/ Заряженные частицы. Древнегреческий миф или современная реальность?
ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ.
ДРЕВНЕГРЕЧЕСКИЙ МИФ ИЛИ СОВРЕМЕННАЯ РЕАЛЬНОСТЬ?
Большинство современных научных теорий в той или иной степени связываются, или уже давно и крепко связаны, с идеями о существовании заряженных частиц. Эти идеи настолько прочно обосновались в умах научного мира, что не наблюдается в мировой прессе ни одной аргументированной и доказательной попытки с какой-то другой позиции истолковать и понять причины возникновения сил взаимодействия на расстоянии. В Интернете и в частной прессе есть достаточно много высказываний по поводу сомнений в существовании электронов, но и не предлагается никаких других версий, объясняющих возникновения сил взаимодействия.
До сих пор одним из самых применяемых и надёжных инструментов в познании микромира является камера Вильсона, изобретённая почти сто лет назад. По наблюдениям за процессами, происходящими как в этой камере, так и в других подобных установках, сделаны и делаются основные выводы об устройстве микромира, об энергиях, массах и скоростях микрочастиц, создана теория устройства атомов.
В этой статье предлагается с несколько других позиций посмотреть на процессы, происходящие в камерах за наблюдением заряженных частиц, и создать некоторые предпосылки для частичного переосмысления наших устоявшихся взглядов на устройство микромира.
ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕКОВ В КАМЕРАХ ЗА НАБЛЮДЕНИЕМ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Краткое описание физических процессов по образованию видимых следов-треков, происходящих в камере Вильсона, возьмём из описания в учебнике для старших классов средней школы. Это краткое и вполне доступное для понимания толкование образования треков закладывается в наше сознание в юном возрасте и в дальнейшем к нему больше научная пресса не возвращается.
«Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению. При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под поршнем, газ в камере адиабатически расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение и пар становится пересыщенным. Если частица проникает в камеру непосредственно перед расширением или сразу после него, то ионы, которые она образует, будут действовать как центры конденсации. Возникающие на них капельки воды образуют след пролетевшей частицы-трека. Затем камера возвращается в исходное состояние и особое „очищающее“ поле удаляет ионы».
Вот такая удивительно простая и доступная для широкого читателя картина образования треков из заряженных частиц-ионов представляется всем нам.
Когда формировались такие взгляды на образование треков, то в науке ещё ничего не знали об устройстве атомов и количественных оценках частиц, входящих в эти атомы. На сегодняшний день достаточно точно, как считается, известны размеры ядер атомов, размеры самих атомов и электронов. С учётом этих размеров и попытаемся оценить правильность наших суждений о предлагаемых условиях возникновения треков.
Размер ядер атомов оценивается в 10 -12 см, усреднённый размер самих атомов равен приблизительно 10 -8 см. Видимый диаметр трека составляет ориентировочно около одного миллиметра, то есть 10 -1 см. Сравнивая размеры самого ядра с поперечными размерами трека, нетрудно заметить, что соотношения этих величин составляет одиннадцать десятичных разрядов.
Теория устройства атома утверждает, что энергетическая зона действия ядра, как заряженной частицы, не может превышать размера атома, так как атом является электрически нейтральным образованием. Если такое условие считать верным, то становиться совершенно непонятными два момента в процессе образования трека:
Во-первых, каким образом пролетающая частица может из молекул воды образовывать ионы на таком громадном от себя расстоянии?
Во-вторых, какой физический процесс происходит при образовании ионов?
Допустим, что летящая с очень большой скоростью (около 0,15 от скорости света) частица является ядром атома урана. Ядро урана имеет строго определённый положительный заряд, и, скорее всего, должно образовать настолько же строго определённое количество заряженных ионов. Можно предположить, на первый случай, что положительно заряженная частица выбивает из молекулы воды один электрон, который должен или присоединиться к частице, или куда-то улететь. Если частица захватила электрон, то она может образовать столько ионов воды, каков её заряд, то есть 238. Но в любом треке находится десятки и сотни миллиардов молекул воды, при самых скромных расчётах. Получается, что энергетическая мощность заряженной частицы по образованию ионов практически безгранична? Если образование ионов пролетающей частицей происходит на каких-то других физических законах, то необходимо этот очень важный момент объяснить.
В камере Вильсона была открыта и самая маленькая, отрицательно заряженная, частица, электрон. Каким образом электрон может создать хотя бы из одной молекулы воды ион, представляет ещё больший интерес. Если электрон внедрился в молекулу воды, то получится только один отрицательно заряженный ион. Но ведь этот электрон оставил после своего полёта также большое количество ионов.
Не менее интересен и сам предлагаемый процесс конденсации водяного пара, который осуществляется возникающими ионами. По каким законам физики заряженная частица вызывает конденсацию водяного пара?
До сих пор в учении о преобразовании воды из одного агрегатного состояния в другое предлагались только влияния на пары воды факторов тепла. Эти факторы известны уже многие сотни лет, и говорят они о том, что если водяные пары, растворённые в воздухе, заставить выпасть в туман, то нужно данный объём воздуха охладить, что и делается в камере при резком опускании поршня. Но поршень должен опускаться только до того момента, когда понижение температуры в камере не должно достигнуть точки выпадения росы, а быть близким к этой точке. В противном случае выпавший туман не позволит наблюдать возникающие треки. Концентрация молекул воды в мелкие капли уже происходит, но эти капли не препятствуют ещё прозрачности камеры.
Дальнейшая конденсация водяного пара под действием возникающих ионов, как это преподносится в описании образования треков, совершенно непонятный и неоправданный технический процесс. Согласно действующим законам классической физики, чтобы добиться образования тумана в зоне трека, необходимо дальнейшее охлаждение смеси воздуха и паров воды в этой зоне. Но что же может принести сюда этот холод? Сама пролетающая частица с такой громадной скоростью не может в принципе охлаждать зону трека, как из-за незначительного времени взаимодействия с любой из молекул воды, так и по причине того, что её температура может только намного превосходить температуру самой камеры. Так как атомные реакции проходят всегда с большим выделением тепла, то и вылетевшая из этой среды частица должна иметь намного более высокую температуру относительно температуры камеры.
Конденсацию водяного пара возникающими ионами в зоне трека нельзя объяснять такими примитивными и бездоказательными предположениями. Если такие физические процессы действительно могут происходить в природе, то их обязательно необходимо подтверждать другими опытами и более углублёнными доказательствами. Так есть ли такие доказательства?
Ни образованием ионов, ни конденсацией водяного пара на образованных ионах объяснить происхождение треков с такой поверхностной, далеко не научной, аргументацией, невозможно.
Но есть ещё и третий, может быть самый важный фактор образования треков, это возникающее свечение самих треков. Отчего водяной пар в зоне трека начинает излучать свет?
Допустим, что ионы всё же образовываются и начинают светиться. Но в этом случае необходимо обосновать, почему только в камерах за наблюдением заряженных частиц ионы излучают свет. Многие физические и химические процессы объясняются возникновением заряженных образований, но нигде не отмечается, что эти образования светятся. И в этом случае обоснованных доказательств нет.
Итогом проведённых рассуждений можно считать тот факт, что ни одним из предложенных объяснений возникновения треков в камерах за наблюдением заряженных частиц удовлетвориться невозможно. Все предложенные обоснования возникающих треков возникли в умах исследователей потому, что треки начинают взаимодействовать с магнитными и электрическими полями, а наше современное человеческое мышление работает только в одном направлении: начинаются поиски заряженных частиц, зарядов и заряженных образований. Выработать же другие представления о процессах, происходящих в различных камерах за наблюдением частиц, можно только в том случае, если мы сможем несколько изменить наши установившиеся мнения об окружающем мире.
