Lādēto daļiņu virziens. Lādētu daļiņu kustība elektriskos, magnētiskos un citos spēka laukos

Ļaujiet daļiņai ar masu m un lādiņu e lidot ar ātrumu v plakana kondensatora elektriskajā laukā. Kondensatora garums ir x, lauka stiprums ir vienāds ar E. Virzoties uz augšu elektriskajā laukā, elektrons lidos cauri kondensatoram pa izliektu ceļu un izlidos no tā, novirzoties no sākotnējā virziena par y. Lauka spēka ietekmē, F = eE = ma, daļiņa kustas vertikāli paātrināti, tāpēc . Daļiņas kustības laiks pa x asi ar nemainīgu ātrumu. Tad . Un tas ir parabolas vienādojums. Tas. lādēta daļiņa pārvietojas elektriskajā laukā pa parabolu.

3. Lādētu daļiņu kustība magnētiskajā laukā.

Aplūkosim lādētas daļiņas kustību magnētiskajā laukā ar stiprumu N. Lauka līnijas ir attēlotas ar punktiem un ir vērstas perpendikulāri zīmējuma plaknei (pret mums).

Kustīga lādēta daļiņa ir elektrība. Tāpēc magnētiskais lauks novirza daļiņu uz augšu no tās sākotnējā kustības virziena (elektronu kustības virziens ir pretējs strāvas virzienam)

Saskaņā ar Ampera formulu spēks, kas novirza daļiņu jebkurā trajektorijas posmā, ir vienāds ar strāvu, kur t ir laiks, kurā lādiņš e iet pa posmu l. Tāpēc . Ņemot to vērā, mēs iegūstam

Spēku F sauc par Lorenca spēku. Virzieni F, v un H ir savstarpēji perpendikulāri. F virzienu var noteikt ar kreisās rokas likumu.

Būdams perpendikulārs ātrumam, Lorenca spēks maina tikai daļiņas ātruma virzienu, nemainot šī ātruma lielumu. No tā izriet, ka:

1. Lorenca spēka veiktais darbs ir nulle, t.i. pastāvīgs magnētiskais lauks nedarbojas ar tajā kustīgu lādētu daļiņu (nemainās kinētiskā enerģija daļiņas).

Atcerēsimies to, atšķirībā no magnētiskais lauks elektriskais lauks maina kustīgas daļiņas enerģiju un ātrumu.

2. Daļiņas trajektorija ir aplis, uz kura daļiņu notur Lorenca spēks, kas spēlē centripetāla spēka lomu.

Mēs nosakām šī apļa rādiusu r, pielīdzinot Lorenca un centripetālos spēkus:

Kur.

Tas. Apļa rādiuss, pa kuru daļiņa pārvietojas, ir proporcionāls daļiņas ātrumam un apgriezti proporcionāls magnētiskā lauka intensitātei.

Daļiņas T apgriezienu periods ir vienāds ar apkārtmēra S attiecību pret daļiņas ātrumu v: . Ņemot vērā r izteiksmi, mēs iegūstam . Līdz ar to daļiņas griešanās periods magnētiskajā laukā nav atkarīgs no tās ātruma.

Ja telpā, kurā kustas lādēta daļiņa, tiek izveidots magnētiskais lauks, kas ir vērsts leņķī pret tās ātrumu, tad daļiņas tālākā kustība būs divu vienlaicīgu kustību ģeometriskā summa: rotācija pa apli ar ātrumu plakne, kas ir perpendikulāra spēka līnijām, un kustība pa lauku ar ātrumu . Acīmredzot iegūtā daļiņas trajektorija būs spirālveida līnija.

4. Elektromagnētiskie asins ātruma mērītāji.

Elektromagnētiskā skaitītāja darbības princips ir balstīts uz kustību elektriskie lādiņi magnētiskajā laukā. Asinīs ir ievērojams daudzums elektrisko lādiņu jonu veidā.

