Mis on prootoni laeng füüsikas? Aatomi ehitus: tuum, neutron, prooton, elektron. Näited probleemide lahendamisest
See artikkel, mis põhineb elektrilaengu eterodünaamilisel olemusel ja elementaarosakeste struktuuridel, esitab prootoni, elektroni ja footoni elektrilaengute väärtuste arvutuse.
Valed teadmised on ohtlikumad kui teadmatus
J. B. Shaw
Sissejuhatus. Kaasaegses füüsikas on elektrilaeng elementaarosakeste üks olulisemaid omadusi ja lahutamatu omadus. Elektrilaengu füüsikalisest olemusest, mis on määratletud eterodünaamilise kontseptsiooni alusel, tuleneb rida omadusi, näiteks elektrilaengu suuruse proportsionaalsus selle kandja massiga; elektrilaengut ei kvantitata, vaid see kantakse üle kvantide (osakeste) abil; elektrilaengu suurus on kindla märgiga, see tähendab, et see on alati positiivne; mis seavad elementaarosakeste olemusele olulisi piiranguid. Nimelt: looduses pole elementaarosakesi, millel poleks elektrilaengut; Elementaarosakeste elektrilaengu suurus on positiivne ja suurem kui null. Füüsikalisest olemusest lähtuvalt määrab elektrilaengu suuruse elementaarosakese struktuuri moodustava eetri mass, voolukiirus ja nende geomeetrilised parameetrid. Elektrilaengu füüsikaline olemus ( elektrilaeng on eetri voolu mõõt) määratleb üheselt elementaarosakeste eterodünaamilise mudeli, välistades sellega ühelt poolt küsimuse elementaarosakeste struktuuri kohta ja teiselt poolt osutab elementaarosakeste standardi, kvargi ja muude mudelite vastuolulisusele.
Elektrilaengu suurus määrab ka elementaarosakeste elektromagnetilise vastasmõju intensiivsuse. Elektromagnetilise interaktsiooni abil toimub aatomites ja molekulides prootonite ja elektronide vastastikmõju. Seega määrab elektromagnetiline interaktsioon selliste mikroskoopiliste süsteemide stabiilse oleku võimaluse. Nende suuruse määrab oluliselt elektroni ja prootoni elektrilaengute suurus.
Kaasaegse füüsika ekslik tõlgendus omadustele, nagu positiivse ja negatiivse, elementaar-, diskreetse, kvantiseeritud elektrilaengu jne olemasolu, elektrilaengu suuruse mõõtmise katsete ebaõige tõlgendamine tõi kaasa hulga jämedaid vigu elementaarosakeses. füüsika (elektroni struktuuritus, footoni nullmass ja laeng, neutriino olemasolu, prootoni ja elektroni elektrilaengute absoluutväärtuse võrdsus elementaarlaengutega).
Eeltoodust järeldub, et elementaarosakeste elektrilaeng on tänapäeva füüsikas määrava tähtsusega mikrokosmose aluste mõistmisel ning nõuab nende väärtuste tasakaalustatud ja mõistlikku hindamist.
Looduslikes tingimustes on prootonid ja elektronid seotud olekus, moodustades prooton-elektron paare. Selle asjaolu väärarusaamine, samuti ekslik arusaam, et elektroni ja prootoni laengud on absoluutväärtuselt võrdsed elementaarlaengutega, on jätnud kaasaegse füüsika vastuseta küsimusele: mis on elektrilaengute tegelik väärtus. prootonist, elektronist ja footonist?
Prootoni ja elektroni elektrilaeng. Looduslikus olekus eksisteerib prooton-elektron paar keemilise elemendi vesinikuaatomi kujul. Teooria järgi: "Vesiiniaatom on aine taandumatu struktuuriüksus, mis juhib Mendelejevi perioodilisustabelit. Sellega seoses tuleks vesinikuaatomi raadius klassifitseerida põhikonstandiks. ... Arvutatud Bohri raadius on = 0,529 Å. See on oluline, kuna puuduvad otsesed meetodid vesinikuaatomi raadiuse mõõtmiseks. ... Bohri raadius on elektroni ringorbiidi ringi raadius ja see on määratletud täielikult kooskõlas mõiste "raadius" üldtunnustatud arusaamaga.
Samuti on teada, et prootoni raadiuse mõõtmised viidi läbi tavaliste vesinikuaatomite abil, mis andis (CODATA -2014) tulemuseks 0,8751 ± 0,0061 femtomeetrit (1 fm = 10 −15 m).
Prootoni (elektroni) elektrilaengu suuruse hindamiseks kasutame elektrilaengu üldavaldist:
q = (1/ k) 1/2 u r (ρ S) 1/2 , (1)
kus k = 1 / 4πε 0 – proportsionaalsustegur Coulombi seaduse avaldisest,
ε0 ≈ 8,85418781762039·10 −12 F m −1 – elektriline konstant; u – kiirus, ρ – eetri voolutihedus; S – prootoni (elektroni) keha ristlõige.
Teisendame avaldise (1) järgmiselt
q = (1/ k) 1/2 u r (Prl/ V) 1/2 ,
Kus V = r S – keha maht, m — elementaarosakese mass.
