Протон массасы. Протон – элементар бөлшек.Кәдімгі бірлікте протонның заряды қандай?
9-тарау. Элементар зарядтар. Электрон және протон
§ 9.1. Электромагниттік масса және заряд. Зарядтың мәні туралы сұрақ
5-тарауда біз инерция механизмін білдік, «инерциялық масса» дегеніміз не және оны қандай электрлік құбылыстар мен элементар зарядтардың қасиеттері анықтайтынын түсіндірдік. 7-тарауда біз гравитация және «гравитациялық масса» құбылысы үшін де солай істедік. Денелердің инерциясы да, ауырлығы да элементар бөлшектердің геометриялық өлшемімен және олардың зарядымен анықталатыны анықталды. Геометриялық өлшем таныс ұғым болғандықтан, инерция және гравитация сияқты іргелі құбылыстар аз зерттелген бір ғана затқа – «зарядқа» негізделген. Осы уақытқа дейін «заряд» ұғымы жұмбақ және дерлік мистикалық. Алғашында ғалымдар тек макроскопиялық зарядтармен айналысты, яғни. макроскопиялық денелердің зарядтары. Ғылымда электр тогын зерттеудің басында көзге көрінбейтін «электрлік сұйықтықтар» туралы идеялар қолданылды, олардың артық болуы немесе жетіспеушілігі денелердің электрленуіне әкеледі. Ұзақ уақыт бойы пікірталас оның бір сұйықтық немесе екеуі: оң және теріс екендігі туралы ғана болды. Содан кейін олар «элементар» заряд тасымалдаушылар, электрондар және иондалған атомдар бар екенін анықтады, яғни. артық электроны немесе жетіспейтін электроны бар атомдар. Тіпті кейінірек «ең қарапайым» оң заряд тасымалдаушылар – протондар ашылды. Содан кейін көптеген «элементар» бөлшектер бар және олардың көпшілігінің электр заряды болатыны белгілі болды, ал шама бойынша бұл заряд әрқашан
q 0 ≈ 1,602 10− 19 С зарядтың кейбір минималды анықталатын бөлігінің еселігі. Бұл
бөлігі «элементар заряд» деп аталды. Заряд дененің электрлік әрекеттесулерге және, атап айтқанда, электростатикалық әрекеттесулерге қатысу дәрежесін анықтайды. Бүгінгі күнге дейін элементар зарядтың не екендігі туралы түсінікті түсінік жоқ. Тақырып бойынша зарядтың басқа зарядтардан тұратыны (мысалы, бөлшек заряд мәндері бар кварктар) туралы кез келген тұжырым түсініктеме емес, мәселенің схоластикалық «бұлыңғырлығы» болып табылады.
Бұрын белгілегенімізді пайдалана отырып, зарядтар туралы өзіміз ойлануға тырысайық. Зарядтар үшін белгіленген негізгі заң Кулон заңы екенін еске түсірейік: екі зарядталған дененің өзара әрекеттесу күші олардың зарядтарының шамаларының көбейтіндісіне тура пропорционал және олардың арасындағы қашықтықтың квадратына кері пропорционал. Егер біз Кулон заңын кез келген нақты зерттелген физикалық механизмдерден шығаратын болсақ, онда біз зарядтардың мәнін түсінуге қадам жасаймыз. Элементар зарядтар сыртқы дүниемен әрекеттесу тұрғысынан толығымен олардың электр өрісімен: оның құрылымымен және қозғалысымен анықталатынын жоғарыда айттық. Және олар қарапайым зарядтардағы инерция мен ауырлық күшін түсіндіргеннен кейін қозғалыстан басқа ештеңе жоқ екенін айтты электр өрісі, және ешқайсысы қалмады. Ал электр өрісі вакуумның, эфирдің, пленумның бұзылған күйлерінен басқа ештеңе емес. Ал, дәйекті болайық және электрон мен оның зарядын қозғалатын өріске дейін азайтуға тырысайық! Біз 5-тарауда протонның зарядының белгісі мен геометриялық өлшемін қоспағанда, электронға толығымен ұқсас екенін болжадық. Егер электронды қозғалатын өріске келтіру арқылы біз зарядтың белгісін де, бөлшектердің заряд мөлшерінің өлшемге тәуелсіздігін де түсіндіре алатынымызды көретін болсақ, онда біздің тапсырмамыз ең болмағанда бірінші жуықтау үшін орындалады.
§ 9.2. Біртүрлі ағыстар мен жат толқындар. Жазық электрон
Алдымен r 0 радиусы дөңгелек жол бойымен қозғалатын сақиналы зарядтың өте жеңілдетілген үлгі жағдайын (9.1-сурет) қарастырайық. Ал жалпы оған рұқсат етіңіз
электрлік бейтарап, яғни. оның ортасында қарама-қарсы таңбалы заряд бар. Бұл «жалпақ электрон» деп аталады. Біз нағыз электрон деген осы деп айтып отырған жоқпыз, тек екі өлшемді жағдайда бос элементар зарядқа эквивалентті электрлік бейтарап объектіні алуға бола ма, жоқ па, соны түсінуге тырысамыз. Эфирдің байланысқан зарядтарынан (вакуум, пленум) зарядымызды құруға тырысайық. Белгілі болу үшін сақинаның заряды теріс болсын, ал сақина сағат тілімен қозғалады (9.1-сурет). Бұл жағдайда ток I t сағат тіліне қарсы бағытта өтеді. Кішкентайды таңдайық
сақина зарядының элементі dq және оған аз ұзындығы dl тағайындаңыз. Уақыттың әр сәтінде dq элементі v t тангенциалдық жылдамдықпен және a n қалыпты үдеумен қозғалатыны анық. Осындай қозғалыспен dI элементінің жалпы тогын байланыстыруға болады -
векторлық шама. Бұл мән тұрақты тангенциалды ток ретінде ұсынылуы мүмкін dI t, оның бағытын ағынмен үнемі «бұрады».
уақыт, яғни жеделдетілген. Яғни, бар қалыпты үдеу dI&n. Қиындық
Әрі қарай қарастыру осы уақытқа дейін физикада негізінен жеделдету токтың бағытымен бір түзу сызықта болатын айнымалы токтарды қарастырғанымызға байланысты. Бұл жағдайда жағдай басқаша: ток перпендикуляроның жеделдетуіне. Ал не? Бұл физиканың бұрын бекітілген заңдарын жоққа шығара ма?