Pieņemsim, ka noteikts skaits atsevišķi lādētu jonu pārvietojas artērijas iekšpusē ar ātrumu . Ja starp magnēta poliem novieto artēriju, joni pārvietosies magnētiskajā laukā.

1. attēlā redzamajiem virzieniem un B magnētiskais spēks, kas iedarbojas uz pozitīvi lādētiem joniem, ir vērsts uz augšu, un spēks, kas iedarbojas uz negatīvi lādētiem joniem, ir vērsts uz leju. Šo spēku ietekmē joni pārvietojas uz pretējām artērijas sienām. Šī arteriālo jonu polarizācija rada lauka E (2. att.) ekvivalentu viendabīgs lauks plakans kondensators. Tad potenciālo starpību artērijā U ar diametru d saista ar E pēc formulas. Šis elektriskais lauks, iedarbojoties uz joniem, rada elektriskos spēkus un, kuru virziens ir pretējs virzienam un, kā parādīts 2. att.

Eksperimentos, lai pētītu kodolu uzbūvi un kodolreakciju mehānismus, gandrīz vienmēr ir nepieciešams ne tikai izmērīt daļiņu enerģiju, bet arī tās identificēt. Palielinoties bombardējošo daļiņu enerģijai un masai, palielinās atvērto reakcijas kanālu skaits, un attiecīgi palielinās izveidoto kodolu kopums. Reakcijas produktu uzticamas identificēšanas problēma ir īpaši aktuāla smago jonu fizikā. Apskatīsim dažādas daļiņu identifikācijas metodes.

Identifikācija, pamatojoties uz īpatnējo enerģijas zudumu un kopējās enerģijas mērījumiem (ΔE-E metode)

Šī metode ir galvenā, pētot reakcijas ar gaismas joniem (1 H, 2 H, 3 H, 3 He, 4 He). Tajā tiek izmantots detektora teleskops, kas sastāv no plāna pārraides detektora ΔE un kopējās enerģijas absorbcijas detektora E. (Kā ΔE detektors tiek izmantoti plānā silīcija detektori, kā arī jonizācijas kameras un proporcionālie skaitītāji; kā kopējais silīcija detektori vai īpaši tīri detektori absorbcijas detektors germānija HpGe) Enerģijas zudumi ΔE detektorā

kur k ir koeficients, kas nav atkarīgs no daļiņas masas skaitļa A un lādiņa Z. AZ 2 sauc par identifikācijas parametru. ΔE kanāla signāla lielums ir proporcionāls kAZ 2 /E, E kanāls - E - kAZ 2 /E. ΔE -E plaknē sadalījumu attēlo hiperbolu saime, no kurām katra atbilst daļiņai (nuklīdam) ar noteiktu masas skaitli un lādiņu (sk. 1. att.). Pārraides detektora biezums nosaka noteikta nuklīda izmērītā enerģijas diapazona apakšējo un augšējo robežu. Ja enerģija ir zema, daļiņa gandrīz visu enerģiju atstās pārraides detektorā, un signāls no kopējās absorbcijas detektora būs mazs un “noslīcis” troksnī. Ja enerģija ir augsta, tad ir otrādi. Eksperimentālajos ΔE-E sadalījumos hiperbolas ir izplūdušas. Attēlā 2. attēlā parādīts, kā aptuveni izskatās enerģijas šķērsgriezuma projekcijas uz ΔE asi E-kanālā. Sadalījumu platumu nosaka ne tikai detektoru un elektronikas troksnis, bet arī citi faktori, tostarp:

• Plāno detektoru zudumu statistiskās svārstības.
• ΔE detektora biezuma neviendabīgums, kas izraisa enerģijas zudumu izplatīšanos tajā un E detektorā.
• Diapazonu un enerģijas zudumu izkliede mirušajos detektoru slāņos.
• Lādiņa lieluma svārstības. Zeff jona vidējais lādiņš, izejot cauri ΔE detektoram, sakrīt tikai ar vieglāko jonu atomskaitli Z. Kad Z palielinās un/vai enerģija samazinās, atšķirība starp Z un Zeff palielinās. Smagajiem joniem šīs ietekmes ietekme uz izšķirtspēju var būt ievērojami lielāka nekā zudumu statistisko svārstību ietekme.

