q0 c2 |
pecado(β) |
r 2 ∫ |
pecado(β) |
||||||||
mi = ∫ dmi = ∫ 8 π |
2πr2 |
dl = |
16 π 2 ε |
dl. |
|||||||
Es fácil ver (figura 9.1) que la integración entre ángulos dará:
(9.9) ∫ |
pecado(β) |
4πr2 |
|||
dl = 2πr0 |
r 2 0 |
r 2 0 . |
En consecuencia, el valor total de la intensidad del campo eléctrico de inducción E ind de nuestra corriente curvilínea en el punto donde se encuentra la carga de prueba será igual.
Hasta principios del siglo XX, los científicos creían que el átomo era la partícula indivisible más pequeña de la materia, pero resultó ser incorrecto. De hecho, en el centro del átomo se encuentra su núcleo con protones cargados positivamente y neutrones neutros, y los electrones cargados negativamente giran en orbitales alrededor del núcleo (este modelo del átomo fue propuesto en 1911 por E. Rutherford). Es de destacar que las masas de protones y neutrones son casi iguales, pero la masa de un electrón es aproximadamente 2000 veces menor.
Aunque un átomo contiene partículas cargadas tanto positiva como negativamente, su carga es neutra, porque un átomo tiene la misma cantidad de protones y electrones, y las partículas con cargas diferentes se neutralizan entre sí.
Más tarde, los científicos descubrieron que los electrones y los protones tienen la misma cantidad de carga, igual a 1,6 · 10 -19 C (C es un culombio, una unidad de carga eléctrica en el sistema SI.
¿Alguna vez has pensado en la pregunta: ¿cuántos electrones corresponde a una carga de 1 C?
1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 electrones
Energia electrica
Las cargas eléctricas se influyen entre sí, lo que se manifiesta en la forma. fuerza eléctrica.
Si un cuerpo tiene un exceso de electrones, tendrá una carga eléctrica totalmente negativa, y viceversa: si hay una deficiencia de electrones, el cuerpo tendrá una carga eléctrica total positiva.
Por analogía con las fuerzas magnéticas, cuando los polos con carga similar se repelen y los polos con carga opuesta se atraen, las cargas eléctricas se comportan de manera similar. Sin embargo, en física no basta con hablar simplemente de la polaridad de una carga eléctrica: su valor numérico es importante.
Para conocer la magnitud de la fuerza que actúa entre cuerpos cargados, es necesario conocer no sólo la magnitud de las cargas, sino también la distancia entre ellas. La fuerza de gravitación universal ya ha sido considerada anteriormente: F = (Gm 1 m 2)/R 2
- metro 1, metro 2- masas corporales;
- R- la distancia entre los centros de los cuerpos;
- G = 6,67·10-11 Nm2/kg- constante gravitacional universal.
Como resultado de experimentos de laboratorio, los físicos derivaron una fórmula similar para la fuerza de interacción de cargas eléctricas, que se llamó ley de Coulomb:
F = kq 1 q 2 /r 2
- q 1, q 2 - cargas que interactúan, medidas en C;
- r es la distancia entre cargas;
- k - coeficiente de proporcionalidad ( SI: k=8,99 · 109 Nm2Cl2; SSSE:k=1).
- k=1/(4πε 0).
- ε 0 ≈8.85·10 -12 C 2 N -1 m -2 - constante eléctrica.
Según la ley de Coulomb, si dos cargas tienen el mismo signo, entonces la fuerza F que actúa entre ellas es positiva (las cargas se repelen); si las cargas tienen signos opuestos, la fuerza que actúa es negativa (las cargas se atraen entre sí).
La magnitud de la fuerza de una carga de 1 C se puede juzgar mediante la ley de Coulomb. Por ejemplo, si suponemos que dos cargas, cada una de 1 C, están espaciadas a una distancia de 10 metros entre sí, entonces se repelerán con fuerza:
F = kq 1 q 2 /r 2 F = (8,99 10 9) 1 1/(10 2) = -8,99 10 7 N
Se trata de una fuerza bastante grande, aproximadamente comparable a una masa de 5.600 toneladas.