Күріш. 9.1. Сақиналық ток және оның сынақ зарядына күш әсері
Оның магнит өрісі элементар токтың өзімен байланысты болатыны сияқты (Био-Саварт-Лаплас заңы бойынша), элементар токтың үдеуі де алдыңғы тарауларда көрсеткеніміздей, индукцияның электр өрісімен байланысты. Бұл өрістер сыртқы q зарядына F күш әрекетін жасайды (9.1-сурет). Радиусы r 0 шекті болғандықтан, әрекеттер
Сақинаның оң жақ жартысының (суретке сәйкес) элементар токтары сол жақ жартысының элементар токтарының қарама-қарсы әсерімен толығымен өтелмейді.
Осылайша, сақиналы ток I мен сыртқы сынақ заряды q арасында болуы керек
күш әсерлесуі пайда болады.
Нәтижесінде, біз алыпсатарлық түрде құрылыста толығымен электрлік бейтарап болатын, бірақ сақиналы ток бар объектіні жасай алатынымызды анықтадық. Вакуумдағы сақиналы ток дегеніміз не? Бұл бұрмалық ток. Біз оны қарама-қарсы зарядтардың толық қалған бөлігімен байланысты теріс (немесе керісінше - оң) вакуумдық зарядтардың айналмалы қозғалысы ретінде елестете аламыз.
В орталық. Оны сондай-ақ оң және теріс байланысқан зарядтардың бірлескен айналмалы қозғалысы ретінде елестетуге болады, бірақ әртүрлі жылдамдықта немесе әртүрлі радиустар бойынша немесе
В әртүрлі жақтары... Сайып келгенде, жағдайды қалай қарасақ та, солай болады
айналмалы электр өрісіне дейін төмендетіңіз E, шеңберде тұйықталған . Бұл магнит өрісін жасайды B, токтардың ағып кетуімен байланысты және қосымша, шектелмеген крсағ hom электр өрісі Eind , бұл ағымдардың болуына байланыстыжеделдетілген.
Бұл нақты элементар зарядтардың жанында (мысалы, электрондар) байқайтын нәрсе! Міне, біздің «электростатикалық» өзара әрекеттесу феноменологиясы. Электронды құру үшін бос зарядтар (бөлшек немесе басқа заряд мәндері бар) қажет емес. Тек жеткілікті байланысқан вакуумдық зарядтар! Есіңізде болсын, қазіргі заманғы түсініктерге сәйкес, фотон да қозғалатын электр өрісінен тұрады және әдетте электрлік бейтарап. Егер фотон сақинаға «бүгілсе», онда оның заряды болады, өйткені оның электр өрісі енді түзу сызықты және біркелкі емес, жылдам қозғалатын болады. Енді әртүрлі таңбалы зарядтардың қалай түзілетіні белгілі болды: егер «сақина үлгісіндегі» Е өрісі (9.1-сурет) бөлшектің ортасынан шеткі жағына бағытталған болса, онда заряд бір таңбалы болады, егер керісінше болса. , содан кейін екіншісі. Электронды (немесе позитронды) ашсақ, фотонды жасаймыз. Шындығында, бұрыштық импульсті сақтау қажеттілігіне байланысты зарядты фотонға айналдыру үшін екі қарама-қарсы зарядты алып, оларды біріктіріп, соңында екі электрлік бейтарап фотонды алу керек. Бұл құбылыс (аннигиляция реакциясы) іс жүзінде тәжірибелерде байқалады. Демек, бұл заряд - бұл электр өрісінің моменті! Әрі қарай, біз формулалар мен есептеулер жасауға тырысамыз және айнымалы ығысу ток жағдайына қолданылатын индукция заңдарынан Кулон заңын шығарамыз.
§ 9.3. Кулон заңы Фарадей индукция заңының салдары ретінде
Екі өлшемді (жазық) жуықтауда электрон электростатикалық мағынада токтың айналмалы қозғалысына тең, ол шамасы бойынша r 0 радиусы бойынша жылдамдықпен қозғалатын q 0 заряд тогына тең екенін көрсетейік. жарық жылдамдығына тең c .
Ол үшін жалпы дөңгелек ток I (9.1-сурет) Idl элементар токтарға бөлеміз, q сынақ заряды орналасқан нүктеде әрекет етуші dE ind есептеп, сақина үстінде біріктіреміз.
Сонымен, біздің жағдайда сақина арқылы өтетін ток мынаған тең:
(9.1) I = q 0 v = q 0 c . 2 π r 0 2 π r 0
Бұл ток қисық сызықты, яғни жеделдетілген болғандықтан, ол
айнымалылар:
И. Мисюченко |
Құдайдың соңғы құпиясы |
|||||||
dt 2 π r |
2πr |
|||||||
мұндағы a - әрбір ток элементінің шеңбер бойымен c жылдамдығымен қозғалған кездегі центрге тартқыш үдеу.
a = c 2 үдеуіне кинематикадан белгілі өрнекті қойып, мынаны аламыз: r 0
q0 c2 |
||||||
2πr |
2 π r 2 |
|||||
Ағымдағы элементтің туындысы мына формуламен өрнектелетіні анық:
dl = |
q0 c2 |
дл. |
|||||
2πr |
2 π r 2 |
||||||
Био-Саварт-Лаплас заңынан келесідей, әрбір ток элементі Idl сынақ заряды орналасқан жерде «элементар» магнит өрісін жасайды:
(9,5) дБ = |
I[dl,rr] |
|||
4-тараудан қарапайым токтың айнымалы магнит өрісі электр тогын тудыратыны белгілі:
(9.6) dE r = v r B dB r = |
μ 0 |
|||||||||
I[dl,r] |
||||||||||
Енді осы өрнекке (9.4) элементар дөңгелек токтың туындысының мәнін ауыстырайық:
dl sin(β) |
|||||||||||
dE = |
|||||||||||
2 π r 2 |
|||||||||||
Осы қарапайым электр өрісінің кернеуліктерін ағымдағы контур бойымен, яғни шеңберде анықтаған барлық dl бойынша біріктіру қалады:
q0 c2 |
күнә(β) |
r 2 ∫ |
күнә(β) |
||||||||
E = ∫ dE = ∫ 8 π |
2 π r 2 |
dl = |
16 π 2 ε |
дл. |
|||||||
Бұрыштар бойынша интегралдау мынаны беретінін көру оңай (9.1-сурет):
(9.9) ∫ |
күнә(β) |
4 π r 2 |
|||
dl = 2 π r0 |
r 2 0 |
r 2 0 . |
Сәйкесінше, сынақ заряды орналасқан нүктедегі біздің қисық сызықты токтан индукцияның E инд электр өрісінің кернеулігінің жалпы мәні тең болады.