Jo smagāki ir joni, jo vairāk šie faktori ierobežo ΔE -E metodes iespējas. Relatīvās izmaiņas identifikācijas parametrā diviem dotā elementa blakus esošajiem izotopiem
Δ A/A protoniem ir 1, 20 Ne - 0,05, argona izotopiem - 0,025 un ksenona izotopiem -<00.1. Кроме того, для идентификации тяжелых ионов нужны очень тонкие прострельные детекторы. Хорошие же твердотельные ΔE-детекторы с толщиной менее 10 мкм редкость, т.к. трудно добиться высокой однородности их толщины. Для идентификации тяжелых ионов в качестве ΔE-детектора используются газовые детекторы (ионизационные камеры и пропорциональные счетчики). В них необходимую толщину можно оперативно установить, изменив давление газа. Их площадь может быть сделана заметно большей, чем у полупроводниковых детекторов. Кроме того, они радиационно устойчивы. Недостатком газовых детекторов являются заметно худшие по сравнению с твердотельными детекторами временные характеристики.
Pieaugot atomu skaitam, var rasties situācija, kad elementa Z izotopiem, kas bagāti ar neitroniem, un elementa Z+1 izotopiem ar neitronu deficītu būs līdzīgi identifikācijas parametri.
Visi šie faktori ierobežo ΔE-E metodes pielietojamību joniem, kuru masas skaitļi A ir lielāki par ~ 20. Z izšķirtspēja ir divreiz labāka par A izšķirtspēju.

Attēlā 3. Parāda elektronikas blokshēmas piemēru daļiņu identificēšanai, izmantojot ΔE-E metodi.

ΔE- un E-kanāli ir identiski. No vienas no spektrometriskā pastiprinātāja izejām tiek noņemts bipolārs signāls, kas tiek ievadīts vienkanāla laika analizatorā. Tas kalpo, lai izceltu vēlamo amplitūdas (enerģijas) diapazonu un iegūtu laika zīmogu. Šajā gadījumā to iegūst, izmantojot bipolārā signāla nulles atskaites metodi. Signāli no laika regulētiem vienkanāla analizatoriem tiek ievadīti sakritības ķēdē, kas kontrolē lineāros vārtus. Tādējādi lineārie vārti laiž garām tikai tos signālus, kas ir interesējošajā enerģijas diapazonā un sakrīt izšķiršanas laikā. Signāli no lineārajiem vārtiem nonāk ADC un pēc tam divdimensiju analīzes sistēmā. Tagad varam atlasīt noteiktām daļiņām atbilstošus divdimensiju spektra apgabalus un projicēt šo apgabalu uz E asi, tādējādi iegūstot amplitūdas (enerģijas) spektrus atsevišķām daļiņām. Šādā veidā iegūtajos spektros sakarība starp daļiņas E enerģiju un kanāla numuru n ir nelineāra, jo E-kanālā tiek reģistrēta ne visa enerģija E, bet tikai tā, kas paliek pēc iziešanas cauri Δ E- detektors un n ir proporcionāls šai enerģijai,

n = k.

(3)

Zudumus ΔE detektorā ir viegli koriģēt, izmantojot specifisko zudumu tabulas.
Lai palielinātu enerģiju un reģistrēto daļiņu diapazonu, piemēram, ja ir vēlams vienlaicīgi reģistrēt 1 H, 2 H, 3 H, 3 He, 4 He spektrus plašā enerģijas diapazonā, varat izmantot teleskopu, kas sastāv no trim. detektori, plāni ΔE 1, biezāki ΔE 2 un E Tad zemām enerģijām un/vai smagākām daļiņām ΔE 1 detektors kalpos kā pārraides detektors, un ΔE + E detektoros notiks pilnīga absorbcija. vai vieglākas daļiņas, ΔE 1 + ΔE kalpos kā pārraides detektors 2, un detektorā E notiks pilnīga absorbcija.