Prooton ja elektron on dutoonid: - struktuur, mis koosneb kahest torukujulisest kehast, mis on ühendatud tori külgpindadega ja mis on jaotustasandi suhtes sümmeetrilised, seega
q = (1/ k) 1/2 u r (m2 S T/2 V T) 1/2 ,
Kus S T- sektsioon, r- pikkus, V T = r ST— toruse maht.
q = (1/ k) 1/2 u r (mS T/ V T) 1/2 ,
q = (1/k) 1/2 u r (mS T /rS T) 1/2,
q = (1/ k) 1/2 u (härra) 1/2 . (2)
Avaldis (2) on prootoni (elektroni) elektrilaengu avaldise (1) modifikatsioon.
Olgu R 2 = 0,2 R 1 , kus R 1 on toruuse välimine ja R 2 sisemine raadius.
r= 2π 0,6 R 1 ,
vastavalt prootoni ja elektroni elektrilaeng
q = ( 1/ k) 1/2 u (m 2π 0,6 R 1 ) 1/2 ,
q= (2π 0,6 / k) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 ,
q= 2π ( 1.2 ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2
q = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 (3)
Avaldis (3) on prootoni ja elektroni elektrilaengu suuruse väljendamise vorm.
Kell u = 3∙10 8 m / с – eetri teine helikiirus, avaldis 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u = 2.19 π( 8,85418781762 10–12 F/m ) 1/2 3∙10 8 m / c = 0,6142∙ 10 4 m 1/2 F 1/2 s -1.
Oletame, et ülaltoodud struktuuris on prootoni (elektroni) raadius R 1 .
Prootoni puhul on teada, et m р = 1,672∙10 -27 kg, R 1 = r р = 0,8751∙10 -15 m, siis
qR = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u (m 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.
Seega prootoni elektrilaeng qR= 0,743∙10 -17 Cl.
Elektroni puhul on teada, et m e = 0,911∙10 -31 kg. Elektroni raadiuse määramiseks, eeldusel, et elektroni struktuur on sarnane prootoni struktuuriga ja eetri voo tihedus elektroni kehas on samuti võrdne eetri voo tihedusega prootoni kehas, kasutame teadaolev prootoni ja elektroni masside suhe, mis on võrdne
m r / m e = 1836,15.
Siis r r /r e = (m r /m e) 1/3 = 1836,15 1/3 = 12,245, st r e = r r /12,245.
Asendades elektroni andmed avaldisega (3), saame
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.
Seega elektroni elektrilaeng quh = 0,157∙10 -19 Cl.
Prootoni spetsiifiline laeng
q р /m р = 0,743∙10 -17 [C] /1,672∙10 -27 [kg] = 0,444°10 10 C /kg.
Elektroni erilaeng
q e / m e = 0,157∙10-19 [C] /0,911-10-31 [kg] = 0,172-10 12 C /kg.
Saadud prootoni ja elektroni elektrilaengute väärtused on hinnangulised ja neil ei ole põhiseisundit. See on tingitud asjaolust, et prooton-elektron paaris oleva prootoni ja elektroni geomeetrilised ja füüsikalised parameetrid on üksteisest sõltuvad ning need on määratud prooton-elektron paari asukohaga aine aatomis ning neid reguleerib seadus: nurkimpulsi säilitamine. Kui elektroni liikumisorbiidi raadius muutub, muutub vastavalt prootoni ja elektroni mass ning vastavalt ka pöörlemiskiirus ümber oma pöörlemistelje. Kuna elektrilaeng on võrdeline massiga, põhjustab prootoni või elektroni massi muutus vastavalt nende elektrilaengute muutumist.
Seega on aine kõigis aatomites prootonite ja elektronide elektrilaengud üksteisest erinevad ja neil on oma spetsiifiline tähendus, kuid esmalt saab nende väärtusi hinnata elektrilaengu väärtustena. vesinikuaatomi prootoni ja elektroni, nagu eespool defineeritud. Lisaks näitab see asjaolu, et aine aatomi elektrilaeng on selle ainulaadne omadus, mida saab kasutada selle tuvastamiseks.
Teades prootoni ja elektroni elektrilaengute suurust vesinikuaatomi puhul, saab hinnata elektromagnetilisi jõude, mis tagavad vesinikuaatomi stabiilsuse.
Modifitseeritud Coulombi seaduse järgi elektriline tõmbejõud Fpr saab olema võrdne
Fpr = k (q 1 - q 2) 2 / r 2, juures q 1 ≠ q 2,
kus q 1 on prootoni elektrilaeng, q 2 on elektroni elektrilaeng, r on aatomi raadius.
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.
Vesinikuaatomis mõjub elektronile elektriline (Coulombi) tõmbejõud, mis on võrdne 0,1763·10 -3 N. Kuna vesinikuaatom on stabiilses olekus, on ka magnetiline tõukejõud 0,1763·10 -3 N. Võrdluseks on kogu teadus- ja õppekirjanduses toodud näiteks elektrilise interaktsiooni jõu arvutus, mis annab tulemuseks 0,923 · 10 -7 N. Kirjanduses esitatud arvutus on vale, kuna see põhineb käsitletud vigadel eespool.
Kaasaegne füüsika väidab, et minimaalset energiat, mis on vajalik elektroni eemaldamiseks aatomist, nimetatakse ionisatsioonienergiaks ehk sidumisenergiaks, mis vesinikuaatomi puhul on 13,6 eV. Hinnakem prootoni ja elektroni sidumisenergiat vesinikuaatomis prootoni ja elektroni elektrilaengu saadud väärtuste põhjal.
E St. = F pr ·r n = 0,1763 · 10 -3 · 6,24151 · 10 18 eV/m · 5,2917720859 · 10 −11 = 58271 eV.
Prootoni ja elektroni sidumisenergia vesinikuaatomis on 58,271 KeV.