Возникновение треков намного проще можно обосновать, сделав одно существенное допущение: радиоактивные препараты при атомных реакциях выбрасывают в окружающее пространство только излучения различной частоты и мощности, доступные для наблюдений. Ни о каких выбрасываемых заряженных частицах речь пока идти не может. Понятно, что такое предположение может показаться слишком примитивным, и всё же попытаемся рассмотреть процессы образования треков именно с этой позиции.
Опускание поршня в камере Вильсона приводит к состоянию, близкому к состоянию выпадения тумана, но конденсация мелких капель воды или спирта уже происходит. Узконаправленное частотное излучение с радиоактивного препарата возбуждает образовавшиеся мелкодисперсные капли конденсата на видимой глазом частоте, отчего и наблюдается светящийся трек. Точно на таких же природных принципах происходит и свечение различных фосфорных соединений, люминофоров, когда белый свет попадает на поверхности этих тел и заставляет их излучать световые потоки видимых частот. В этих случаях действует один универсальный закон, закон преобразования одних видов энергии в другие виды. Для возбуждения энергии какой-то частоты в любом физическом теле необходимо, чтобы частотный спектр тела содержал эту частоту.
Реагенты всех камер начинают излучать свет тогда, когда частота излучения равна или кратна частоте возбуждения реагента. При равенстве частот излучения и возбуждения материальных тел происходит наибольшее поглощение энергии излучения. Это резонансные взаимодействия излучателя энергии с потребителем.
Радиоактивные вещества излучают не только те частоты, которые можно наблюдать в этих камерах. Частоты излучений, неспособные возбудить любые реагенты камер (пары воды, спирта и др.) на видимой частоте, являются также обычными частотными излучениями, но пока называются полетами частиц под названием «нейтрино».
На все живые организмы радиоактивные излучения действуют в основном негативно, точно так же, как и рентгеновские излучения, и ультрафиолетовые. Но всё это частотные излучения, без всяких полётов частиц с большими скоростями. Частицы служат лишь упругой средой, в которой происходит передача волновой частотной энергии. Как при передаче звуковой энергии из одной точки пространства в другую масса из частиц воздуха является только посредником, так и при передаче других частотных энергий некая упругая среда из каких-то других частиц обеспечивает перемещение этих энергий.
Изобретение современной модели устройства атома происходило по мере изучения процессов в микромире не только при помощи камер за наблюдением микрочастиц, но и при помощи других приспособлений. Так Резерфорд при помощи изобретённого им устройства исследовал поведение положительно заряженных альфа-частиц по световым сцинтилляциям на экране при помощи микроскопа. На эти опыты и выводы из них предлагается обратить также особое внимание.
ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА
Изобретение планетарной модели атома является одним из самых значительных открытий теоретической физики двадцатого столетия. На предполагаемом действии этой модели основаны целые теоретические науки, особенно квантовая механика. Поэтому интересно посмотреть и на процессы, происходящие в устройстве Резерфорда, с несколько других, более критических, позиций.
В том же учебнике по физике об опытах Резерфорда сказано: «Испускаемый радиоактивным препаратом пучок альфа-частиц выделялся диафрагмой и после этого падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (золото, медь и др.)». Вот такой, довольно узкий, перечень исследованных материалов нам предлагается, без указания, что же имеется в виду под примечанием «и др.». В данном случае это достаточно важно, так как в этом же учебнике, но в другом разделе сказано: «Наименьшей проникающей способностью обладают альфа-лучи. Слой бумаги около 0,1мм для них уже непрозрачен».
На опытах с использованием тонкой золотой пластинки в качестве преграды для прохождения альфа-частиц Резерфордом и были сделаны выводы о планетарной модели устройства атомов. Притом выводы эти были сделаны на все без исключения элементы периодической системы. Невозможно допустить, что он мог не знать о почти полном непрохождении этих лучей через тонкий слой бумаги.
Все химические элементы состава бумаги имеют точно такую же планетарную структуру, как и золото, но пропускать быстролетящие частицы через себя они не могут. Чем можно объяснить такую беспомощность альфа-лучей в преодолении обычной бумаги?
Допустим, что альфа-лучи являются действительно альфа-частицами, которые Резерфорд называл даже альфа-снарядами. Эти частицы достаточно свободно преодолевают тонкую пластинку из золота с редкими отклонениями от прямого пути.
Физикам хорошо известно, что наибольшее препятствие для прохождения всех радиационных излучений оказывает свинец, металл, который очень близко расположен к золоту в периодической системе элементов Менделеева. Атомный вес золота составляет 196, а свинца 207, порядковый номер золота равен 79, свинца 82. По этим показателям можно смело предполагать, что если вместо золотой пластинки в устройство Резерфорда поместить пластинку из свинца точно таких же размеров, то через свинец альфа-частицы должны проникать точно с такими же показателями, как и через золото. Так почему бы с настоящее время не повторить опыты по преодолению альфа-частицами пластинок и из свинца, и окончательно доказать планетарное устройство атомов? Если же свинец не станет пропускать через себя эти предполагаемые частицы, как и бумага, то это совсем не частицы, и вопрос об устройстве атомов окажется полностью открытым.
Вызывает удивление сам метод появления мирового открытия, когда одним исследователем при работе только с одним материалом удалось очаровать весь научный мир своими выводами, и распространить эти выводы на все остальные химические элементы, а значит и материалы. Ведь Резерфорд работал только с золотом. Опыты с медью и некоторыми другими материалами проводились намного позже. Почему же опыты по преодолению альфа-частицами золота не проводились со многими другими элементами и материалами, особенно с бумагой и свинцом?
Допустим, что атомный мир действительно подобен устройству солнечной системы, но тогда через огромные пространства между ядрами и электронами световые фотоны должны проникать без всяких препятствий, то есть быть прозрачными для света! Но ведь это парадокс.
С точки зрения возможности прохождения альфа-частиц через различные среды вызывает интерес преодоление этими частицами и стекла. Ведь может оказаться, что стекло поведёт себя так же, как и бумага.
В итоге проведённых рассуждений достаточно просто можно прийти к выводу, что никаких летающих с большими скоростями альфа-частиц не существует, а есть волновые альфа-излучения определённой частоты. Эти излучения достаточно свободно преодолевают некоторые вещества по тем же причинам, по каким и световые лучи преодолевают многие материальные среды (стекло, вода, алмазы).
Стекло создаётся из непрозрачных для света компонентов, но как только эти компоненты объединяются по определённой технологии в стекло, то свет свободно проникает через эту преграду. С технической точки зрения объяснить такое явление можно тем, что образованные молекулы стекольной массы приобрели другие спектральные характеристики относительно исходных компонентов. Частота света равна или кратна основной резонансной частоте возбуждения стекла, отчего световые волны достаточно свободно преодолевают эту твёрдую преграду. Но как бы тщательно не обрабатывались оптические материалы, незначительные световые потоки всегда отражаются от поверхности стекла и преломляются под какими-то углами. Альфа-лучи ведут себя точно так же, преодолевая препятствия из золота, меди и некоторых других веществ или материалов.