Identifikācija, pamatojoties uz enerģijas un lidojuma laika mērījumiem (E-t metode)

Lidojuma laika metode ir būtiska neitronu enerģijas sadalījuma mērīšanai. Detektors šajā gadījumā tiek izmantots, lai iegūtu informāciju tikai par laiku, kad neitrons tam trāpa. Uzlādētu daļiņu gadījumā arī nav problēmu iegūt enerģētisko informāciju no detektora. Nerelativistiskām daļiņām lidojuma laiks ir saistīts ar kinētisko enerģiju ar attiecību

(4)

kur t f ir lidojuma laiks nanosekundēs, d ir lidojuma bāze metros, A ir daļiņas masas skaitlis atomu masas vienībās, E ir daļiņas kinētiskā enerģija MeV. Tādējādi, vienlaikus mērot enerģiju un lidojuma laiku, ir iespējams identificēt daļiņas pēc masas, izmērot lidojuma divdimensiju enerģijas laika sadalījumu. Joni, kuriem ir līdzīga masa, bet dažādi lādiņi, dabiski neatšķirsies.
E-t metodes masas izšķirtspēju, izmantojot pusvadītāju detektoru, gandrīz pilnībā nosaka laika izšķirtspēja

Ar Gausa sadalījumu un ΔA = 0,59 a.m.u. 95% daļiņu tiks noteiktas pareizajā masas diapazonā. Tabulā 1. attēlā parādītas masas izšķirtspējas, kas aprēķinātas, izmantojot formulu (6) dažādām enerģijām un masas skaitļiem iekārtai, kuras laidums ir 1 m un laika izšķirtspēja 1 ns.

1. tabula. Masu izšķirtspēja dažādu enerģiju un masu daļiņām.

Masas skaitlis, a.e.m.	Enerģija, MeV
	0.5	1	5	10	50	100
1	0.02	0.03	0.06	0.09	0.20	0.28
2	0.03	0.04	0.09	0.12	0.28	0.39
5	0.04	0.06	0.14	0.20	0.44	0.62
10	0.06	0.09	0.20	0.28	0.62	0.87
20	0.09	0.12	0.28	0.39	0.87	1.24
50	0.14	0.20	0.44	0.62	1.38	1.96

Attēlā 6. attēlā parādīta elektronikas blokshēma, ko var izmantot identifikācijai, izmantojot E-t metodi.

Detektora impulsi tiek ievadīti uz lādiņu jutīgā priekšpastiprinātājā. No lādiņjutīgā priekšpastiprinātāja signāli tiek nosūtīti gan uz ātrajiem, gan spektrometriskajiem pastiprinātājiem. Ātrie pastiprinātāja signāli tiek ievadīti ātrā diskriminatorā, kas kalpo laika noteikšanai. Standarta laika signāli no ātrā diskriminatora tiek nosūtīti uz VAK a starta ieeju. Apturēšanas ieeja saņem signālus no cita ātrā diskriminatora, kas ģenerē laika signālus, izmantojot periodiskas staru kūļa modulācijas (piemēram, RF ciklotrons). VAK impulsi, kuru amplitūda ir proporcionāla lidojuma laikam, nonāk ADC. Cits ADC saņem signālus no spektrometriskā pastiprinātāja, kura amplitūda ir proporcionāla enerģijai. ADC signāli nonāk divdimensiju analīzes sistēmā, tāpat kā Δ E-E metodē.
Izšķirtspēju laikā un attiecīgi masā var uzlabot, salīdzinot ar aplūkoto variantu, ja HF vietā laika noteikšanai izmanto plānu plēvi, kas novietota daļiņas ceļā. Kad daļiņas iziet cauri šai plēvei, sekundārie elektroni tiks izsisti no tās un ierakstīti mikrokanālu plāksnē. Signāli no mikrokanālu plāksnes tiek ievadīti uz lādiņu jutīgu priekšpastiprinātāju. No priekšpastiprinātāja - līdz ātrajam pastiprinātājam + ātrajam diskriminatoram. Šajā gadījumā mikrokanālu plāksnes laika signāli tiek piegādāti uz VAK starta ieeju un no daļiņu detektora uz apturēšanas ieeju.
E-t un Δ E-E metožu kombinācija ļauj virzīties uz priekšu nuklīdu atdalīšanā par Z līdz ~ 28 un par A līdz ~ 60.