Saadud tulemus näitab ionisatsioonienergia kontseptsiooni ebaõiget ja Bohri teise postulaadi ekslikkust: " Valgusemissioon tekib siis, kui elektron läheb üle suurema energiaga statsionaarsest olekust madalama energiaga statsionaarsesse olekusse. Kiirgava footoni energia on võrdne statsionaarsete olekute energiate vahega. Prooton-elektron paari ergastamise protsessis väliste tegurite mõjul nihutatakse (nihutatakse) elektron prootonist teatud koguse võrra, mille maksimumväärtuse määrab ionisatsioonienergia. Pärast seda, kui prooton-elektron paar on tekitanud footonid, naaseb elektron oma eelmisele orbiidile.
Hindame elektronide maksimaalse nihke suurust vesinikuaatomi ergastamisel mingi välisteguriga energiaga 13,6 eV.
Vesinikuaatomi raadius võrdub 5,29523·10-11, st see suureneb ligikaudu 0,065%.
Footoni elektrilaeng. Eterodünaamilise kontseptsiooni kohaselt on footon: elementaarosake, mis on tihendatud eetri suletud toroidne keeris, millel on toru ringliikumine (nagu ratas) ja kruvi liikumine selle sees, mis teostab translatsioonilist tsükloidset liikumist (mööda kruvi trajektoori), mille põhjustavad selle güroskoopilised momendid oma pöörlemine ja pöörlemine mööda ringikujulist rada ning mõeldud energia ülekandmiseks .
Lähtudes footoni kui spiraalset trajektoori mööda liikuva toroidse keeriskeha ehitusest, kus r γ λ on välimine raadius, m γ λ on mass, ω γ λ on pöörlemise omasagedus, footoni elektrilaeng saab kujutada järgmiselt.
Arvutuste lihtsustamiseks eeldame footoni kehas eetri voolu pikkust r = 2π r γ λ ,
u = ω γ λ r γ λ , r 0 λ = 0,2 r γ λ on footoni keha ristlõike raadius.
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 (m λ r 3 γ λ ) 1/2 . (4)
Avaldis (4) tähistab footoni enda elektrilaengut, võtmata arvesse liikumist mööda ringteed. Parameetrid ε 0, m λ, r γ λ on kvaasikonstantsed, st. muutujad, mille väärtused muutuvad kogu footoni olemasolu jooksul (infrapunast gammani) ebaoluliselt (protsentides). See tähendab, et footoni enda elektrilaeng on funktsioon pöörlemissagedusest ümber tema enda telje. Nagu töös näidatud, on gammafootoni ω γ λ Г ja infrapuna footoni ω γ λ И sageduste suhe suurusjärgus ω γ λ Г /ω γ λ И ≈ 1000 ja fotoni väärtus vastavalt muutub ka enda elektrilaeng. Kaasaegsetes tingimustes ei saa seda suurust mõõta ja seetõttu on sellel ainult teoreetiline tähendus.
Footoni definitsiooni järgi on sellel keeruline spiraalne liikumine, mida saab lagundada liikumiseks mööda ringteed ja sirgjooneliselt. Footoni elektrilaengu koguväärtuse hindamiseks on vaja arvestada liikumist mööda ringteed. Sel juhul selgub, et footoni elektrilaeng jaotub mööda seda ringteed. Võttes arvesse liikumise perioodilisust, mille puhul spiraalse trajektoori astet tõlgendatakse footoni lainepikkusena, saame rääkida footoni koguelektrilaengu väärtuse sõltuvusest selle lainepikkusest.
Elektrilaengu füüsikalisest olemusest järeldub, et elektrilaengu suurus on võrdeline selle massiga ja seega ka ruumalaga. Seega on footoni enda elektrilaeng võrdeline footoni enda kehamahuga (V γ λ). Samamoodi on footoni kogu elektrilaeng, võttes arvesse selle liikumist mööda ringikujulist rada, võrdeline ruumalaga (V λ), mis moodustab mööda ringteed liikuva footoni.
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)
kus L = r 0γλ /r γλ on footoni struktuuri parameeter, mis on võrdne footoni keha ristlõike raadiuse ja välisraadiuse suhtega (≈ 0,2), V T = 2π 2 R r 2 on toruse ruumala , R on toruuse generatriksi pöörlemisringi raadius; r on torusringi generatriksi raadius.
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 (m λ r γ λ ) 1/2 R λ / L 2 . (6)
Avaldis (6) tähistab footoni kogu elektrilaengut. Kogu elektrilaengu sõltuvuse tõttu footoni geomeetrilistest parameetritest, mille väärtused on praegu teada suure veaga, ei ole võimalik elektrilaengu täpset väärtust arvutustega saada. Selle hinnang võimaldab aga teha mitmeid olulisi teoreetilisi ja praktilisi järeldusi.
Tööst pärit andmete jaoks, s.o. λ = 225 nm juures, ω γ λ ≈ 6,6641·10 30 p/s,
m λ≈ 10–40 kg, r γ λ ≈ 10–20 m, R λ ≈ 0,179·10–16 m, L≈ 0,2, saame footoni kogu elektrilaengu väärtuse:
q λ = 0, 786137 ·10 -19 Cl.