Уважаемые читатели, если предлагаемые выше рассуждения заставят вас задуматься и посомневаться в правильности наших современных представлений об устройстве микромира, то это самый прямой путь к переосмыслению некоторых устоев современной науки. В первую очередь необходимо понять, почему при анализе причин появления треков, при анализе причин преодоления радиационными излучениями отдельных материалов учёными в прошлом веке принимались такие, достаточно неоправданные, решения. Основной причиной таких физически неоправданных решений можно считать только то обстоятельство, что наше человеческое сознание находится под властью мифа о существовании заряженных частиц. Древние греки дали нам простую идею для понимания возникновения сил взаимодействия на расстоянии наэлектризованных тел, и эту идею наука эксплуатирует около трёхсот лет без всякого стремления изобрести что-то более похожее на истину. Может быть, нашему поколению нужно почаще вспоминать, что древние греки были самыми изобретательными создателями большого количества разных мифов, но ведь мы им не совсем верим.
За прошедшие века своего развития теория заряженных частиц обросла огромным математическим багажом. С каждым присвоением одному только электрону всё новых и новых качеств, неизмеримо растёт и математический аппарат, призванный оправдывать эти качества. Электрон летает с одного тела на другое, вертится вокруг собственной оси и вокруг ядра, является одновременно и частицей и волной, но никто ещё в самых общих чертах не объяснил, почему эта уникальная частица отталкивается от себе подобных, и притягивается к положительно заряженным частицам.
Из истории развития науки видно, что человеческое мышление стремится объяснить многие непонятные физические явления первоначально с помощью каких-либо материальных частиц. Процессы передачи тепла, процессы горения многие годы объяснялись действиями различных частиц, так, может быть, и на процессы взаимодействия тел на расстоянии пришло время посмотреть совсем с других позиций?
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Электрические взаимодействия тел приписаны существованию в природных элементах заряженных частиц, которые и обладают какими-то необъяснимыми до сих пор возможностями к притяжению и отталкиванию друг от друга. Причины магнитных взаимодействий объясняются присутствием в телах тех же электронов. Вращение электрона вокруг собственной оси превращает эту универсальную по своим возможностям частицу в элементарный магнитный диполь, но и здесь также непонятно, каким же образом эти диполи воздействуют друг на друга. Такие теоретические рассуждения могут претендовать на реальность существования только тогда, когда будут обоснованы физические причины взаимодействий заряженных частиц. Пока же это дольно слабая научная гипотеза.
Рассмотрим некоторые физические явления, связанные с получением так называемого статического электричества, которые предлагаются учебниками для средних учебных заведений. Наиболее простой и доступный метод получения статического электричества возникает при трении двух определённых материалов друг о друга. Эти материалы всегда должны обладать хорошими изоляционными качествами и иметь аморфную структуру тела. В качестве доступных материалов для иллюстрации возникновения статического электричества в большинстве школьных учебников берутся пластмассовые расчёски и волосы учеников. В этих учебниках утверждается, что при трении расчёски о волосы «незначительная часть» электронов перейдёт из волос на расчёску и зарядит её отрицательным зарядом. Всё очень просто и оригинально, но это слишком обманчивая простота.
Из того же курса физики известно, что атом представляет собой очень устойчивую структуру, которую не способны разрушить ни большие земные давления, ни высокие температуры, а вот лёгкое прикосновение расчёски к волосам по существу привело к разрушению этой структуры атома. Потеря одного электрона, притом валентного, обязательно должно привести к изменению химических и физических свойств молекулы, в которую входит данный атом. Таких молекул может быть не «незначительная часть», а очень даже значительная. Поэтому остановимся на анализе ещё одного школьного опыта.
Электростатическая машина с ручным приводом знакома всем школьникам. Вращение рукоятки этой машины через редуктор передаётся на вращение диска из органического стекла. С диском соприкасаются тонкие листочки из станиоля или бумаги. Силы трения листочков о вращающийся диск и создаёт эффект возникновения электрического напряжения, от которого и заряжается конденсатор, так называемая лейденская банка. Энергия заряда конденсатора может достигать одного Кулона, что составляет 1024 электрон-вольт. Получается, что такое же количество электронов возникло от трения листочков бумаги о вращающийся диск, которые через проводники перебрались на одну из обкладок конденсатора. Как видим, количество возникших электронов от такого трения никак нельзя назвать «незначительная часть».
Трущиеся части листочков бумаги о поверхность диска, с учётом толщины листочков, составляют примерно около одного кубического сантиметра. Условно примем, что число молекул в этом объёме бумаги равно числу молекул воды такого же объёма, и это будет также 1024, так как размер одной молекулы воды принимается равным приблизительно в 10-8см. На самом деле размер одной молекулы бумаги значительно больше размера одной молекулы воды.
В итоге проделанных простейших расчетов и допущений получаем, что каждая молекула бумаги должна потерять, как минимум, по одному электрону, чтобы обеспечить величину заряда конденсатора в один Кулон. Но вопреки этому, никаких своих физических качеств бумага не теряет и ничего не приобретает.
Эффект от проведённых рассуждений можно намного усилить, если допустить возможность некоторой модернизации самой машины. Можно без всякого ущерба для функционирования машины сделать подсоединения конденсатора через разъёмное соединение. Зарядили один конденсатор, отсоединили от машины, поставили следующий, и так далее. Каждый раз величину заряда на каждом конденсаторе контролировать. Величина общей суммы упорхнувших с листочков бумаги электронов достигнет астрономического числа. Заряжать очередные конденсаторы можно до полного износа бумажных листочков, то есть до превращения их трущихся поверхностей в пыль. В конце такого эксперимента останется задать себе вопрос о происхождении такого количества электронов. Все появившиеся электроны мы загнали в лейденские банки, держим их там в изолированном состоянии, но в самой машине никаких изменений не произошло.
К большому сожалению, подобные уникальные действия приписываются заряженным частицам во многих случаях при изучении статического электричества. Возьмите, хотя бы, описываемые поведения заряженных частиц в наэлектризованных телах. Оказывается, что как положительные, так и отрицательные заряды скапливаются на выступах и заострённых частях этих тел. Одноимённо заряженные частицы благодаря приписываемым им свойствам отталкивания должны поступать полностью наоборот. Они должны разбегаться с этих ограниченных мест для их существования. Почему же наше сознание столь упорно приписывает заряженным частицам такие фантастические действия?
В наэлектризованных телах электрическая энергия действительно концентрируется на их заострённых выступах и неровностях. Такую концентрацию энергии можно наблюдать как визуально, при проведении определённых опытов, так и замерять электростатическими приборами. Только электризация зависит совсем не от того, что при этом процессе происходит разделение зарядов и осуществляется их переход из одного тела в другое. Пока наше человеческое сознание не освободится от этих древнегреческих и средневековых воззрений на устройство микромира, до тех пор мы будем придумывать всё новые и новые фантастические особенности поведения заряженных частиц и губить наш интеллектуальный потенциал на бесплодные идеи.
Окружающий нас мир устроен просто, и в этой простоте нужно искать отгадки мирового устройства. Такие мысли высказывали некоторые великие мыслители прошлого.
Исследование физической природы электрической энергии начиналось с работ по статическому электричеству. С этой же отправной точки попытаемся мы и сейчас осмыслить некоторые законы появления этого вида электричества.