Егер сіз атомның құрылымымен таныс болсаңыз, онда кез келген элемент атомы үш түрлі элементар бөлшектерден: протондардан, электрондардан және нейтрондардан тұратынын білетін шығарсыз. Протондар нейтрондармен қосылып атом ядросын құрайды.Протонның заряды оң болғандықтан, атом ядросы әрқашан оң зарядталады. атом ядросы оны қоршаған басқа элементар бөлшектердің бұлты арқылы өтеледі. Теріс зарядталған электрон протон зарядын тұрақтандыратын атомның құрамдас бөлігі болып табылады. Қоршаған атом ядросына байланысты элемент не электрлік бейтарап (атомдағы протондар мен электрондардың саны бірдей болған жағдайда) немесе оң немесе теріс зарядты болуы мүмкін (тиісінше электрондардың жетіспеушілігі немесе артық болуы жағдайында ). Белгілі бір зарядты алып жүретін элемент атомы ион деп аталады.
Элементтердің қасиеттерін және олардың периодтық жүйедегі орнын анықтайтын протондар саны екенін есте ұстаған жөн. Д.И.Менделеев. Құрамында атом ядросынейтрондардың заряды жоқ. Протондар өзара байланысқан және іс жүзінде бір-біріне тең, ал электронның массасы олармен салыстырғанда шамалы (1836 есе аз) болғандықтан, атом ядросындағы нейтрондар саны өте маңызды рөл атқарады, атап айтқанда: ол жүйенің тұрақтылығын және ядролардың жылдамдығын анықтайды Мазмұны нейтрондар элементтің изотопын (түрлілігін) анықтайды.
Бірақ зарядталған бөлшектердің массалары арасындағы сәйкессіздікке байланысты протондар мен электрондардың меншікті зарядтары әртүрлі болады (бұл шама элементар бөлшек зарядының оның массасына қатынасымен анықталады). Нәтижесінде протонның меншікті заряды 9,578756(27)·107 С/кг, электрон үшін -1,758820088(39)·1011. Жоғары меншікті зарядқа байланысты бос протондар сұйық ортада бола алмайды: олар гидратталған болуы мүмкін.
Протонның массасы мен заряды өткен ғасырдың басында белгіленген ерекше мәндер болып табылады. Бұл ХХ ғасырдағы ең үлкен жаңалықтардың бірі – қай ғалым? 1913 жылы Резерфорд көпшілікке белгілі екенін негізге алған химиялық элементтерсутегі атомының массасынан бүтін есе көп болса, ол сутегі атомының ядросы кез келген элемент атомының ядросына кіреді деп есептеді. Біраз уақыттан кейін Резерфорд азот атомының ядроларының альфа бөлшектерімен әрекеттесуін зерттейтін эксперимент жүргізді. Тәжірибе нәтижесінде атом ядросынан бөлшек ұшып шықты, оны Резерфорд «протон» (грекше «protos» - бірінші сөзінен) деп атады және оны сутегі атомының ядросы деп есептеді. Бұл ғылыми тәжірибені бұлтты камерада қайталау арқылы болжам тәжірибе жүзінде дәлелденді.
Сол Резерфорд 1920 жылы атом ядросында массасы протонның массасына тең, бірақ ешқандай электр зарядын көтермейтін бөлшектің болуы туралы гипотезаны алға тартты. Алайда Резерфордтың өзі бұл бөлшекті анықтай алмады. Бірақ 1932 жылы оның студенті Чедвик атом ядросында нейтронның бар екенін эксперименталды түрде дәлелдеді - бөлшек, Резерфорд болжағандай, массасы шамамен протонға тең. Нейтрондарды анықтау қиынырақ болды, өйткені олардың электр заряды жоқ және сәйкесінше басқа ядролармен әрекеттеспейді. Зарядтың болмауы нейтрондардың өте жоғары ену қабілетін түсіндіреді.
Атом ядросында протондар мен нейтрондар өте күшті күшпен байланысқан. Енді физиктер бұл екі элементар ядролық бөлшектердің бір-біріне өте ұқсас екендігімен келіседі. Сонымен, олардың спиндері бірдей, ал ядролық күштер оларға мүлдем бірдей әсер етеді. Жалғыз айырмашылығы - протонның оң заряды бар, ал нейтронның заряды мүлдем жоқ. Бірақ содан бері электр зарядыядролық әрекеттесулерде ешқандай маңызы жоқ, оны тек протон белгісінің бір түрі ретінде қарастыруға болады. Егер сіз протонды электр зарядынан айырсаңыз, ол өзінің индивидуалдылығын жоғалтады.
Бұл мақалада сіз химия мен физикада қолданылатын басқа элементтерімен бірге ғаламның негізін құрайтын қарапайым бөлшек ретінде протон туралы ақпаратты таба аласыз. Протонның қасиеттері, оның химиядағы сипаттамалары және тұрақтылығы анықталады.
Протон дегеніміз не
Протон барионға жатқызылатын элементар бөлшектердің өкілдерінің бірі, мысалы. онда фермиондар күшті әрекеттеседі, ал бөлшектің өзі 3 кварктан тұрады. Протон тұрақты бөлшек және жеке импульсі бар - спин ½. Протонның физикалық белгісі б(немесе б +)
Протон - элементар бөлшек, термоядролық типті процестерге қатысу. Дәл осы реакция түрі бүкіл ғаламдағы жұлдыздар тудыратын энергияның негізгі көзі болып табылады. Күн шығаратын энергияның барлық дерлік мөлшері тек 4 протонның бір гелий ядросына қосылуы және екі протоннан бір нейтронның пайда болуы есебінен ғана бар.