Saadud 225 nm lainepikkusega footoni elektrilaengu summaarne väärtus ühtib hästi R. Millikani mõõdetud väärtusega (1,592·10 -19 C), millest sai hiljem põhikonstandi, võttes arvesse asjaolu et selle väärtus vastab kahe footoni elektrilaengule. Footoni arvutatud elektrilaeng kahekordistub:
2q λ = 1,57227·10-19 Cl,
Rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis (SI) on elementaarelektrilaeng võrdne 1,602 176 6208(98) 10 −19 C. Elementaarse elektrilaengu kahekordistunud väärtus on tingitud sellest, et prooton-elektron paar genereerib oma sümmeetria tõttu alati kaks footonit. Seda asjaolu kinnitab eksperimentaalselt sellise protsessi olemasolu nagu elektron-positroni paari annihilatsioon, s.o. elektroni ja positroni vastastikuse hävitamise protsessis on aega kahe footoni tekkeks, aga ka selliste tuntud seadmete olemasolu nagu fotokordistajad ja laserid.
Järeldused. Niisiis on selles töös näidatud, et elektrilaeng on looduse põhiomadus, mängides olulist rolli elementaarosakeste, aatomite ja muude mikromaailma struktuuride olemuse mõistmisel.
Elektrilaengu eeter-dünaamiline olemus võimaldab meil anda põhjenduse elementaarosakeste struktuuride, omaduste ja parameetrite tõlgendamiseks, mis erinevad tänapäeva füüsikale teadaolevatest.
Vesinikuaatomi eeter-dünaamilise mudeli ja elektrilaengu füüsikalise olemuse alusel on antud arvutuslikud hinnangud prootoni, elektroni ja footoni elektrilaengute kohta.
Prootoni ja elektroni andmed on hetkel eksperimentaalse kinnituse puudumise tõttu oma olemuselt teoreetilised, kuid viga arvestades saab neid kasutada nii teoorias kui ka praktikas.
Andmed footoni kohta ühtivad hästi teadaolevate elektrilaengu suuruse mõõtmise katsete tulemustega ja õigustavad elementaarse elektrilaengu ekslikku esitust.
Kirjandus:
- Lyamin V. S., Lyamin D. V. Elektrilaengu füüsikaline olemus.
- Kasterin N. P. Aerodünaamika ja elektrodünaamika põhivõrrandite üldistamine
(aerodünaamiline osa). Füüsikalise hüdrodünaamika probleeme / Artiklite kogumik toim. BSSR Teaduste Akadeemia akadeemik A.V. Lykova. – Minsk: BSSR Teaduste Akadeemia Soojus- ja Massiülekande Instituut, 1971, lk. 268-308. - Atsyukovsky V.A. Üldine eetri dünaamika. Aine struktuuride ja väljade modelleerimine lähtudes gaasitaolise eetri kontseptsioonist. Teine väljaanne. M.: Energoatomizdat, 2003. 584 lk.
- Emelyanov V. M. Standardmudel ja selle laiendused. - M.: Fizmatlit, 2007. - 584 lk.
- Sulge F. Sissejuhatus kvarkidesse ja partonitesse. - M.: Mir, 1982. - 438 lk.
- Akhiezer A I, Rekalo M P “Elementaarosakeste elektrilaeng” UFN 114 487–508 (1974). .
- Füüsiline entsüklopeedia. 5 köites. - M.: Nõukogude entsüklopeedia. Peatoimetaja A. M. Prohhorov. 1988. aasta.
Lyamin V.S. , Lyamin D. V. Lvov
9. peatükk. Elementaarsed tasud. Elektron ja prooton
§ 9.1. Elektromagnetiline mass ja laeng. Küsimus laengu olemuse kohta
5. peatükis selgitasime välja inertsi mehhanismi, selgitasime, mis on “inertsmass” ning millised elektrilised nähtused ja elementaarlaengute omadused seda määravad. Seitsmendas peatükis tegime sama ka gravitatsiooni ja "gravitatsioonimassi" nähtuse kohta. Selgus, et nii kehade inerts kui ka raskusjõu määrab elementaarosakeste geomeetriline suurus ja nende laeng. Kuna geomeetriline suurus on tuttav mõiste, põhinevad sellised põhinähtused nagu inerts ja gravitatsioon ainult ühel väheuuritud olemil - "laengul". Siiani on “laengu” mõiste olnud salapärane ja peaaegu müstiline. Algul tegelesid teadlased ainult makroskoopiliste laengutega, s.t. makroskoopiliste kehade laengud. Elektriteaduse uurimise alguses kasutati ideid nähtamatutest "elektrivedelikest", mille liig või puudus viib kehade elektriseerumiseni. Pikka aega vaieldi ainult selle üle, kas see on üks vedelik või kaks: positiivne ja negatiivne. Siis said nad teada, et on olemas “elementaarsed” laengukandjad, elektronid ja ioniseeritud aatomid, st. aatomid, millel on üleliigne elektron või puuduv elektron. Veel hiljem avastati “kõige elementaarsemad” positiivsed laengukandjad – prootonid. Siis selgus, et “elementaarosakesi” on palju ja paljudel neist on elektrilaeng ning suurusjärgus on see laeng alati
on laengu mingi minimaalse tuvastatava osa kordne q 0 ≈ 1,602 10−19 C. See
osa nimetati "elementaarlaenguks". Laeng määrab, mil määral keha osaleb elektrilistes vastasmõjudes ja eelkõige elektrostaatilises vastasmõjus. Siiani pole arusaadavat seletust, mis on elementaarlaeng. Igasugune arutluskäik teemal, et laeng koosneb muudest laengutest (näiteks murdosa laenguväärtustega kvarkid), ei ole seletus, vaid teema skolastiline “hägustamine”.