Взаимное перемещение поверхностей двух твёрдых тел друг относительно друга всегда вызывает нагревание обоих тел. Выделение тепла происходит по причине возникающих сил трения, и чем больше эти силы, тем больше выделение тепла. Тепловая энергия представляет собой достаточно высокочастотное излучение, и здесь можно задуматься о том, каким образом не слишком большая скорость перемещения соприкасающихся тел порождает столь высокую частоту тепловой энергии. Пока что, предполагаемую версию этого явления можно сформулировать следующим образом: благодаря силам трения упругие связи молекул, расположенных на поверхностях этих тел, с другими молекулами подвергаются деформации, и эти связи возбуждаются с определённой частотой. Процесс возбуждения частотной энергии в телах при трении происходит, скорее всего, именно в межмолекулярных связях. Этот эффект напоминает возбуждение натянутой струны при ударе по ней.
Многообразие существования твёрдых тел говорит о том, что связи различных молекул друг с другом также многообразны. Одни тела при трении больше разогреваются, а в других телах возбуждение от сил трения может происходить совсем на других частотах, или даже на некоторой сумме частот. В телах с аморфной структурой возбуждение тепла от сил трения происходит незначительно, преимущественно же возникает электростатическая энергия, которая также является такой же частотной энергией. Наиболее вероятно, что и в кристаллических телах при трении возникает электрическая энергия, но здесь она будет замыкаться по кристаллам внутри тела и превращаться в тепло через так называемые токи Фуко.
Допустим, что электрическая энергия действительно только обычное частотное излучение, но без обоснования взаимодействий на расстоянии наэлектризованных тел, такое заявление не может заслуживать никакого внимания. В таком случае попытаемся до какой-то степени обосновать это решение через широко известные физические явления и законы.
Явление броуновского движения открыто давно, считается хорошо изученным, и всё же из него можно извлечь ещё некоторые выводы. Понятна основная суть движения броуновских частиц. Эти частицы движутся потому, что движутся под действием тепловых излучений молекулы воды. Причина ясна, но совсем не ясно, каким образом тепловое излучение заставляет эту молекулу двигаться, и двигаться определённое время в строго определённом направлении. Каков же природный механизм, заставляющий молекулу воды преобразовывать относительно высокочастотную энергию тепла в энергию поступательного механического движения. Нам совсем непонятны и причины формирования кристаллов. Пока что о строении кристаллов известно только то, что молекулы в кристалле уложены в строго определённом порядке.
В жидкостях движение молекул можно наблюдать визуально, но и в твёрдых телах молекулы испытывают постоянное стремление к движению. Явления испарений, диффузий указывают на возбуждение в любых молекулах энергий к поступательному механическому движению, и эти энергии движения пропорционально зависят от величины частотных энергий, сосредоточенных в телах.
Броуновское движение молекул в жидкостях зависит от величины тепловой энергии. На этом примере уже ясно прослеживается определённая закономерность: энергией механического движения создали энергию тепловую, которая затем снова превращается в механическую энергию движения молекул. Процесс этот полностью соответствует всеобщему закону о преобразовании одного вида энергий в другие виды.
Все виды излучаемых энергий, известных нам в настоящее время, распространяются в окружающее пространство по своим законам. Пока что можно с достаточным основанием утверждать, что условия распространения различных излучений зависят во многом от частоты излучений. Дальность и прямолинейность излучений тем выше, чем ближе эти излучения приближаются по частоте к световым излучениям. Радиочастотные излучения подтверждают, в какой-то степени, этот принцип.
Для того чтобы понять природу возникновения сил взаимодействия тел на расстоянии, предположим, что тепловое движение большинства молекул воды мы смогли каким-то образом направить в одну сторону. В этом случае весь объём воды начнёт передвигаться в пространстве без всяких видимых материальных связей с источником этого направленного тепла. Возникнет эффект взаимодействия между телом источника тепла и телом сосуда с водой. Для связки «тепло-вода» это пример нереальный, но электрические и магнитные взаимодействия могут происходить именно по этому сценарию. Если тепловая энергия в окружающем пространстве не может распространяться в строго определённом направлении, то электрическая энергия имеет такую строгую направленность, что видно из образования наблюдаемых электрических силовых линий.
Электрическая энергия возникает всегда из механической энергии движения. Взаимные движения трущихся поверхностей твёрдых тел, движения проводников в магнитном поле и движения воздушных масс в окружающем пространстве порождает возникновение электрической энергии. В свою очередь, распространение электрической энергии в окружающем пространстве порождает механическое взаимное движение тел.
Возбуждённая трением электрическая частота в каком-либо теле излучается в окружающее пространство на незначительные расстояния, и образует замкнутые в кольцо (зацикленные) энергетические связи. Как отмечалось выше, такими телами могут быть только тела с большим электрическим сопротивлением. Генератором излучения в пространство электрических потоков энергии служат возбуждённые силами трения группы молекул. Такую электрическую энергию мы называем электростатической, хотя на самом деле никакой статики здесь нет. Это обычная волновая частотная, а значит динамическая, энергия, но для упрощения дальнейших рассуждений пока будем применять термин «электростатическая энергия».
Электростатическая энергия в отдельных телах может существовать очень продолжительное время из-за незначительных электрических токов, протекающих в таком замкнутом частотном контуре. В электрических конденсаторах энергия продолжительное время сохраняется также в диэлектрическом слое между обкладками конденсатора. Обкладки конденсатора служат только для доставки электрического потока энергии к диэлектрическому слою.
Световые лучи распространяются в окружающем пространстве прямолинейно и на большие расстояния, но разум учёных пришёл к выводу о возможности искусственного зацикливания световых волн аппаратными средствами, в результате чего и получилось устройство, названное лазером или квантовым генератором. В результате зацикливания световой волны и получается некий удивительный процесс, далеко ещё не понятый нами, но этот процесс очень похож на процесс бурного преобразования энергии в замкнутом электрическом контуре с небольшим омическим сопротивлением. В таких замкнутых энергетических контурах происходит бурная раскачка межмолекулярных или внутримолекулярных связей, что и наблюдается в выбросах энергии. В природе зацикливание электрических волн происходит естественным образом, и происходит это из-за их частотных особенностей. Искусственный процесс зацикливания световых волн и естественный процесс зацикливания электрических волн напоминают эффект падающего домино, замкнутого в кольцо и обладающего упругими связями.
Когда в зону распространения силовых электрических линий попадает другое тело, то происходит перераспределение электрических потоков в окружающем пространстве. Если такое тело является диэлектриком, то под действием электрического поля это тело электризуется. Такая электризация и называется электризацией через влияние.
Радиационные излучения, подобно электрическим, вызывают в некоторых химических элементах какие-то структурные изменения, отчего эти элементы и становятся также радиоактивными, или радиоактивными изотопами, что также является воздействием через влияние.
Магнитная энергия очень тесно связана с электрической энергией, отчего основной первооткрыватель этой взаимосвязи Фарадей и назвал этот процесс индукцией, то есть преобразованием одного вида энергии в другой. Так что же это за энергия, как она возникает и как существует?
Не столь давнее открытие американских учёных о поведении постоянных магнитов в тепловой изоляции от окружающей среды может сказать об очень многом, но только выводы будут зависеть от того, с какой позиции смотреть на результаты такого опыта. Проведённые опыты показали, что если постоянный магнит поместить в термостат, то температура в нём начинает падать. Простой, скорее житейский, вывод из такого опыта напрашивается только один: температура воздуха в термостате падает из-за того, что тепловая энергия расходуется на поддержание определённого уровня магнитного поля. Падает температура в термостате и снижается уровень магнитного поля. Оказывается, что таким опытом можно достичь времени, когда магнитное поле постоянного магнита перестанет существовать. С этих позиций и попытаемся посмотреть на физическую сущность магнитной энергии.