Протонға тән қасиеттер
Протон - бариондардың өкілдерінің бірі. Бұл факт. Протонның заряды мен массасы - тұрақтылар. Протон электрлік зарядталған +1 және оның массасы әртүрлі өлшем бірліктерімен анықталады және MeV 938,272 0813(58), протонның килограммында салмағы 1,672 621 898(21) 10 −27 кг сандарында, атомдық масса бірлігінде протонның салмағы 1,007 276 466 879(91) а. e.m., ал электронның массасына қатысты протонның салмағы электронға қатысты 1836,152 673 89 (17) болады.
Анықтамасы жоғарыда келтірілген протон, физика тұрғысынан, изоспин +½ проекциясы бар элементар бөлшек, ал ядролық физика бұл бөлшекті қарама-қарсы таңбамен қабылдайды. Протонның өзі нуклон болып табылады және 3 кварктан тұрады (екі u кварк және бір d кварк).
Протонның құрылымын Америка Құрама Штаттарынан келген ядролық физик Роберт Хофштадтер эксперименталды түрде зерттеді. Осы мақсатқа жету үшін физик протондарды жоғары энергиялы электрондармен соқтығысты және оның сипаттамасы үшін физика бойынша Нобель сыйлығының лауреаты атанды.
Протонның құрамында протонның электр зарядының энергиясының шамамен отыз бес пайызын қамтитын ядро (ауыр ядро) бар және жеткілікті жоғары тығыздыққа ие. Ядроны қоршап тұрған қабық салыстырмалы түрде разрядталған. Қабық негізінен виртуалды мезондардан тұрады және п типті және протонның электрлік потенциалының шамамен елу пайызын тасымалдайды және шамамен 0,25 * 10 13 - 1,4 * 10 13 қашықтықта орналасқан. Одан әрі, шамамен 2,5 * 10 13 сантиметр қашықтықта қабық виртуалды мезондардан тұрады және протонның электр зарядының шамамен он бес пайызын қамтиды.
Протонның тұрақтылығы және тұрақтылығы
Бос күйде протон ыдырау белгілерін көрсетпейді, бұл оның тұрақтылығын көрсетеді. Бариондардың ең жеңіл өкілі ретінде протонның тұрақты күйі бариондар санының сақталу заңымен анықталады. SBC заңын бұзбай, протондар нейтриноларға, позитрондарға және басқа жеңіл элементар бөлшектерге ыдырауға қабілетті.
Атомдар ядросының протоны K, L, M атомдық қабықшалары бар электрондардың белгілі бір түрлерін ұстау қабілетіне ие. Электронды ұстап алуды аяқтаған протон нейтронға айналады және нәтижесінде нейтрино бөледі, ал электрондарды ұстау нәтижесінде пайда болған «тесік» астындағы атом қабаттарының үстіндегі электрондармен толтырылады.
Инерциялық емес анықтамалық жүйелерде протондар есептеуге болатын шектеулі өмір сүру уақытына ие болуы керек; бұл Unruh эффектісіне (сәулелену) байланысты, ол кванттық теорияөріс жылулық сәулеленудің осы түрі болмаған кезде жеделдететін анықтамалық жүйедегі ықтимал ойлауды болжайды. Осылайша, протон, егер оның шектеулі өмір сүру мерзімі болса, мұндай ыдырау процесінің өзіне ZSE тыйым салғанына қарамастан, позитронға, нейтронға немесе нейтриноға бета ыдырауы мүмкін.
Протондардың химияда қолданылуы
Протон бір протоннан құрастырылған Н атомы және электроны жоқ, сондықтан химиялық мағынада протон Н атомының бір ядросы болып табылады.Протонмен жұпталған нейтрон атомның ядросын жасайды. Дмитрий Иванович Менделеевтің PTCE-де элемент нөмірі белгілі бір элемент атомындағы протондардың санын көрсетеді, ал элемент нөмірі атом зарядымен анықталады.
Сутегі катиондары өте күшті электронды акцепторлар. Химияда протондар негізінен органикалық және минералды қышқылдардан алынады. Ионизация - газ фазаларында протондарды алу әдісі.
Электр зарядының этеродинамикалық мәніне және элементар бөлшектердің құрылымдарына негізделген бұл мақала протонның, электронның және фотонның электр зарядтарының мәндерін есептеуді қамтамасыз етеді.
Жалған білім білімсіздіктен де қауіпті
Дж.Б.Шоу
Кіріспе.Қазіргі физикада электр зарядының бірі болып табылады ең маңызды сипаттамаларыжәне элементар бөлшектерге тән қасиет. Этеродинамикалық ұғым негізінде анықталған электр зарядының физикалық мәнінен электр зарядының шамасының оның тасымалдаушысының массасына пропорционалдылығы сияқты бірқатар қасиеттер шығады; электр заряды квантталмай, кванттармен (бөлшектермен) тасымалданады; электр зарядының шамасының белгілі белгісі бар, яғни ол әрқашан оң болады; элементар бөлшектердің табиғатына айтарлықтай шектеулер қояды. Атап айтқанда: табиғатта электр заряды жоқ элементар бөлшектер жоқ; Элементар бөлшектердің электр зарядының шамасы оң және нөлден үлкен. Физикалық мәніне сүйене отырып, электр зарядының шамасы массасымен, элементар бөлшектің құрылымын құрайтын эфир ағынының жылдамдығымен және олардың геометриялық параметрлерімен анықталады. Электр зарядының физикалық мәні ( электр заряды – эфир ағынының өлшемі) элементар бөлшектердің этеродинамикалық моделін бір мәнді түрде анықтайды, сол арқылы бір жағынан элементар бөлшектердің құрылымы туралы мәселені жояды және екінші жағынан стандартты, кварк және басқа элементар бөлшектердің модельдерінің сәйкессіздігін көрсетеді.
Электр зарядының шамасы элементар бөлшектердің электромагниттік әсерлесуінің қарқындылығын да анықтайды. Электромагниттік әсерлесудің көмегімен атомдар мен молекулалардағы протондар мен электрондардың әрекеттесуі жүреді. Осылайша, электромагниттік өзара әрекеттесу мұндай микроскопиялық жүйелердің тұрақты күйінің мүмкіндігін анықтайды. Олардың өлшемдері электрон мен протонның электр зарядтарының шамасымен айтарлықтай анықталады.