Identifikācija, izmantojot magnētisko analīzi

No magnētiskās analīzes vienādojuma

kur A ir jona masas skaitlis, q ir tā lādiņš, E ir jona kinētiskā enerģija, B ir magnētiskā lauka stiprums, R ir jona izliekuma rādiuss magnētiskajā laukā, no tā izriet, ka fiksējot B un R magnētiskajā spektrometrā un vienlaikus mērot kinētisko enerģiju E, iespējams noteikt masas skaitļa attiecību pret jonu lādiņa kvadrātu, t.i. veikt identifikāciju.
Šādas sistēmas trūkums ir tās zemā efektivitāte. Detektorā nonāk daļiņas no ļoti šaura enerģijas diapazona. Lai ierakstītu visu spektru, nepieciešams atkārtoti mainīt magnētiskā lauka stiprumu. Šo trūkumu var daļēji novērst, novietojot fokusa plaknē pozīcijai jutīgus detektorus. Vēl viens trūkums ir tas, ka netiek atdalīti izotopi ar līdzīgām A/q 2 vērtībām, piemēram, blakus esošo elementu izobāri, kas atrodas vienādos lādiņu stāvokļos.
Šo trūkumu var novērst, apvienojot magnētisko analīzi ar ΔE-E metodi. Šeit tiek noņemta deģenerācija izobāros ar identiskiem jonu stāvokļiem, jo īpatnējās jonizācijas vērtība nav atkarīga no jonu lādiņa, bet gan no jona vidējā lādiņa Z eff.

Identifikācijas metožu apvienošana

Lai ticami identificētu nuklīdus plašā masas skaitļu A un atomu skaita Z diapazonā, ir izveidotas iekārtas, kurās tiek izmantotas visas trīs identifikācijas metodes. Uzrakstīsim identifikācijas vienādojumus šādā formā

Braga līknes izmantošana daļiņu identificēšanai

Īpatnējo jonizācijas enerģijas zudumu līkne pret attālumu (Bragga līkne) ir uzlādētas daļiņas "vizītkarte". Astoņdesmito gadu sākumā to ierosināja izmantot daļiņu identificēšanai. Šīs idejas īstenošanai tika izveidotas atbilstošas ​​jonizācijas kameras.
Braga līknes mērījumi gāzveida vidē ļauj iegūt šādus daļiņas raksturlielumus: tās enerģiju E, diapazonu R, īpatnējos zudumus dE/dx un Brega pīķa A BP amplitūdu (īpatnējie zudumi pie maksimālās vērtības). Braga līkne). Ir divi veidi, kā identificēt daļiņas, pamatojoties uz Braga līknes mērījumiem. Pirmajā daļiņu trajektorija ir perpendikulāra jonizācijas kameras elektrodiem, otrajā tā ir paralēla.

Daļiņu identifikācija, izmantojot jonizācijas kameru ar elektrodiem, kas ir perpendikulāri daļiņu trajektorijai
Braga līknes spektroskopija (BCS)

Rīsi. 9. Jonizācijas kameras un BCS metodes shēmas.