В ферромагнетиках можно наблюдать существование микроскопических областей с явными признаками наличия магнетизма при полном отсутствии магнитного поля в самом теле ферромагнетика. Такие мелкие области магнитных полей были названы доменами, которые и могут существенно прояснить возникновение общего магнитного поля ферромагнетика. Как хорошо известно, распространение магнитного поля в теле магнитных материалов носит явно неравномерный характер по разным координатам, то есть наблюдается ярко выраженная анизотропия. Такое явление возникает из-за того, что магнитное поле в теле ферромагнетика распространяется преимущественно по телу кристалла. Там, где происходит однонаправленное формирование кристаллических образований из расплавов, и возникает наиболее лёгкое продвижение магнитного потока. Такие явления характерны и для тепловых полей, и, возможно, для электрических, но это надо ещё доказать.
Из всего выше изложенного, что касается магнитной энергии, можно сделать достаточно реальное предположение, что магнитная энергия всегда существует в ферромагнитных телах в зоне определённого температурного диапазона. Возникает эта энергия из тепловой и является такой же частотной волновой энергией, как и многие другие, способные распространятся в окружающей среде. Кристаллы ферромагнитных материалов возбуждаются на частоте магнитной энергии и являются носителями этой энергии. Видимые магнитные образования-домены, возникают из-за того, что магнитным полям отдельных кристаллов наиболее просто замкнуться по близлежащим кристаллам, и образовывать замкнутые магнитные спирали, то есть образовать домены. Разорвать поля магнитных доменов можно только внешними воздействиями на ферромагнетики, что и достигается внешним магнитным полем земли в реальных природных условиях, или искусственно, с помощью электрических полей.
Подобно возникновению магнитной энергии в телах ферромагнетиков в других металлических средах возникает и электрическая энергия из тепловой. Получение термо-ЭДС при сплавлении в узкой зоне контакта двух разных металлов достаточно убедительно доказывают такое преобразование одного вида энергии в другой вид. Можно, конечно же, и в этом случае строить фантастические гипотезы о перелётах заряженных частиц из одной среды в другую, но можно предложить и более простую.
В зоне соединения двух разных металлов при их сваривании с последующим остыванием происходит особое формирование кристаллической среды. Каждый тип металла имеет свои особенности по многим физическим параметрам (теплоёмкости, теплопроводности и другим). Эти разные параметры металлов приводят к тому, что в зоне соединения формируется кристаллическая среда с преимущественным направлением образующихся кристаллов из расплава в сторону одного из металлов. Такой процесс формирования кристаллов аналогичен искусственному формированию монокристаллов для полупроводниковой техники. Другими словами можно сказать, что в зоне сваривания двух металлических сред должна существовать ярко выраженная односторонняя тепловая и электрическая проводимость.
В среде металлов постоянно происходит преобразование тепловой энергии в электрическую, только эта энергия, замыкаясь через соседние кристаллы подобно магнитной энергии в ферромагнетиках, снова превращается в тепловую благодаря возникающим токам Фуко. В зоне же сваривания сформированные кристаллы одного направления образуют область направленного продвижения возникающей электрической энергии, откуда и появляется разность потенциалов на концах сваренных проводников.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В предлагаемой статье проведён некоторый критический анализ существующих на данный период времени воззрений на окружающий нас микромир. Основным выводом этого анализа является тот факт, что в современной науке сформировано устойчивое убеждение о господстве в микромире заряженных частиц. Никаких альтернативных воззрений на устройство микромира не существует, несмотря на то, что в трактовке поведения заряженных частиц большое количество явно недоказанных утверждений и фантастических вольностей в рассуждениях. До тех пор, пока представители высшей технической науки будут упорно продвигать, и развивать идеи заряженных частиц, никогда не появятся и не разовьются другие воззрения на причины возникновения сил взаимодействия между телами на расстоянии. Попытаться же заставить человеческий разум думать по-другому в массовом сознании можно в том случае, когда представители этой высокой науки заставят себя хотя бы на очень короткое время вернуться в своё школьное детство, и попытаться переосмыслить многие фундаментальные установки, заложенные в учебники по физике.
Как было отмечено выше, изучение электричества начинается с явления электризации расчёски при трении о волосы. Обнаружить появление статического электричества на расчёске по притягиваемым бумажкам действительно очень просто, но кто и каким образом обнаружил другой знак электрического потенциала в волосах нашей головы, совершенно непонятно. Видимо, это какой-то технический трюк, неопубликованный в печати. Для определения противоположных знаков возникающего при трении электричества можно использовать наиболее близкие замены материалов: вместо волос использовать обычную шерстяную ткань, а вместо расчёски пластмассовую линейку. В натёртой тканью линейке по десяткам притянутых мелких бумажек к ней обнаружить электрический потенциал очень просто, но в ткани ничего обнаружить не удаётся. Ни одна, даже самая маленькая бумажка, не желает притянуться к шерстяной или синтетической ткани. Так куда же делся положительный электрический потенциал, если отрицательно заряженные электроны перелетели в линейку?
Натирать небольшим кусочком ткани можно поочерёдно десятки заготовленных линеек, в каждой из них выявлять наличие возбуждённой энергии, но в ткани по-прежнему отыскать ничего не удаётся. Откуда же возникли тогда эти отряды электронов, которые внедрились в тела линеек и могут в них существовать в течение многих часов.
Этот элементарный опыт аналогичен предложенному выше опыту с электростатической машиной, но очень прост в реализации.
Если уважаемые мэтры современной науки найдут немного времени, повторят ряд самых простых опытов из теории заряженных частиц, и смогут убедиться в значительном количестве формальных и недоказанных обстоятельств существования этих частиц, то могут появиться и другие пути в развитии физической науки. Самым первым законом, определившим количественные соотношения положительных и отрицательных зарядов, стал закон о равенстве этих зарядов в телах. Этот закон определил во многом и предположенное устройство атомов. Атом существует на электрических силах взаимодействия, но благодаря равенству количества противоположных зарядов сам атом считается электрически нейтральным. В таком случае необходимо доказать каким-то экспериментом правомочность существования такого закона, но ведь таких доказательств до сих пор не существует.
Самая большая ставка в развитии современной фундаментальной науки делается на получение данных от работы ускорителей заряженных частиц. Так, может быть, стоит сначала стопроцентно убедиться, что заряженные частицы действительно существуют, а не являются фантастическим плодом человеческого воображения. Громадные материальные средства, закладываемые в строительство всё новых ускорителей придуманных заряженных частиц, вполне могут оказаться той мифической пушкой, которая предназначена для стрельбы по воробьям. В дорогостоящих ускорителях, вероятнее всего, не разгоняются заряженные частицы, а возбуждаются частотные излучения примерно таких же параметров, какие возникают при радиоактивных реакциях.
В январе месяце 2013-го года в средствах массовой информации прошло сообщение, что российскими учёными на каком-то ускорителе открыт новый, 117-й, химический элемент периодической системы, время жизни которого составляет несколько миллионных долей секунды. Так неужели снова возвращаются годы середины двадцатого столетия, когда беспрерывно открывались всё новые и новые частицы и химические элементы. Когда общее число открытых частиц стало приближаться к трём сотням, то было принято решение больше частиц не открывать. Сейчас же научному миру приходится, скорее всего, каким-то образом оправдывать заложенные средства в современные ускорители заряженных частиц, и начинается очередной виток открытий новых частиц и элементов?