Қате түсіндіру қазіргі физикақасиеттері, мысалы, оң және теріс, элементар, дискретті, квантталған электр зарядының болуы және т.б., электр зарядының шамасын өлшеу бойынша тәжірибелерді дұрыс түсінбеу элементар бөлшектер физикасында бірқатар өрескел қателерге әкелді (құрылымсыз электрон, фотонның нөлдік массасы мен заряды, нейтриноның болуы, протон мен электронның электр зарядтарының абсолютті мәніндегі элементарға теңдігі).
Жоғарыда айтылғандардан қазіргі физикадағы элементар бөлшектердің электр зарядының микроәлемнің негіздерін түсінуде шешуші маңызы бар және олардың мәндерін теңгерімді және негізді бағалауды талап ететіні шығады.
Табиғи жағдайда протондар мен электрондар байланысқан күйде болып, протон-электрондық жұптарды құрайды. Бұл жағдайды дұрыс түсінбеу, сондай-ақ электрон мен протонның зарядтары абсолюттік мәні бойынша элементар зарядқа тең деген қате пікір қалды. қазіргі физикасұраққа жауапсыз: протонның, электронның және фотонның электр зарядтарының нақты мәні қандай?
Протон мен электронның электр заряды.Табиғи күйінде протон-электрондық жұп сутегі атомының химиялық элементі түрінде болады. Теория бойынша: «Сутегі атомы тотықсызданбайды құрылымдық бірлікМенделеевтің периодтық жүйесінің жоғарғы жағындағы зат. Осыған байланысты сутегі атомының радиусын негізгі константаға жатқызу керек. ... Есептелген Бор радиусы = 0,529 Å. Бұл маңызды, өйткені сутегі атомының радиусын өлшеудің тікелей әдістері жоқ. ...Бор радиусы электронның айналмалы орбитасының шеңберінің радиусы болып табылады және ол «радиус» терминінің жалпы қабылданған түсінігіне толық сәйкес анықталады.
Сондай-ақ протон радиусын өлшеу қарапайым сутегі атомдары арқылы жүргізілгені белгілі, бұл (CODATA -2014) 0,8751 ± 0,0061 фемтометр (1 фм = 10 -15 м) нәтижеге әкелді.
Протонның (электронның) электр зарядының шамасын анықтау үшін электр зарядының жалпы өрнегін қолданамыз:
q = (1/ к) 1/2 u r (ρ С) 1/2 , (1)
мұндағы k = 1 / 4πε 0 – Кулон заңының өрнегінен пропорционалдық коэффициенті,
ε0 ≈ 8,85418781762039·10 −12 F m −1 – электр тұрақтысы; u – жылдамдық, ρ – эфир ағынының тығыздығы; S – протон (электрон) денесінің көлденең қимасы.
(1) өрнегін төмендегідей түрлендірейік
q = (1/ к) 1/2 u r (Ханым/ В) 1/2 ,
Қайда В = r С – дене көлемі, м — элементар бөлшектің массасы.
Протон мен электрон дутондар болып табылады: - бөліну жазықтығына қатысты симметриялы тордың бүйір беттерімен қосылған екі тор тәрізді денеден тұратын құрылым, сондықтан
q = (1/ к) 1/2 u r (м2 С Т/2 В Т) 1/2 ,
Қайда С Т- бөлім, r- ұзындығы, В Т = r СТ— торустың көлемі.
q = (1/ к) 1/2 u r (mS T/ В Т) 1/2 ,
q = (1/k) 1/2 u r (mS T /rS T) 1/2 ,
q = (1/ к) 1/2 u (Мырза) 1/2 . (2)
(2) өрнек протонның (электронның) электр заряды үшін (1) өрнектің модификациясы болып табылады.
R 2 = 0,2 R 1 болсын, мұндағы R 1 - торустың сыртқы және R 2 ішкі радиустары.
r= 2π 0,6 Р 1 ,
тиісінше протон мен электронның электр заряды
q = ( 1/ к) 1/2 u (м 2π 0,6 R 1 ) 1/2 ,
q= (2π 0,6 / к) 1/2 u (м R 1 ) 1/2 ,
q= 2π ( 1.2 ε 0 ) 1/2 u (м R 1 ) 1/2
q = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u (м R 1 ) 1/2 (3)
(3) өрнек протон мен электрон үшін электр зарядының шамасын өрнектеу түрі болып табылады.
Сағат u = 3∙10 8 м / с – эфирдің екінші дыбыс жылдамдығы, өрнек 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u = 2.19 π( 8,85418781762 10 −12 F/m ) 1/2 3∙10 8 м / c = 0,6142∙ 10 4 м 1/2 F 1/2 с -1 .
Жоғарыда келтірілген құрылымдағы протонның (электронның) радиусы R 1 радиусы деп алайық.
Протон үшін m р = 1,672∙10 -27 кг, R 1 = r р = 0,8751∙10 -15 м болатыны белгілі, сонда
qР = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u (м R 1 ) 1/2 = 0,6142∙10 4 [м 1/2 F 1/2 с -1 ] ∙ (1,672∙10 -27 [кг] ∙
0,8751∙10 -15 [м]) 1/2 = 0,743∙10 -17 Кл.
Осылайша, протонның электр заряды qР= 0,743∙10 -17 Кл.
Электрон үшін m e = 0,911∙10 -31 кг болатыны белгілі. Электронның радиусын анықтау үшін, электронның құрылымы протонның құрылымына ұқсас, ал электрон денесіндегі эфир ағынының тығыздығы да протон денесіндегі эфир ағынының тығыздығына тең деп есептей отырып, біз мынаны қолданамыз: протон мен электрон массаларының арасындағы белгілі қатынас, ол тең
м р / м e = 1836,15.
Сонда r r /r e = (m r /m e) 1/3 = 1836,15 1/3 = 12,245, яғни r e = r r /12,245.