Attēlā 9. attēlā parādīta diagramma jonizācijas kamerai ar elektrodiem, kas ir perpendikulāri daļiņu trajektorijai. Attālums starp katodu un Frisch režģi ir lielāks par maksimālo identificējamo daļiņu diapazonu, attālums starp Frisch režģi un anodu ir mazāks par minimālo identificējamo daļiņu diapazonu. Atklātās daļiņas caur plānu ieejas logu iekļūst kamerā, kas piepildīta ar gāzi. ( Ievades logs ir plāna plastmasas plēve, kas atrodas pēc iespējas tuvāk katodam, katods šajā gadījumā ir režģis. Katods vai tā daļa var būt izgatavota no metalizētas plēves, tad vienlaikus tas kalpos kā ieejas logs.) Uzlādēta daļiņa izraisa gāzes jonizāciju. Elektronu blīvuma sadalījums pa daļiņu trasi atbilst Braga līknei. Elektroni, kas rodas jonizācijas rezultātā, vienmērīgā elektriskā laukā pārvietojas ar nemainīgu ātrumu Friša režģa virzienā. ( Elektriskā lauka vienmērīgumu nodrošina veidojošie elektrodi, kuriem spriegums tiek piegādāts no sprieguma dalītāja.) Frisch režģis pasargā anodu no lādiņiem, kas atrodas starp to un katodu. ( Lai novērstu elektronu savākšanu Friša režģī, elektriskajam laukam starp režģi un anodu jābūt lielākam nekā starp katodu un režģi.) Tādējādi pie anoda savākto lādiņu nosaka tikai elektroni, kas pārvietojas starp Friša režģi un anodu. Tas nozīmē, ka strāvas signāla forma pie anoda ir Brega līknes spoguļattēls. Gan analogā, gan digitālā signāla apstrāde tiek izmantota, lai no anoda iegūtu noderīgu informāciju, kas atrodas pašreizējā signālā.

Analogajā apstrādē signāls no anoda tiek padots uz lādiņu jutīgu priekšpastiprinātāju. No priekšpastiprinātāja signāls tiek padots uz diviem pastiprinātājiem. Vienai no tām ir liela laika konstante (~6-8 μs), lai viss signāls būtu integrēts un izejas signāla amplitūda būtu proporcionāla daļiņu enerģijai. Otram pastiprinātājam ir ievērojami mazāka laika konstante, aptuveni vienāda ar elektronu lidojuma laiku no Brega pīķa starp Friša režģi un anodu (~0,1-0,5 μs), tā amplitūda ir proporcionāla strāvas signāla A amplitūdai. BP un ​​attiecīgi jonu lādiņš. Joni ar dažādu enerģiju, bet ar vienādiem lādiņiem piedzīvo aptuveni tādus pašus īpatnējos zudumus Brega pīķa reģionā. Attēlā 10. attēlā parādīts E-A BP sadalījums. Reģionu A BP = const nosaka attālums starp Frisch režģi un anodu un attiecīgi ar to saistītā pastiprinātāja veidojošo ķēžu laika konstante. Ja jonu diapazons ir mazāks par šo attālumu, viss signāls tiek integrēts abos pastiprinātājos un identifikācija kļūst neiespējama.

Digitālajā signālu apstrādē tiek izmantoti ātri paralēli ADC, kas ļauj fiksēt signāla formu un veikt identifikāciju ne tikai pēc Z, bet arī pēc masas skaitļa A, vismaz gaismas elementiem. To var izdarīt, piemēram, izmantojot dažādiem izotopiem iegūtos standarta signālus un salīdzinot mērītā signāla formu ar standarta (sk. 11. att.).

/ Uzlādētas daļiņas. Sengrieķu mīts vai mūsdienu realitāte?

LĀDĒTAS DAĻIŅAS.
SENGRIEĶIJAS MĪTS VAI MODERNĀ REALITĀTE?