Наука последних веков начала бороться с изобретательством вечных двигателей, но при этом сама же изобрела настоящий вечный двигатель в образе устройства атома. В стационарном режиме, без обмена энергией с другими атомами, энергия взаимодействия электронов с протонами ядра является неисчерпаемой величиной, значит это вечный двигатель.
ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДВИЖЕНИЕ
ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДВИЖЕНИЕ
В электрическом и магнитном полях - частиц в пространстве под действием сил этих полей. Ниже рассмотрены движения частиц плазмы, хотя нек-рые положения являются общими и для плазмы твёрдых тел (металлов, полупроводников). Различают следующие основные типы движения заряж. частиц (ДЗЧ): равноускоренное в пост. электрич. , вращательно-поступательное (по спирали) в пост. магн. поле, дрейфовое движение из-за слабой неоднородности магн. поля или под действием др. сил, перпендикулярных магн. полю. В ансамбле заряж. частиц (плазме) с неоднородной концентрацией возникает . В общем виде движение отдельной заряж. частицы описывается ур-нием:
Где r
-
радиус-вектор частицы, v
-
скорость, m=
-масса, p
= mv
-
импульс, е -
заряд, E
и H
-
напряжённости электрич. и магн. полей соответственно. Правая часть (1) - выражение для Лоренца силы.
Из (1) следует, что изменение кинетич. энергии E к = mс 2 со временем равняется работе, производимой электрич. полем:
Магн.
поле работы не совершает, т. сила перпендикулярна вектору скорости. В случае статич. полей из (2) следует интеграл энергии:
где U
(r
) -
потенциал электрич. поля E
= -
nU.
Для полей E
и Н
,произвольно меняющихся во времени и пространстве, ур-ния (1) не интегрируемы в общем виде; лишь для простых типов полей они интегрируемы точно. Во многих практически важных случаях разработаны приближённые методы решения ур-ний (1) с помощью . В постоянном электрическом поле
в нерелятивистском случае (v
<
В неоднородном электростатическом поле
ДЗЧ имеет глубокую аналогию с распространением световых лучей в прозрачной преломляющей среде. Для заряда, движущегося в пространстве, в к-ром на некоторой границе имеется скачок потенциала U(x
При прохождении через границу частица испытывает силы, направленной по нормали, а тангенциальная составляющая остаётся неизменной: v
1 sin a= v
2 sin b (a, b - углы падения и "преломления"). Подставляя значения v
1 и v
2 , получаем условие 
полностью совпадающее с обычной формулировкой закона преломления в оптике. Роль показателя преломления играет квадратный корень из значения потенциала в данной точке. Эта аналогия позволяет использовать методы геом. оптики и служит основой для создания электронной и ионной оптики.
В постоянном магнитном поле
ДЗЧ можно представить в виде 
где w H =-еНс/
E -
величина постоянная (магн. поле работы не совершает, поэтому E=const), наз. ларморовской частотой. Интегрируя это ур-ние с учётом (1) и выбирая ось z вдоль Н
,
получим:
где 
- радиус окружности (ларморовский радиус), к-рая является проекцией траектории частицы на плоскость, перпендикулярную магн. полю;
a=arctg [v y
(0)/v x
(0)].
Как следует из (4), траектория частицы в пост. магн. поле представляет собой спираль с радиусом r и шагом l
= 2pv
z / | w H | . В постоянных и однородных электрических и магнитных полях
ДЗЧ обладает рядом особенностей. Пост. магн. поле не влияет на характер движения частицы вдоль Н (ось z);
в этом направлении частица движется равноускоренно:
В направлении, перпендикулярном магн. полю, ускоренно частицы не происходит. Под воздействием перпендикулярной магн. полю электрич. поля частицы получают пост. скорости 
, наз. скоростью дрейфа (см. Дрейф заряженных частиц).
В системе координат, движущейся с пост. скоростью v
д, траектория ДЗЧ в скрещенных электрич. и магн. полях {E z =0, v
z (0)=0} также представляет собой ларморовскую окружность. Для нерелятивистской частицы (v
<
Для решения ур-ний (1) в статич. неоднородных полях, в к-рых характерный масштаб неоднородности значительно превышает ларморовский радиус r<
Первый член в правой части (5) описывает ДЗЧ вдоль силовой линии, второй - дрейф в скрещенных полях, третий - дрейф из-за неоднородности поля, четвёртый - т. н. центробежный дрейф, связанный с кривизной силовых линий (h
n
)h
=n
/R
(n
-
орт нормали, h
-
орт, параллельный Н
, R -
радиус кривизны). При движении заряж. частицы сохраняется её магн. момент, наз. первым адиабатич. инвариантом:
Сохранение m представляет собой проявление принципа адиабатической инвариантностипри квазипериодич. движении. В произвольной консервативной системе выражение для адиабатич. инварианта имеет вид где предполагается, что по координате q i
имеет место квазипериодич. движение. В случае ларморовского вращения (j - вращения). Тогда I
1 , то есть m = const. Если частица колеблется вдоль силовых линий, то в таком движении сохраняется интеграл 
Выражая v ||
черезE к и m, получаем наз. обычновторым адиабатич. инвариантом. Для выполнения условий его существования необходимо, чтобы за период одного продольного частицы магн. поле, вдоль силовой линии к-poro движется частица, изменилось мало. Такое изменение может быть вызвано, напр., пространств. неоднородностью магн. поля, приводящей к поперечному дрейфу частицы (во к-рого она переходит с одной силовой линии на другую), а также нестационарностью магн. поля. В последнем случае энергия частицы уже не является интегралом движения, но адиабатич. инвариант I 2 сохраняется в обычном смысле. Открытые ловушки, Магнитные ловушки). Лит.:
Спитцер Л., Физика полностью ионизованного газа, пер. с англ., М., 1965; К р о л л Н., Т р а й в е л п и с А., Основы физики плазмы, пер. с англ., М., 1975; Арцимович Л. А., С а г д е е в Р. 3., Физика плазмы для физиков, М., 1979. Е. В
. Мишин, В. Н. Ораевский.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Смотреть что такое "ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДВИЖЕНИЕ" в других словарях:
Движение заряж. частиц внутри монокристалла вдоль каналов, образованных параллельными рядами атомов или плоскостей. К. з. ч. было предсказано М. Т. Робинсоном (М. Т. Robinson) и О. С. Оэном (О. S. Оеп) в 1961 и обнаружено в 1963. Различают… … Физическая энциклопедия
беспорядочное движение заряженных частиц - Движение заряженных частиц, характеризующееся равной вероятностью любых направлений движения этих частиц в данном элементе объема … Политехнический терминологический толковый словарь
Движение протонов, электронов и др. заряженных частиц, попавших в монокристалл, вдоль каналов, образованных параллельными рядами атомов или кристаллографич. плоскостями. Предсказано И. Штарком в 1912, обнаружено в 1963 65. Каналированные частицы … Естествознание. Энциклопедический словарь
В плазме, относительно медленное направленное перемещение заряж. ч ц (эл нов и ионов) под действием разл. причин, налагающихся на осн. движение (закономерное или беспорядочное). Напр., осн. движение заряж. ч цы в однородном магн. поле в… … Физическая энциклопедия
Устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное… …
Установки, служащие для ускорения заряж. частиц до высоких энергий. При обычном словоупотреблении ускорителями (У.) наз. установки, рассчитанные на ускорение частиц до энергий более МэВ. На рекордном У. протонов теватроне достигнута энергия 940… … Физическая энциклопедия
В кристаллах, движение частиц вдоль «каналов», образованных параллельными друг другу рядами атомов. При этом частицы испытывают скользящие столкновения (импульс почти не меняется) с рядами атомов, удерживающих их в этих «каналах» (рис.).… … Большая советская энциклопедия
Ускорение заряженных частиц в современных ускорителях происходит благодаря взаимодействию заряда частицы с внешним электромагнитным полем (см. Ускорители заряженных частиц). Эффективность ускорения, т. е. средняя энергия, сообщаемая… … Большая советская энциклопедия
Кристаллах, движение частиц вдоль «каналов», образованных параллельными друг другу рядами атомов. При этом частицы испытывают скользящие столкновения (импульс почти не меняется) с рядами атомов, удерживающих их в этих «каналах» (рис.). Если… … Большая советская энциклопедия
Медленное (по сравнению с тепловым движением) направленное движение заряженных частиц (электронов, ионов и т. д.) в среде под внешним воздействием, например электрических полей. * * * ДРЕЙФ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДРЕЙФ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, медленное (по … Энциклопедический словарь
Книги
- Статическая и динамическая электронная оптика , Стэррок П. , В довольно обширной учебной литературе по электронной оптике небольшая книга Стэррока занимает особое место. Эта книга не для начинающих. В ней нет элементарных вводных глав; с самого начала… Категория:
«Физика - 10 класс»
Вначале рассмотрим наиболее простой случай, когда электрически заряженные тела находятся в покое.