Электронның мәліметтерін өрнекке (3) ауыстырсақ, аламыз
q e = 0,6142∙10 4 [м 1/2 F 1/2 /с] ∙ (0,911∙10 -31 [кг] 0,8751∙10 -15 [м]/12,245) 1/2 =
0,157∙10 -19 Кл.
Осылайша, электронның электр заряды qой = 0,157∙10 -19 Cl.
Протонның меншікті заряды
q р /м р = 0,743∙10 -17 [C] /1,672∙10 -27 [кг] = 0,444∙10 10 С /кг.
Меншікті электрон заряды
q e / m e = 0,157∙10 -19 [C] /0,911∙10 -31 [кг] = 0,172∙10 12 С /кг.
Протон мен электронның электр зарядтарының алынған мәндері есептік болып табылады және іргелі статусқа ие емес. Бұл протон-электрондық жұптағы протон мен электронның геометриялық және физикалық параметрлері өзара тәуелді және зат атомындағы протон-электрондық жұптың орналасуымен анықталады және заңмен реттеледі. бұрыштық импульстің сақталуы. Электронның қозғалыс орбитасының радиусы өзгерген кезде протон мен электронның массасы және сәйкесінше өз айналу осінің айналасында айналу жылдамдығы да сәйкесінше өзгереді. Электр заряды массаға пропорционал болғандықтан, протонның немесе электронның массасының өзгеруі сәйкесінше олардың электр зарядтарының өзгеруіне әкеледі.
Сонымен, заттың барлық атомдарында протондар мен электрондардың электр зарядтары бір-бірінен ерекшеленеді және өзіндік ерекше мағынаға ие, алайда бірінші жуықтау бойынша олардың мәндерін электр зарядының мәндері ретінде бағалауға болады. жоғарыда анықталған сутегі атомының протоны мен электронының. Сонымен қатар, бұл жағдай зат атомының электр заряды оның бірегей сипаттамасы екенін көрсетеді, оны анықтау үшін пайдалануға болады.
Сутегі атомы үшін протон мен электронның электр зарядтарының шамасын біле отырып, сутегі атомының тұрақтылығын қамтамасыз ететін электромагниттік күштерді бағалауға болады.
Өзгертілген Кулон заңына сәйкес электрлік тартылыс күші Fprтең болады
Fpr = k (q 1 - q 2) 2 / r 2,сағ q 1 ≠ q 2,
мұндағы q 1 – протонның электр заряды, q 2 – электронның электр заряды, r – атомның радиусы.
Fpr =(1/4πε 0)(q 1 - q 2) 2 / r 2 = (1/4π 8,85418781762039 10 −12 F m −1)
- (0,743∙10 -17 С - 0,157∙10 -19 С) 2 /(5,2917720859·10 −11 ) 2 = 0,1763·10 -3 Н.
Сутегі атомында электронға 0,1763·10 -3 Н-ге тең электрлік (кулондық) тартылыс күші әсер етеді.Сутегі атомы тұрақты күйде болғандықтан, магниттік тебілу күші де 0,1763·10 -3 Н-ге тең. Салыстыру үшін барлық ғылыми және оқу әдебиетікүштерді есептеуді қамтамасыз етеді электрлік өзара әрекеттесу, мысалы, 0,923·10 -7 N нәтижесін береді. Әдебиетте келтірілген есептеу дұрыс емес, өйткені ол жоғарыда қарастырылған қателерге негізделген.
Қазіргі физика атомнан электронды шығару үшін қажетті минималды энергия сутегі атомы үшін 13,6 эВ болатын иондану энергиясы немесе байланыс энергиясы деп аталады. Протон мен электронның электр зарядының алынған мәндері негізінде сутегі атомындағы протон мен электронның байланыс энергиясын есептейік.
Оңтүстік Америка шығыс бөлігінің стандартты уақыты. = F pr ·r n = 0,1763·10 -3 · 6,24151·10 18 эВ/м · 5,2917720859·10 −11 = 58271 эВ.
Сутегі атомындағы протон мен электронның байланыс энергиясы 58,271 КеВ.
Алынған нәтиже иондану энергиясы түсінігінің дұрыс еместігін және Бордың екінші постулатының қателігін көрсетеді: « Жарық сәулелену электронның энергиясы жоғары стационарлық күйден энергиясы аз стационарлық күйге өткенде пайда болады. Шығарылатын фотонның энергиясы стационарлық күйлердің энергияларының айырмашылығына тең».Сыртқы факторлардың әсерінен протон-электрон жұбының қозу процесінде электрон протоннан белгілі бір шамаға ығысады (алысқан), оның максимал мәні иондану энергиясымен анықталады. Фотондар протон-электрондар жұбы арқылы пайда болғаннан кейін электрон бұрынғы орбитасына оралады.
Сутегі атомын кейбір қозу кезіндегі электрондардың максималды орын ауыстыруының шамасын есептейік сыртқы факторэнергия 13,6 эВ.
Сутегі атомының радиусы 5,29523·10 −11 тең болады, яғни ол шамамен 0,065%-ға артады.
Фотонның электр заряды.Этеродинамикалық концепция бойынша фотон дегеніміз: элементар бөлшек, оның гироскопиялық моменттерінен туындаған торустың сақиналы қозғалысы (дөңгелек тәрізді) және оның ішіндегі бұрандалы қозғалысы бар, ілгерілемелі циклоидты қозғалысты (бұрандалы траектория бойынша) жүзеге асыратын тығыздалған эфирдің тұйық тороидты құйындысы айналмалы жол бойымен меншікті айналу және айналу және энергияны беруге арналған.
Фотонның спиральды траектория бойынша қозғалатын тороидты құйынды дене ретіндегі құрылымына негізделген, мұндағы r γ λ - сыртқы радиус, m γ λ - масса, ω γ λ - айналудың табиғи жиілігі, фотонның электр заряды. келесідей көрсетуге болады.
Есептеулерді жеңілдету үшін фотон денесіндегі эфир ағынының ұзындығын қабылдаймыз r = 2π r γ λ ,
u = ω γ λ r γ λ , r 0 λ = 0,2 r γ λ – фотон денесінің көлденең қима радиусы.