Lielākā daļa mūsdienu zinātnisko teoriju vienā vai otrā pakāpē ir saistītas vai jau ilgu laiku ir cieši saistītas ar idejām par lādētu daļiņu esamību. Šīs idejas ir tik stingri nostiprinājušās zinātniskās pasaules prātos, ka pasaules presē nav neviena argumentēta un uz pierādījumiem balstīta mēģinājuma interpretēt un izprast mijiedarbības spēku rašanās iemeslus attālumā no jebkuras citas pozīcijas. Internetā un privātajā presē ir diezgan daudz izteikumu par šaubām par elektronu esamību, taču netiek piedāvātas citas versijas, kas izskaidrotu mijiedarbības spēku rašanos.

Līdz šim viens no visvairāk izmantotajiem un uzticamākajiem instrumentiem mikropasaules izpratnē ir Vilsona kamera, kas izgudrota gandrīz pirms simts gadiem. Pamatojoties uz novērojumiem par procesiem, kas notiek gan šajā kamerā, gan citās līdzīgās instalācijās, ir izdarīti galvenie secinājumi par mikropasaules uzbūvi, par mikrodaļiņu enerģijām, masām un ātrumiem, kā arī izstrādāta teorija par atomu uzbūvi. izveidots.

Šajā rakstā ir ierosināts aplūkot procesus, kas notiek kamerās, lai novērotu lādētas daļiņas no nedaudz citas perspektīvas, un radīt dažus priekšnoteikumus, lai daļēji pārdomātu mūsu izveidotos uzskatus par mikropasaules struktūru.

LĀDĒTU DAĻIŅU NOVĒROŠANAS KAMERĀS CEĻU IZVEIDES FIZISKĀ DABA

Mākoņu kamerā notiekošo redzamo sliežu veidošanās fizisko procesu īsu aprakstu ņemsim no apraksta vidusskolas mācību grāmatā. Šī īsā un pilnīgi saprotamā sliežu veidošanās interpretācija mūsu apziņā ir iestrādāta jau jaunībā un turpmāk zinātniskā prese pie tās vairs neatgriežas.

“Mākoņu kamera ir hermētiski noslēgts trauks, kas piepildīts ar ūdens vai spirta tvaikiem tuvu piesātinājumam. Kad virzulis tiek strauji nolaists, ko izraisa spiediena samazināšanās zem virzuļa, gāze kamerā izplešas adiabātiski. Tā rezultātā notiek dzesēšana un tvaiks kļūst pārsātināts. Ja daļiņa iekļūst kamerā tieši pirms vai tieši pēc izplešanās, tās radītie joni darbosies kā kondensācijas kodoli. Ūdens pilieni, kas uz tiem parādās, veido lidojošo daļiņu trases pēdas. Tad kamera atgriežas sākotnējā stāvoklī un īpašs "tīrīšanas" lauks noņem jonus.

Šis pārsteidzoši vienkāršais un vispārējam lasītājam pieejamais attēls par celiņu veidošanos no uzlādētiem daļiņu joniem parādās mums visiem.

Kad veidojās šādi uzskati par sliežu veidošanos, zinātne vēl neko nezināja par atomu uzbūvi un šajos atomos ietverto daļiņu kvantitatīvo novērtējumu. Mūsdienās tiek uzskatīts, ka atomu kodolu izmēri un pašu atomu un elektronu izmēri ir zināmi diezgan precīzi. Ņemot vērā šos izmērus, mēs centīsimies novērtēt savu spriedumu pareizību par piedāvātajiem sliežu ceļu izskata nosacījumiem.

Atomu kodolu izmērs tiek lēsts 10–12 cm, pašu atomu vidējais izmērs ir aptuveni 10–8 cm. Trases šķietamais diametrs ir aptuveni viens milimetrs, tas ir, 10–1 cm paša kodola ar sliežu ceļa šķērseniskajiem izmēriem ir viegli redzēt, ka šo lielumu attiecība ir vienpadsmit zīmes aiz komata.