Usemos ahora la ley de Coulomb para averiguar a qué velocidad lineal gira el electrón en un átomo de hidrógeno, suponiendo que se mueve en una órbita circular.
Según la ley de Coulomb, la fuerza electrostática que actúa sobre un electrón se puede equiparar a la fuerza centrípeta:
F = kq 1 q 2 /r 2 = mv 2 /r
Teniendo en cuenta que la masa del electrón es 9,1·10 -31 kg y el radio de su órbita = 5,29·10 -11 m, obtenemos el valor 8,22·10 -8 N.
Ahora podemos encontrar la velocidad lineal del electrón:
8,22·10 -8 = (9,1·10 -31)v 2 /(5,29·10 -11) v = 2,19·10 6 m/s
Así, el electrón del átomo de hidrógeno gira alrededor de su centro a una velocidad de aproximadamente 7,88 millones de km/h.
Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento químico que conserva todas sus propiedades químicas. Un átomo consta de un núcleo, que tiene una carga eléctrica positiva, y electrones cargados negativamente. La carga del núcleo de cualquier elemento químico es igual al producto de Z y e, donde Z es el número de serie de este elemento en el sistema periódico de elementos químicos, e es el valor de la carga eléctrica elemental.
Electrón es la partícula más pequeña de una sustancia con carga eléctrica negativa e=1,6·10 -19 culombios, tomada como carga eléctrica elemental. Los electrones que giran alrededor del núcleo se encuentran en las capas de electrones K, L, M, etc. K es la capa más cercana al núcleo. El tamaño de un átomo está determinado por el tamaño de su capa electrónica. Un átomo puede perder electrones y convertirse en un ion positivo o ganar electrones y convertirse en un ion negativo. La carga de un ion determina la cantidad de electrones perdidos o ganados. El proceso de convertir un átomo neutro en un ion cargado se llama ionización.
Núcleo atómico(la parte central del átomo) consta de partículas nucleares elementales: protones y neutrones. El radio del núcleo es aproximadamente cien mil veces menor que el radio del átomo. La densidad del núcleo atómico es extremadamente alta. protones- Se trata de partículas elementales estables con una única carga eléctrica positiva y una masa 1836 veces mayor que la masa de un electrón. Un protón es el núcleo de un átomo del elemento más ligero, el hidrógeno. El número de protones en el núcleo es Z. Neutrón Es una partícula elemental neutra (sin carga eléctrica) con una masa muy cercana a la masa de un protón. Dado que la masa del núcleo consiste en la masa de protones y neutrones, el número de neutrones en el núcleo de un átomo es igual a A - Z, donde A es el número de masa de un isótopo dado (ver). El protón y el neutrón que forman el núcleo se llaman nucleones. En el núcleo, los nucleones están conectados por fuerzas nucleares especiales.
El núcleo atómico contiene una enorme reserva de energía que se libera durante las reacciones nucleares. Las reacciones nucleares ocurren cuando los núcleos atómicos interactúan con partículas elementales o con los núcleos de otros elementos. Como resultado de reacciones nucleares, se forman nuevos núcleos. Por ejemplo, un neutrón puede transformarse en un protón. En este caso, una partícula beta, es decir, un electrón, es expulsada del núcleo.
La transición de un protón a un neutrón en el núcleo se puede realizar de dos maneras: o se emite una partícula con una masa igual a la masa del electrón, pero con una carga positiva, llamada positrón (desintegración de positrones). el núcleo, o el núcleo captura uno de los electrones de la capa K más cercana a él (captura K).
En ocasiones, el núcleo resultante tiene un exceso de energía (está en estado excitado) y, al volver al estado normal, libera el exceso de energía en forma de radiación electromagnética de longitud de onda muy corta. La energía liberada durante las reacciones nucleares se utiliza prácticamente en diversas industrias.