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 (м λ r 3 γ λ ) 1/2 . (4)
(4) өрнек фотонның жеке электр зарядын дөңгелек жол бойындағы қозғалысты есепке алмай көрсетеді. ε 0, m λ, r γ λ параметрлері квазитұрақты, яғни. фотонның бар болуының барлық диапазонында (инфрақызылдан гаммаға дейін) мәндері шамалы өзгеретін айнымалылар (% бөліктері). Бұл фотонның меншікті электр заряды өз осінің айналасында айналу жиілігінің функциясы екенін білдіреді. Жұмыста көрсетілгендей ω γ λ Г гамма фотонының жиіліктерінің инфрақызыл фотонға ω γ λ И қатынасы ω γ λ Г /ω γ λ И ≈ 1000, ал фотонның мәні ω γ λ И. меншікті электр заряды да сәйкесінше өзгереді. IN заманауи жағдайларбұл шаманы өлшеу мүмкін емес, сондықтан тек теориялық мәнге ие.
Фотонның анықтамасы бойынша оның күрделі бұрандалы қозғалысы бар, ол дөңгелек жол бойымен қозғалысқа және түзу сызықты ыдырауы мүмкін. Фотонның электр зарядының жалпы мәнін бағалау үшін дөңгелек жол бойындағы қозғалысты ескеру қажет. Бұл жағдайда фотонның меншікті электр заряды осы дөңгелек жол бойымен таралған болып шығады. Спиральдық траекторияның қадамы фотонның толқын ұзындығы ретінде түсіндірілетін қозғалыстың кезеңділігін ескере отырып, фотонның жалпы электр зарядының мәнінің оның толқын ұзындығына тәуелділігі туралы айтуға болады.
Электр зарядының физикалық мәнінен электр зарядының шамасы оның массасына, демек оның көлеміне пропорционал болатыны шығады. Сонымен, фотонның меншікті электр заряды фотонның өз денесінің көлеміне пропорционал (V γ λ). Сол сияқты, фотонның жалпы электр заряды оның дөңгелек жол бойымен қозғалысын ескере отырып, дөңгелек жол бойымен қозғалатын фотонды құрайтын көлемге (V λ) пропорционал болады.
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 Р λ / Л 2 r γ λ . (5)
мұндағы L = r 0γλ /r γλ – фотон құрылымының параметрі, көлденең қима радиусының фотон денесінің сыртқы радиусына қатынасына тең (≈ 0,2), V T = 2π 2 R r 2 – торустың көлемі , R - торустың генератрицасының айналу шеңберінің радиусы; r - торус шеңберінің генератрицасының радиусы.
q λ = q γ λ Р λ / Л 2 r γ λ = 2π(2ε 0) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ) 1/2 Р λ / Л 2 r γ λ ,
q λ = 2 π (2 ε 0 ) 1/2 ω γ λ (м λ r γ λ ) 1/2 Р λ / Л 2 . (6)
(6) өрнек фотонның жалпы электр зарядын көрсетеді. Жалпы электр зарядының фотонның геометриялық параметрлеріне тәуелділігіне байланысты, оның мәндері қазіргі уақытта үлкен қателікпен белгілі, электр зарядының нақты мәнін есептеу арқылы алу мүмкін емес. Дегенмен, оны бағалау бірқатар маңызды теориялық және практикалық қорытындылар жасауға мүмкіндік береді.
Жұмыстан алынған деректер үшін, яғни. λ = 225 нм кезінде, ω γ λ ≈ 6,6641·10 30 р/с,
м λ≈ 10 -40 кг, r γ λ ≈ 10 -20 м, Р λ ≈ 0,179·10 -16 м, Л≈ 0,2, фотонның жалпы электр зарядының мәнін аламыз:
q λ = 0, 786137 ·10 -19 Кл.
Толқын ұзындығы 225 нм фотонның жалпы электр зарядының алынған мәні Р.Милликан өлшенген шамаға (1,592·10 -19 С) жақсы сәйкес келеді, ол фактіні ескере отырып, кейінірек іргелі тұрақтыға айналды. оның мәні екі фотонның электр зарядына сәйкес келетінін. Фотонның есептелген электр зарядын екі есе көбейтіңіз:
2q λ = 1,57227·10 -19 Кл,
Халықаралық бірліктер жүйесінде (SI) элементар электр заряды 1,602 176 6208(98) 10 −19 С-қа тең. Элементар электр зарядының екі еселенген мәні протон-электрондық жұп өзінің симметриясының арқасында әрқашан екі фотонды тудыратындығына байланысты. Бұл жағдай электрон-позитрон жұбының аннигиляциясы сияқты процестің болуымен тәжірибе жүзінде расталады, т.б. электрон мен позитронның өзара жойылу процесінде екі фотонның пайда болуына уақыт бар, сонымен қатар фотокөбейткіштер мен лазерлер сияқты танымал құрылғылардың болуы.
Қорытындылар.Сонымен, бұл жұмыста электр зарядының микроәлемнің элементар бөлшектердің, атомдардың және басқа құрылымдарының мәнін түсінуде маңызды рөл атқаратын табиғаттың іргелі қасиеті екендігі көрсетілген.
Электр зарядының эфирлі-динамикалық мәні қазіргі физикаға белгілі элементтерден ерекшеленетін элементар бөлшектердің құрылымдарын, қасиеттерін және параметрлерін түсіндірудің негіздемесін беруге мүмкіндік береді.
Сутегі атомының эфирлі-динамикалық моделі және электр зарядының физикалық мәні негізінде протонның, электронның және фотонның электр зарядтарының есептік бағалары келтірілген.
Протон мен электронға арналған деректер қазіргі уақытта эксперименттік растаудың жоқтығынан теориялық сипатқа ие, алайда қатені ескере отырып, оларды теорияда да, практикада да қолдануға болады.
Фотонға арналған деректер электр зарядының шамасын өлшеу бойынша белгілі тәжірибелердің нәтижелерімен жақсы сәйкес келеді және элементар электр зарядының қате көрсетілуін негіздейді.
Әдебиет:
- Лямин В.С., Лямин Д.В. Электр зарядының физикалық мәні.