Proovime laengud ise läbi mõelda, kasutades seda, mida oleme juba varem kehtestanud. Pidagem meeles, et laengute jaoks kehtestatud põhiseadus on Coulombi seadus: kahe laetud keha vastastikmõju jõud on võrdeline nende laengute suuruste korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga. Selgub, et kui tuletame Coulombi seaduse mõnest konkreetsest juba uuritud füüsikalisest mehhanismist, astume sellega sammu laengute olemuse mõistmiseks. Oleme juba öelnud, et elementaarlaengud on välismaailmaga suhtlemise seisukohast täielikult määratud nende elektriväljaga: selle struktuuri ja liikumisega. Ja nad ütlesid, et pärast inertsi ja gravitatsiooni seletust ei jäänud elementaarlaengutes midagi peale liikuva elektrivälja. Ja elektriväli pole midagi muud kui vaakumi, eetri, pleenumi häiritud olekud. Olgem siis järjekindlad ja proovime elektroni ja selle laengu taandada liikuvale väljale! Arvasime juba 5. peatükis, et prooton on täiesti sarnane elektroniga, välja arvatud selle laengu märk ja geomeetriline suurus. Kui elektroni taandades liikuvaks väljaks näeme, et suudame selgitada nii laengu märki kui ka osakeste laengu suuruse sõltumatust suurusest, siis on meie ülesanne vähemalt esmase lähendusega täidetud.
§ 9.2. Kummalised hoovused ja kummalised lained. Lame elektron
Esiteks vaatleme äärmiselt lihtsustatud mudelsituatsiooni (joonis 9.1), kus ringlaengu liigub mööda ringjoont raadiusega r 0. Ja las ta üldiselt
elektriliselt neutraalne, st. selle keskel on vastupidise märgiga laeng. See on niinimetatud "lameda elektron". Me ei väida, et see on tõeline elektron, vaid püüame praegu lihtsalt aru saada, kas lamedas kahemõõtmelises korpuses on võimalik saada elektriliselt neutraalset objekti, mis on samaväärne vaba elementaarlaenguga. Proovime luua oma laengu eetri seotud laengutest (vaakum, pleenum). Olgu täpsuse huvides rõnga laeng negatiivne ja rõngas liigub päripäeva (joonis 9.1). Sel juhul voolab vool I t vastupäeva. Valime väikesed
rõnga laengu dq element ja määrake sellele väikese pikkusega dl. On ilmne, et element dq liigub igal ajahetkel tangentsiaalse kiirusega v t ja normaalkiirendusega a n. Sellise liikumisega saame seostada elemendi dI koguvoolu -
vektori suurus. Seda väärtust saab esitada konstantse tangentsiaalse vooluna dI t, mis pidevalt "pöörab" oma suunda koos vooluga
aeg, see tähendab kiirendatud. See tähendab, et neil on normaalne kiirendus dI&n. Raskus
Edasine kaalumine on tingitud asjaolust, et seni on füüsikas käsitletud peamiselt vahelduvvoolusid, mille kiirendus asetseb voolu enda suunaga samal sirgel. Sel juhul on olukord erinev: praegune risti selle kiirenduseni. Ja mida? Kas see muudab kehtetuks varem kindlalt kehtestatud füüsikaseadused?
Riis. 9.1. Rõngasvool ja selle jõu mõju testlaengule
Nii nagu selle magnetväli on seotud elementaarvoolu endaga (vastavalt Biot-Savart-Laplace'i seadusele), on ka elementaarvoolu kiirendus seotud induktsiooni elektriväljaga, nagu näitasime eelmistes peatükkides. Need väljad avaldavad välislaengule q jõudu F (joonis 9.1). Kuna raadius r 0 on lõplik, siis toimingud
Rõnga parema (joonise järgi) poole elementaarvoolusid ei saa täielikult kompenseerida vasaku poole elementaarvoolude vastupidise mõjuga.
Seega peab ringvoolu I ja välise katselaengu q vahel
tekib jõudude vastastikmõju.
Selle tulemusena avastasime, et saame spekulatiivselt luua objekti, mis tervikuna on konstruktsioonilt täiesti elektriliselt neutraalne, kuid sisaldab ringvoolu. Mis on rõngasvool vaakumis? See on eelpingevool. Võite seda ette kujutada kui seotud negatiivsete (või vastupidi - positiivsete) vaakumlaengute ringliikumist, kus paiknevad täielikult ülejäänud vastupidised laengud.
V Keskus. Seda võib ette kujutada ka positiivsete ja negatiivsete seotud laengute ühise ringliikumisena, kuid erineva kiirusega või mööda erinevaid raadiusi või
V erinevad küljed... Lõppkokkuvõttes, ükskõik kuidas me olukorda ka ei vaataks, see nii saab
taandada pöörlevaks elektriväljaks E, mis on suletud ringis . See loob magnetvälja B, seotud asjaoluga, et voolud voolavad ja täiendavad, mitte piiratud kr juures hom elektriväli Eind , mis on tingitud asjaolust, et need voolud kiirendatud.