Un átomo (del griego atomos - indivisible) es la partícula más pequeña de un elemento químico que tiene sus propiedades químicas. Cada elemento está formado por un tipo específico de átomo. El átomo consta de un núcleo, que lleva una carga eléctrica positiva, y electrones cargados negativamente (ver), que forman sus capas electrónicas. La magnitud de la carga eléctrica del núcleo es igual a Z-e, donde e es la carga eléctrica elemental igual en magnitud a la carga del electrón (4,8·10 -10 unidades eléctricas), y Z es el número atómico de este elemento en la tabla periódica de elementos químicos (ver .). Dado que un átomo no ionizado es neutro, el número de electrones que contiene también es igual a Z. La composición del núcleo (ver Núcleo atómico) incluye nucleones, partículas elementales con una masa aproximadamente 1840 veces mayor que la masa del electrón. (igual a 9,1 · 10 - 28 g), protones (ver), con carga positiva y neutrones sin carga (ver). El número de nucleones en el núcleo se llama número de masa y se designa con la letra A. El número de protones en el núcleo, igual a Z, determina el número de electrones que ingresan al átomo, la estructura de las capas de electrones y la química. propiedades del átomo. El número de neutrones en el núcleo es A-Z. Los isótopos son variedades de un mismo elemento, cuyos átomos difieren entre sí en el número de masa A, pero tienen el mismo Z. Así, en los núcleos de átomos de diferentes isótopos del mismo elemento hay diferentes números de neutrones con el mismo número de protones. Al denotar isótopos, el número másico A se escribe encima del símbolo del elemento y el número atómico debajo; por ejemplo, los isótopos de oxígeno se denominan: 
Las dimensiones de un átomo están determinadas por las dimensiones de las capas de electrones y son para todo Z un valor del orden de 10 -8 cm, ya que la masa de todos los electrones de un átomo es varios miles de veces menor que la masa del núcleo. , la masa del átomo es proporcional al número másico. La masa relativa de un átomo de un isótopo dado se determina en relación con la masa de un átomo del isótopo de carbono C12, tomada en 12 unidades, y se denomina masa del isótopo. Resulta estar cerca del número másico del isótopo correspondiente. El peso relativo de un átomo de un elemento químico es el valor promedio (teniendo en cuenta la abundancia relativa de isótopos de un elemento dado) del peso isotópico y se llama peso atómico (masa).
El átomo es un sistema microscópico, y su estructura y propiedades sólo pueden explicarse mediante la teoría cuántica, creada principalmente en los años 20 del siglo XX y destinada a describir fenómenos a escala atómica. Los experimentos han demostrado que las micropartículas (electrones, protones, átomos, etc.) además de las corpusculares, tienen propiedades ondulatorias, que se manifiestan en difracción e interferencia. En la teoría cuántica, para describir el estado de los microobjetos, se utiliza un determinado campo de ondas, caracterizado por una función de onda (función Ψ). Esta función determina las probabilidades de posibles estados de un microobjeto, es decir, caracteriza las posibilidades potenciales para la manifestación de algunas de sus propiedades. La ley de variación de la función Ψ en el espacio y el tiempo (ecuación de Schrodinger), que permite encontrar esta función, desempeña en la teoría cuántica el mismo papel que las leyes del movimiento de Newton en la mecánica clásica. Resolver la ecuación de Schrödinger en muchos casos conduce a posibles estados discretos del sistema. Así, por ejemplo, en el caso de un átomo, se obtiene una serie de funciones de onda para electrones correspondientes a diferentes valores de energía (cuantizados). El sistema de niveles de energía atómica, calculado según los métodos de la teoría cuántica, ha recibido una brillante confirmación en espectroscopia. La transición de un átomo del estado fundamental correspondiente al nivel de energía más bajo E 0 a cualquiera de los estados excitados E i se produce tras la absorción de una cierta porción de energía E i - E 0 . Un átomo excitado pasa a un estado menos excitado o fundamental, generalmente emitiendo un fotón. En este caso, la energía del fotón hv es igual a la diferencia de energías del átomo en dos estados: hv = E i - E k donde h es la constante de Planck (6,62·10 -27 erg·s), v es la frecuencia de luz.
Además de los espectros atómicos, la teoría cuántica permitió explicar otras propiedades de los átomos. En particular, se explicó la valencia, la naturaleza de los enlaces químicos y la estructura de las moléculas, y se creó la teoría de la tabla periódica de los elementos.