Раздел электродинамики, посвящённый изучению условий равновесия электрически заряженных тел, называют электростатикой .
Что такое электрический заряд?
Какие существуют заряды?
Со словами электричество, электрический заряд, электрический ток вы встречались много раз и успели к ним привыкнуть. Но попробуйте ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» Само понятие заряд - это основное, первичное понятие, которое не сводится на современном уровне развития наших знаний к каким-либо более простым, элементарным понятиям.
Попытаемся сначала выяснить, что понимают под утверждением: «Данное тело или частица имеет электрический заряд».
Все тела построены из мельчайших частиц, которые неделимы на более простые и поэтому называются элементарными .
Элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения. С увеличением расстояния между частицами сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Большинство элементарных частиц, хотя и не все, кроме того, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила во много раз превосходит силу тяготения.
Так в атоме водорода, изображённом схематически на рисунке 14.1, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 10 39 раз превышающей силу гравитационного притяжения.
Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными .
Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.
Взаимодействие заряженных частиц называется электромагнитным .
Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.
Электрический заряд элементарной частицы - это не особый механизм в частице, который можно было бы снять с неё, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование определённых силовых взаимодействий между ними.
Мы, в сущности, ничего не знаем о заряде, если не знаем законов этих взаимодействий. Знание законов взаимодействий должно входить в наши представления о заряде. Эти законы непросты, и изложить их в нескольких словах невозможно. Поэтому нельзя дать достаточно удовлетворительное краткое определение понятию электрический заряд .
Два знака электрических зарядов.
Все тела обладают массой и поэтому притягиваются друг к другу. Заряженные же тела могут как притягивать, так и отталкивать друг друга. Этот важнейший факт, знакомый вам, означает, что в природе есть частицы с электрическими зарядами противоположных знаков; в случае зарядов одинаковых знаков частицы отталкиваются, а в случае разных притягиваются.
Заряд элементарных частиц - протонов , входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов - отрицательным. Между положительными и отрицательными зарядами внутренних различий нет. Если бы знаки зарядов частиц поменялись местами, то от этого характер электромагнитных взаимодействий нисколько бы не изменился.
Элементарный заряд.
Кроме электронов и протонов, есть ещё несколько типов заряженных элементарных частиц. Но только электроны и протоны могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Остальные же заряженные частицы живут менее миллионных долей секунды. Они рождаются при столкновениях быстрых элементарных частиц и, просуществовав ничтожно малое время, распадаются, превращаясь в другие частицы. С этими частицами вы познакомитесь в 11 классе.
К частицам, не имеющим электрического заряда, относится нейтрон . Его масса лишь незначительно превышает массу протона. Нейтроны вместе с протонами входят в состав атомного ядра. Если элементарная частица имеет заряд, то его значение строго определено.
Заряженные тела Электромагнитные силы в природе играют огромную роль благодаря тому, что в состав всех тел входят электрически заряженные частицы. Составные части атомов - ядра и электроны - обладают электрическим зарядом.
Непосредственно действие электромагнитных сил между телами не обнаруживается, так как тела в обычном состоянии электрически нейтральны.
Атом любого вещества нейтрален, так как число электронов в нём равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.
Макроскопическое тело заряжено электрически в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком заряда. Так, отрицательный заряд тела обусловлен избытком числа электронов по сравнению с числом протонов, а положительный - недостатком электронов.
Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, т. е. наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного или перенести на нейтральное тело отрицательный заряд.
Это можно сделать с помощью трения. Если провести расчёской по сухим волосам, то небольшая часть самых подвижных заряженных частиц - электронов перейдёт с волос на расчёску и зарядит её отрицательно, а волосы зарядятся положительно.
Равенство зарядов при электризации
С помощью опыта можно доказать, что при электризации трением оба тела приобретают заряды, противоположные по знаку, но одинаковые по модулю.
Возьмём электрометр, на стержне которого укреплена металлическая сфера с отверстием, и две пластины на длинных рукоятках: одна из эбонита, а другая из плексигласа. При трении друг о друга пластины электризуются.
Внесём одну из пластин внутрь сферы, не касаясь её стенок. Если пластина заряжена положительно, то часть электронов со стрелки и стержня электрометра притянется к пластине и соберётся на внутренней поверхности сферы. Стрелка при этом зарядится положительно и оттолкнётся от стержня электрометра (рис. 14.2, а).
Если внести внутрь сферы другую пластину, вынув предварительно первую, то электроны сферы и стержня будут отталкиваться от пластины и соберутся в избытке на стрелке. Это вызовет отклонение стрелки от стержня, причём на тот же угол, что и в первом опыте.
Опустив обе пластины внутрь сферы, мы вообще не обнаружим отклонения стрелки (рис. 14.2, б). Это доказывает, что заряды пластин равны по модулю и противоположны по знаку.
Электризация тел и её проявления. Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей. Снимая с себя рубашку из синтетического материала в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескивание. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькие искорки.
В типографиях происходит электризация бумаги при печати, и листы слипаются. Чтобы это не происходило, применяют специальные устройства для стекания заряда. Однако электризация тел при тесном контакте иногда используется, например, в различных электрокопировальных установках и др.
Закон сохранения электрического заряда.
Опыт с электризацией пластин доказывает, что при электризации трением происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, до этого нейтральными. Небольшая часть электронов переходит с одного тела на другое. При этом новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают.
При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда . Этот закон справедлив для системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы, т. е. для изолированной системы .
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется.
q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const. (14.1)
где q 1 , q 2 и т. д. - заряды отдельных заряженных тел.
Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Если число заряженных элементарных частиц не меняется, то выполнение закона сохранения заряда очевидно. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая жизнь новым частицам.
Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами; исчезают заряженные частицы тоже только парами, превращаясь в нейтральные. И во всех этих случаях алгебраическая сумма зарядов остаётся одной и той же.
Справедливость закона сохранения заряда подтверждают наблюдения над огромным числом превращений элементарных частиц. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина сохранения заряда до сих пор неизвестна.
Электромагнитная сила, действующая на заряженную частицу, складывается из сил, действующих со стороны электрического и магнитного полей:
Силу, определяемую формулой (3.2), называют обобщенной силой Лоренца. Учитывая действие двух полей, электрического и магнитного, говорят, что на заряженную частицу действует электромагнитное поле.
Рассмотрим
движение заряженной частицы в одном
только электрическом поле. При этом
здесь и далее предполагается, что частица
нерелятивистская, т.е. ее
скорость существенно меньше
скорости света. На частицу действует
только электрическая составляющая
обобщенной силы Лоренца
.
Согласно второму закону Ньютона частица
движется с ускорением:
,
(3.3)
которое
направленно вдоль вектора
в случае положительного заряда и против
вектора
в случае отрицательного заряда.
Разберем
важный случай движения заряженной
частицы в однородном электрическом
поле. В этом случае частица движется
равноускоренно (
).
Траектория движения частицы зависит
от направления ее начальной скорости.
Если начальная скорость равна нулю или
направлена вдоль вектора
,
движение частицы прямолинейное и
равноускоренное. Если же начальная
скорость частицы направлена под углом
к вектору
,
то траекторией движения частицы будет
парабола. Траектории движения заряженной
частицы в однородном электрическом
поле такие же, как и траектории свободно
(без сопротивления воздуха) падающих
тел в гравитационном поле Земли, которое
вблизи поверхности Земли можно считать
однородным.
Пример
3.1
. Определить
конечную скорость частицы массой
и зарядом
,
пролетевшей в однородном электрическом
поле
расстояние
.
Начальная скорость частицы равна нулю.
Решение . Так как поле однородно, а начальная скорость частицы равна нулю, движение частицы будет прямолинейным равноускоренным. Запишем уравнения прямолинейного равноускоренного движения с нулевой начальной скоростью:
.
Подставим величину ускорения из уравнения (3.3) и получим:
.
В
однородном поле
(см. 1.21). Величину
называют ускоряющей разностью потенциалов.
Таким образом, скорость, которую набирает
частица, проходя ускоряющую разность
потенциалов
:
.
(3.4)
При
движении в неоднородных электрических
полях ускорение заряженных частиц
переменное, и траектории будут более
сложными. Однако, задачу о нахождении
скорости частицы, прошедшей ускоряющую
разность потенциалов
,
можно решить исходя из закона сохранения
энергии. Энергия движения заряженной
частицы (кинетическая энергия) изменяется
за счет работы электрического поля:
.
Здесь
использована формула (1.5) для работы
электрического поля по перемещению
заряда
.
Если начальная скорость частицы равна
нулю (
)
или мала по сравнению с конечной
скоростью, получим:
,
откуда следует формула (3.4). Таким образом,
эта формула остается справедливой и в
случае движения заряженной частицы в
неоднородном поле. В этом примере
показаны два способа решения физических
задач. Первый способ основан на
непосредственном применении законов
Ньютона. Если же действующие на тело
силы переменны, бывает более целесообразным
использование второго способа, основанного
на законе сохранения энергии.
Теперь
рассмотрим движение заряженных частиц
в магнитных полях. Изменение кинетической
энергии частицы в магнитном поле могло
бы произойти только за счет работы силы
Лоренца:
.
Но работа силы Лоренца всегда равна
нулю, значит кинетическая энергия
частицы, а вместе с тем и модуль ее
скорости не изменяются. Заряженные
частицы движутся в магнитных полях с
постоянными по модулю скоростями. Если
электрическое поле может быть ускоряющим
по отношению к заряженной частице, то
магнитное поля может быть только
отклоняющим, т. е. изменять лишь направление
ее движения.
Рассмотрим варианты траекторий движения заряда в однородном поле.
1.
Вектор магнитной индукции параллелен
или антипараллелен начальной скорости
заряженной частицы. Тогда из формулы
(3.1) следует
.
Следовательно, частица будет двигаться
прямолинейно и равномерно вдоль линий
магнитного поля.
или
.
Сила
Лоренца постоянна по величине и направлена
перпендикулярно скорости и вектору
магнитной индукции. Значит, частица
будет двигаться все время в одной
плоскости. Кроме того, из второго закона
Ньютона следует, что и ускорение частицы
будет постоянно по величине и
перпендикулярно скорости. Это возможно
только тогда, когда траектория частицы
– окружность, а ускорение частицы
центростремительное. Подставляя во
второй закон Ньютона величину
центростремительного ускорения
и величину силы Лоренца
,
находим радиус окружности:
.
(3.5)
Отметим, что период вращения частицы не зависит от ее скорости:
.
к начальной скорости частицы (рис. 3.3).
Прежде всего, отметим еще раз, что
скорость частицы по модулю остается
постоянной и равной величине начальной
скорости
.
Скорость
можно разложить на две составляющие:
параллельную вектору магнитной индукции
и перпендикулярную вектору магнитной
индукции
.Ясно,
что если бы частица влетела в магнитное
поле, имея только составляющую
,
то она в точности как в случае 1 двигалась
бы равномерно по направлению вектора
индукции.
Если
бы частица влетела в магнитное поле,
имея одну только составляющую скорости
,
то она оказалась бы в тех же условиях,
что и в случае 2. И, следовательно,
двигалась бы по окружности, радиус
которой определяется опять-таки из
второго закона Ньютона:
.
Таким
образом, результирующее движение частицы
представляет собой одновременно
равномерное движение вдоль вектора
магнитной индукции со скоростью
и равномерное вращение в плоскости,
перпендикулярной вектору магнитной
индукции со скоростью
.
Траектория такого движения представляет
собой винтовую линию или спираль (см.
рис. 3.3). Шаг спирали
– расстояние, пролетаемое частицей
вдоль вектора индукции за время одного
оборота:
.
Откуда известны массы мельчайших заряженных частиц (электрона, протона, ионов)? Каким образом удается их «взвесить» (ведь, на весы их не положишь!)? Уравнение (3.5) показывает, что для определения массы заряженной частицы нужно знать радиус ее трека при движении в магнитном поле. Радиусы треков мельчайших заряженных частиц определяют с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, или с помощью более совершенной пузырьковой камеры. Принцип их работы прост. В камере Вильсона частица движется в пересыщенном водяном паре и является ядром конденсации пара. Микрокапельки, конденсирующиеся при пролете заряженной частицы, отмечают ее траекторию. В пузырьковой камере (изобретенной лишь полвека назад американским физиком Д. Глейзером) частица движется в перегретой жидкости, т.е. нагретой выше точки ее кипения. Это состояние неустойчиво и при пролете частицы происходит вскипание, вдоль ее следа образуется цепочка пузырьков.Подобную картину можно наблюдать, бросив в стакан с пивом крупинку поваренной соли: падая, она оставляет след из пузырьков газа. Пузырьковые камеры являются важнейшим инструментом для регистрации мельчайших заряженных частиц, являясь по сути, основными информативными приборами экспериментальной ядерной физики.