See on täpselt see, mida me näeme reaalsete elementaarlaengute (näiteks elektronide) läheduses! Siin on meie niinimetatud "elektrostaatilise" interaktsiooni fenomenoloogia. Elektroni ehitamiseks pole vaja vabu laenguid (fraktsionaalsete või muude laenguväärtustega). Piisab lihtsalt seotud vaakumlaenguid! Pidage meeles, et tänapäevaste kontseptsioonide kohaselt koosneb footon samuti liikuvast elektriväljast ja on üldiselt elektriliselt neutraalne. Kui footon on rõngaks "painutatud", on sellel laeng, kuna selle elektriväli ei liigu nüüd mitte sirgjooneliselt ja ühtlaselt, vaid kiirendatult. Nüüd on selge, kuidas tekivad erineva märgiga laengud: kui väli E “rõngamudelis” (joon. 9.1) on suunatud osakese tsentrist perifeeriasse, siis on laeng ühemärgiline, kui vastupidi. , siis teisest. Kui avame elektroni (või positroni), loome footoni. Tegelikkuses tuleb nurkimpulsi säilitamise vajaduse tõttu laengu footoniks muutmiseks võtta kaks vastandlikku laengut, viia need kokku ja saada lõpuks kaks elektriliselt neutraalset footoni. Seda nähtust (annihilatsioonireaktsiooni) täheldatakse tegelikult katsetes. Nii et see on tasu – see on elektrivälja pöördemoment! Järgmisena proovime teha valemeid ja arvutusi ning tuletada Coulombi seadust induktsiooniseadustest, mida rakendatakse vahelduvpingevoolu korral.
§ 9.3. Coulombi seadus kui Faraday induktsiooniseaduse tagajärg
Näitame, et kahemõõtmelises (tasapinnalises) lähenduses on elektron elektrostaatilises mõttes võrdne voolu ringliikumisega, mis on suuruselt võrdne laenguvooluga q 0, mis liigub mööda raadiust r 0 kiirusega võrdne valguse kiirusega c.
Selleks jagame kogu ringvoolu I (joon. 9.1) elementaarvooludeks Idl, arvutame katselaengu q paiknemispunktis mõjuva dE ind ja integreerime üle rõnga.
Niisiis, meie puhul läbi rõnga voolav vool on võrdne:
(9.1) I = q 0 v = q 0 c . 2 π r 0 2 π r 0
Kuna see vool on kõverjooneline, st kiirendatud, on see nii
muutujad:
I. Misjutšenko |
Jumala viimane saladus |
|||||||
dt 2 π r |
2πr |
|||||||
kus a on tsentripetaalne kiirendus, mida iga vooluelement kogeb ringil kiirusel c liikudes.
Asendades kiirenduse a = c 2 kinemaatikast tuntud avaldise, saame: r 0
q0 c2 |
||||||
2πr |
2 π r 2 |
|||||
On selge, et praeguse elemendi tuletist väljendatakse järgmise valemiga:
dl = |
q0 c2 |
dl. |
|||||
2πr |
2 π r 2 |
||||||
Biot-Savart-Laplace'i seaduse kohaselt loob iga vooluelement Idl "elementaarse" magnetvälja kohas, kus testlaeng asub:
(9,5) dB = |
I[ dl , rr ] |
|||
4. peatükist on teada, et elementaarvoolu vahelduv magnetväli tekitab elektrilise:
(9.6) dE r = v r B dB r = |
μ 0 |
|||||||||
I[dl,r] |
||||||||||
Nüüd asendame selle avaldisega elementaarringvoolu tuletise väärtuse (9.4):
dl sin(β) |
|||||||||||
dE = |
|||||||||||
2 π r 2 |
|||||||||||
Jääb üle integreerida need elementaarsed elektrivälja tugevused piki voolukontuuri, st üle kogu dl, mille oleme ringil tuvastanud:
q0 c2 |
patt (β) |
r 2 ∫ |
patt (β) |
||||||||
E = ∫ dE = ∫ 8 π |
2 π r 2 |
dl = |
16 π 2 ε |
dl. |
|||||||
On lihtne näha (joonis 9.1), et nurkade integreerimine annab:
(9.9) ∫ |
patt (β) |
4 π r 2 |
|||
dl = 2 π r0 |
r 2 0 |
r 2 0 . |
Sellest lähtuvalt on meie kõverjoonelisest voolust induktsiooni E ind elektrivälja tugevuse koguväärtus katselaengu asukohas võrdne.
Kuni 20. sajandi alguseni uskusid teadlased, et aatom on aine väikseim jagamatu osake, kuid see osutus valeks. Tegelikult asub aatomi keskmes selle tuum positiivselt laetud prootonite ja neutraalsete neutronitega ning negatiivselt laetud elektronid pöörlevad orbitaalidel ümber tuuma (selle aatomi mudeli pakkus välja 1911. aastal E. Rutherford). Tähelepanuväärne on see, et prootonite ja neutronite massid on peaaegu võrdsed, kuid elektroni mass on umbes 2000 korda väiksem.
Kuigi aatom sisaldab nii positiivselt kui ka negatiivselt laetud osakesi, on selle laeng neutraalne, sest aatomis on sama arv prootoneid ja elektrone ning erinevalt laetud osakesed neutraliseerivad üksteist.
Hiljem avastasid teadlased, et elektronidel ja prootonitel on sama laeng, mis võrdub 1,6 10 -19 C (C on kulon, elektrilaengu ühik SI-süsteemis.
Kas olete kunagi mõelnud küsimusele - kui palju elektrone vastab 1 C laengule?
1/(1,6·10-19) = 6,25·10 18 elektroni
Elektrienergia
Elektrilaengud mõjutavad üksteist, mis väljendub vormis elektriline jõud.
Kui kehas on elektrone üleliigselt, on sellel negatiivne elektrilaeng ja vastupidi – elektronide defitsiidi korral on kehal positiivne kogulaeng.