- Кастерин Н.П. Аэродинамика мен электродинамиканың негізгі теңдеулерін жалпылау
(Аэродинамикалық бөлік). Физикалық гидродинамика мәселелері / Мақалалар жинағы ред. БССР ҒА академигі А.В. Лыкова. – Минск: БССР ҒА жылу және масса алмасу институты, 1971 ж. 268 – 308. - Ацюковский В.А. Эфирдің жалпы динамикасы. Газ тәріздес эфир концепциясы негізінде заттардың және өрістердің құрылымдарын модельдеу. Екінші басылым. М.: Энергоатимиздат, 2003. 584 б.
- Емельянов В.М. Стандартты модель және оның кеңейтімдері. – М.: Физматлит, 2007. – 584 б.
- Жабу F. Кварктар мен партондарға кіріспе. – М.: Мир, 1982. – 438 б.
- Ахиезер A I, Rekalo M P «Электр заряды элементар бөлшектер» UFN 114 487–508 (1974). .
- Физикалық энциклопедия. 5 томда. - М.: Кеңес энциклопедиясы. Бас редакторы А.М.Прохоров. 1988.
Лямин В.С. , Лямин Д.В. Львов
АНЫҚТАУ
Протонсутегі атомының ядросы болып табылатын адрондар класына жататын тұрақты бөлшек деп аталады.
Ғалымдар протонның ашылуын қандай ғылыми оқиға деп санау керектігі жөнінде келіспейді. Протонды ашуда маңызды рөл атқарды:
- Э.Резерфордтың атомның планетарлық моделін құру;
- Ф.Содди, Дж.Томсон, Ф.Астонның изотоптарды ашуы;
- Э.Резерфордтың азот ядроларының альфа бөлшектерімен сутегі атомдарының ядроларының әрекетін бақылаулары.
Протон іздерінің алғашқы фотосуреттерін П.Блэкетт бұлтты камерада элементтердің жасанды түрлену процестерін зерттеу кезінде алған. Блэкетт альфа-бөлшектерді азот ядроларымен ұстау процесін зерттеді. Бұл процесте протон бөлініп, азот ядросы оттегінің изотопына айналды.
Протондар нейтрондармен бірге барлық химиялық элементтердің ядроларының бөлігі болып табылады. Ядродағы протондар саны элементтің атомдық нөмірін анықтайды мерзімді кестеД.И. Менделеев.
Протон – оң зарядталған бөлшек. Оның заряды шамасы бойынша элементар зарядқа, яғни электрон зарядының мәніне тең. Протонның заряды жиі деп белгіленеді, онда мынаны жаза аламыз:
Қазіргі уақытта протон элементар бөлшек емес деп саналады. Ол күрделі құрылымды және екі u-кварк пен бір d-кварктан тұрады. u-кварктың электр заряды () оң және ол тең
d-кварктың электр заряды () теріс және мынаған тең:
Кварктар өріс кванттары болып табылатын глюондардың алмасуын байланыстырады, олар күшті өзара әрекеттеседі. Протондардың құрылымында бірнеше нүктелік шашырау орталықтары болатынын протондар арқылы электрондардың шашырауы бойынша тәжірибелер дәлелдейді.
Протонның шектеулі мөлшері бар, ғалымдар бұл туралы әлі дауласып жатыр. Қазіргі уақытта протон бұлыңғыр шекарасы бар бұлт түрінде ұсынылған. Мұндай шекара үнемі пайда болатын және жойылатын виртуалды бөлшектерден тұрады. Бірақ қарапайым есептердің көпшілігінде протонды, әрине, нүктелік заряд деп санауға болады. Протонның қалған массасы () шамамен мынаған тең:
Протонның массасы электронның массасынан 1836 есе артық.
Протондар барлық іргелі өзара әрекеттесулерге қатысады: күшті өзара әрекеттесу протондар мен нейтрондарды ядроларға біріктіреді, электрондар мен протондар электромагниттік өзара әрекеттесу арқылы атомдарда біріктіріледі. Әлсіз әрекеттесу ретінде, мысалы, нейтронның (n) бета-ыдырауын келтіруге болады:
мұндағы p - протон; — электрон; - антинейтрино.
Протонның ыдырауы әлі алынған жоқ. Бұл физиканың қазіргі заманғы маңызды мәселелерінің бірі, өйткені бұл жаңалық табиғат күштерінің бірлігін түсінудегі маңызды қадам болар еді.
Есептерді шешу мысалдары
МЫСАЛ 1
| Жаттығу | Натрий атомының ядролары протондармен бомбаланады. Протон қашықтықта болса, атом ядросынан протонның электростатикалық тебілу күші қандай болады?  м.Натрий атомының ядросының заряды протонның зарядынан 11 есе артық екенін қарастырайық. Натрий атомының электронды қабатының әсерін елемеуге болады. |
| Шешім | Мәселені шешу үшін негіз ретінде біз Кулон заңын аламыз, оны біздің мәселеміз үшін (бөлшектерді нүкте тәрізді деп есептегенде) келесідей жазуға болады:
мұндағы F – зарядталған бөлшектердің электростатикалық әсерлесу күші; Cl - протон заряды; - натрий атомының ядросының заряды; - вакуумның диэлектрлік өтімділігі; - электр тұрақтысы. Қолда бар мәліметтерді пайдалана отырып, қажетті итеру күшін есептей аламыз: |
| Жауап | Н |
МЫСАЛ 2
| Жаттығу | Сутегі атомының ең қарапайым моделін қарастыра отырып, электрон протонды (сутегі атомының ядросы) айналасында дөңгелек орбита бойынша қозғалады деп есептеледі. Электронның орбитасының радиусы m болса, оның жылдамдығы қандай? |
| Шешім | Шеңбер бойымен қозғалатын электронға әсер ететін күштерді (1-сурет) қарастырайық. Бұл протонның тартылу күші. Кулон заңы бойынша оның мәнін () тең деп жазамыз:
мұндағы =— электрон заряды; |
- протон заряды; - электр тұрақтысы. Электрон орбитасының кез келген нүктесіндегі электрон мен протон арасындағы тартылыс күші шеңбердің радиусы бойынша электроннан протонға бағытталған.
Тейлор қатарын кеңейту. Кәдімгі үшін Коши есебінің шамамен шешімі
Мектепте не ОҚЫТЫЛМАЙДЫ Мектепте нені оқытпайды деп сұраңыз
Ақшаны ойлау формуласы (А