Analoogiliselt magnetjõududega, kui sarnase laenguga poolused tõrjuvad ja vastupidiselt laetud poolused tõmbuvad, käituvad elektrilaengud sarnaselt. Füüsikas ei piisa aga lihtsalt elektrilaengu polaarsusest rääkimisest, oluline on selle arvväärtus.
Laetud kehade vahel mõjuva jõu suuruse väljaselgitamiseks on vaja teada mitte ainult laengute suurust, vaid ka nendevahelist kaugust. Universaalse gravitatsioonijõuga on juba varem arvestatud: F = (Gm 1 m 2)/R 2
- m 1, m 2- kehamassid;
- R- kehade keskpunktide vaheline kaugus;
- G = 6,67 10-11 Nm2/kg- universaalne gravitatsioonikonstant.
Füüsikud tuletasid laboratoorsete katsete tulemusena elektrilaengute vastastikmõju jõu kohta sarnase valemi, mis sai nn. Coulombi seadus:
F = kq 1 q 2 /r 2
- q 1, q 2 - interakteeruvad laengud, mõõdetuna C-s;
- r on laengute vaheline kaugus;
- k - proportsionaalsuskoefitsient ( SI: k=8,99·10 9 Nm2Cl2; SSSE: k=1).
- k=1/(4πε 0).
- ε 0 ≈8,85·10 -12 C 2 N -1 m -2 - elektriline konstant.
Coulombi seaduse järgi, kui kahel laengul on sama märk, siis nende vahel mõjuv jõud F on positiivne (laengud tõrjuvad üksteist); kui laengutel on vastandmärgid, on mõjujõud negatiivne (laengud tõmbavad üksteist).
Kui tohutu on 1 C laengu jõud, saab hinnata Coulombi seaduse abil. Näiteks kui eeldame, et kaks laengut, kumbki 1 C, asuvad üksteisest 10 meetri kaugusel, tõrjuvad nad üksteist jõuga:
F = kq 1 q 2 /r 2 F = (8,99 10 9) 1 1 / (10 2) = -8,99 10 7 N
See on üsna suur jõud, mis on ligikaudu võrreldav 5600-tonnise massiga.
Kasutame nüüd Coulombi seadust, et teada saada, millise lineaarse kiirusega elektron vesinikuaatomis pöörleb, eeldades, et see liigub ringorbiidil.
Coulombi seaduse järgi võib elektronile mõjuva elektrostaatilise jõu võrdsustada tsentripetaaljõuga:
F = kq 1 q 2 /r 2 = mv 2 /r
Võttes arvesse asjaolu, et elektroni mass on 9,1 · 10 -31 kg ja tema orbiidi raadius = 5,29 · 10 -11 m, saame väärtuse 8,22 · 10 -8 N.
Nüüd leiame elektroni lineaarkiiruse:
8,22·10-8 = (9,1·10-31)v 2 /(5,29·10-11) v = 2,19·10 6 m/s
Seega pöörleb vesinikuaatomi elektron ümber oma keskpunkti kiirusega ligikaudu 7,88 miljonit km/h.
Aatom on keemilise elemendi väikseim osake, mis säilitab kõik oma keemilised omadused. Aatom koosneb positiivse elektrilaenguga tuumast ja negatiivselt laetud elektronidest. Mis tahes keemilise elemendi tuuma laeng võrdub Z ja e korrutisega, kus Z on selle elemendi järjekorranumber keemiliste elementide perioodilises süsteemis, e on elementaarelektrilaengu väärtus.
elektron on aine väikseim negatiivse elektrilaenguga osake e=1,6·10 -19 kuloni, võetuna elementaarelektrilaenguna. Tuuma ümber pöörlevad elektronid paiknevad elektronkihtides K, L, M jne. K on tuumale lähim kest. Aatomi suuruse määrab selle elektronkihi suurus. Aatom võib kaotada elektrone ja muutuda positiivseks iooniks või saada elektrone ja muutuda negatiivseks iooniks. Iooni laeng määrab kaotatud või saadud elektronide arvu. Neutraalse aatomi laetud iooniks muutmise protsessi nimetatakse ionisatsiooniks.
Aatomituum(aatomi keskosa) koosneb elementaarsetest tuumaosakestest – prootonitest ja neutronitest. Tuuma raadius on ligikaudu sada tuhat korda väiksem kui aatomi raadius. Aatomituuma tihedus on äärmiselt kõrge. Prootonid- need on stabiilsed elementaarosakesed, millel on üks positiivne elektrilaeng ja mille mass on 1836 korda suurem kui elektroni mass. Prooton on kõige kergema elemendi, vesiniku, aatomi tuum. Prootonite arv tuumas on Z. Neutron on neutraalne (elektrilaenguta) elementaarosake, mille mass on väga lähedane prootoni massile. Kuna tuuma mass koosneb prootonite ja neutronite massist, siis on neutronite arv aatomi tuumas võrdne A - Z, kus A on antud isotoobi massiarv (vt.). Prootoneid ja neutroneid, mis moodustavad tuuma, nimetatakse nukleoniteks. Tuumas on nukleonid ühendatud spetsiaalsete tuumajõudude abil.
Aatomituum sisaldab tohutut energiavaru, mis vabaneb tuumareaktsioonide käigus. Tuumareaktsioonid tekivad siis, kui aatomituumad interakteeruvad elementaarosakeste või teiste elementide tuumadega. Tuumareaktsioonide tulemusena tekivad uued tuumad. Näiteks neutron võib muutuda prootoniks. Sel juhul paiskub tuumast välja beetaosake, st elektron.
Prootoni üleminekut tuumas neutroniks saab läbi viia kahel viisil: kas elektroni massiga võrdse massiga, kuid positiivse laenguga osake, mida nimetatakse positroniks (positroni lagunemine), emiteeritakse tuum ehk tuum haarab kinni ühe talle lähima K-kihi elektronidest (K -püüdmine).
Mõnikord on tekkivas tuumas energia ülejääk (on ergastatud olekus) ja normaalsesse olekusse naastes vabastab see liigse energia väga lühikese lainepikkusega elektromagnetkiirguse kujul - . Tuumareaktsioonide käigus vabanevat energiat kasutatakse praktiliselt erinevates tööstusharudes.
Aatom (kreeka keeles atomos – jagamatu) on keemilise elemendi väikseim osake, millel on oma keemilised omadused. Iga element koosneb teatud tüüpi aatomitest. Aatom koosneb tuumast, mis kannab positiivset elektrilaengut, ja negatiivselt laetud elektronidest (vt), mis moodustavad selle elektronkihi. Tuuma elektrilaengu suurus on võrdne Z-e, kus e on elementaarelektrilaeng, mille suurus on võrdne elektroni laenguga (4,8·10 -10 elektriühikut) ja Z on selle elemendi aatomnumber keemiliste elementide perioodilisustabel (vt.). Kuna ioniseerimata aatom on neutraalne, on selles sisalduvate elektronide arv samuti võrdne Z-ga. Tuuma koostis (vt Aatomituum) sisaldab nukleone, elementaarosakesi, mille mass on ligikaudu 1840 korda suurem kui elektroni mass. (võrdub 9,1 ± 10–28 g), positiivselt laetud prootonid (vt) ja laenguta neutronid (vt). Nukleonide arvu tuumas nimetatakse massiarvuks ja seda tähistatakse tähega A. Prootonite arv tuumas, mis on võrdne Z-ga, määrab aatomisse sisenevate elektronide arvu, elektronkestade struktuuri ja keemilise aine aatomi omadused. Neutronite arv tuumas on A-Z. Isotoobid on ühe ja sama elemendi sordid, mille aatomid erinevad üksteisest massiarvult A, kuid millel on sama Z. Seega on sama elemendi erinevate isotoopide aatomite tuumades erineval arvul ühe ja sama elemendiga neutroneid. prootonite arv. Isotoopide tähistamisel kirjutatakse elemendi sümboli kohale massiarv A, alla aga aatomnumber; Näiteks tähistatakse hapniku isotoope: 
Aatomi mõõtmed on määratud elektronkihtide mõõtmetega ja need on kõigi Z jaoks suurusjärgus 10 -8 cm. Kuna aatomi kõigi elektronide mass on mitu tuhat korda väiksem kui tuuma mass , on aatomi mass võrdeline massiarvuga. Antud isotoobi aatomi suhteline mass määratakse süsiniku isotoobi C12 aatomi massi suhtes, võttes 12 ühikut, ja seda nimetatakse isotoobi massiks. Selgub, et see on lähedane vastava isotoobi massinumbrile. Keemilise elemendi aatomi suhteline kaal on isotoobi massi keskmine (arvestades antud elemendi isotoopide suhtelist arvukust) väärtus ja seda nimetatakse aatommassiks.
Aatom on mikroskoopiline süsteem ning selle ehitust ja omadusi saab selgitada vaid peamiselt 20. sajandi 20. aastatel loodud kvantteooria abil, mis on mõeldud nähtuste kirjeldamiseks aatomiskaalal. Katsed on näidanud, et mikroosakestel – elektronidel, prootonitel, aatomitel jne – on lisaks korpuskulaarsetele lainelised omadused, mis avalduvad difraktsioonis ja interferentsis. Kvantteoorias kasutatakse mikroobjektide oleku kirjeldamiseks teatud lainevälja, mida iseloomustab lainefunktsioon (Ψ-funktsioon). See funktsioon määrab ära mikroobjekti võimalike olekute tõenäosused, s.t. iseloomustab selle teatud omaduste võimalikke avaldumisvõimalusi. Funktsiooni Ψ ruumis ja ajas muutumise seadus (Schrodingeri võrrand), mis võimaldab seda funktsiooni leida, mängib kvantteoorias sama rolli kui Newtoni liikumisseadused klassikalises mehaanikas. Schrödingeri võrrandi lahendamine viib paljudel juhtudel süsteemi diskreetsete võimalike olekuteni. Näiteks aatomi puhul saadakse elektronide lainefunktsioonide seeria, mis vastab erinevatele (kvanteeritud) energiaväärtustele. Kvantteooria meetoditega arvutatud aatomienergia tasemete süsteem on saanud spektroskoopias hiilgava kinnituse. Aatomi üleminek madalaimale energiatasemele E 0 vastavast põhiolekust ükskõik millisesse ergastatud olekusse E i toimub teatud osa energia E i - E 0 neeldumisel. Ergastatud aatom läheb vähem ergastatud või põhiolekusse, tavaliselt footoni kiirgades. Sel juhul on footoni energia hv võrdne aatomi energiate erinevusega kahes olekus: hv = E i - E k kus h Plancki konstant (6,62·10 -27 erg·sek), v on sagedus valgusest.
Lisaks aatomispektritele võimaldas kvantteooria selgitada aatomite muid omadusi. Eelkõige selgitati valentsi, keemiliste sidemete olemust ja molekulide ehitust ning loodi elementide perioodilisuse tabeli teooria.