Atoma uzbūves teorija apgalvo, ka kodola kā lādētas daļiņas enerģētiskā zona nevar pārsniegt atoma izmēru, jo atoms ir elektriski neitrāls veidojums. Ja šo nosacījumu uzskata par patiesu, tad divi punkti trases veidošanas procesā kļūst pilnīgi nesaprotami:

Pirmkārt, kā lidojoša daļiņa var veidot jonus no ūdens molekulām tik milzīgā attālumā no sevis?

Otrkārt, kāds fizikāls process notiek jonu veidošanās laikā?

Pieņemsim, ka daļiņa, kas lido ar ļoti lielu ātrumu (apmēram 0,15 no gaismas ātruma), ir urāna atoma kodols. Urāna kodolam ir stingri noteikts pozitīvais lādiņš, un, visticamāk, tam vajadzētu veidot tikpat stingri noteiktu skaitu lādētu jonu. Var pieņemt, ka pirmajā gadījumā pozitīvi lādēta daļiņa izsit no ūdens molekulas vienu elektronu, kuram vajadzētu vai nu pievienoties daļiņai, vai kaut kur aizlidot. Ja daļiņa uztver elektronu, tad tā var veidot tik daudz ūdens jonu, cik tās lādiņš, tas ir, 238. Bet jebkurā trasē ir desmitiem un simtiem miljardu ūdens molekulu, ar konservatīvākajiem aprēķiniem. Izrādās, ka uzlādētas daļiņas enerģijas jauda jonu ražošanai ir praktiski neierobežota? Ja jonu veidošanās no lidojošās daļiņas notiek saskaņā ar kādiem citiem fizikāliem likumiem, tad šis ļoti svarīgais punkts ir jāpaskaidro.

Mākoņu kamerā tika atklāta arī mazākā negatīvi lādētā daļiņa – elektrons. Vēl lielāku interesi rada tas, kā elektrons var izveidot jonu no vismaz vienas ūdens molekulas. Ja ūdens molekulā ievada elektronu, tad tiks iegūts tikai viens negatīvi lādēts jons. Bet šis elektrons pēc lidojuma atstāja arī lielu skaitu jonu.

Ne mazāk interesants ir piedāvātais ūdens tvaiku kondensācijas process, ko veic topošie joni. Saskaņā ar kādiem fizikas likumiem lādēta daļiņa izraisa ūdens tvaiku kondensāciju?

Līdz šim pētījumos par ūdens pārveidi no viena agregācijas stāvokļa citā tika ierosināta tikai siltuma faktoru ietekme uz ūdens tvaiku. Šie faktori ir zināmi jau daudzus simtus gadu, un viņi saka, ka, ja gaisā izšķīdušie ūdens tvaiki ir spiesti krist miglā, tad šis gaisa daudzums ir jāatdzesē, kas tiek darīts kamerā, kad virzulis ir asi. pazemināts. Bet virzulim vajadzētu nolaisties tikai līdz vietai, kur temperatūras kritumam kamerā nevajadzētu sasniegt rasas punktu, bet jābūt tuvu šim punktam. Pretējā gadījumā uzbirusī migla neļaus novērot radušās sliedes. Ūdens molekulu koncentrēšanās mazos pilienos jau notiek, taču šie pilieni vēl netraucē kameras caurspīdīgumu.

Tālāka ūdens tvaiku kondensācija topošo jonu ietekmē, kā parādīts sliežu veidošanās aprakstā, ir pilnīgi nesaprotams un nepamatots tehnisks process. Saskaņā ar spēkā esošajiem klasiskās fizikas likumiem, lai panāktu miglas veidošanos trases zonā, ir nepieciešama gaisa un ūdens tvaiku maisījuma tālāka dzesēšana šajā zonā. Bet ko šis aukstums var atnest šeit? Pati daļiņa, kas lido ar tik milzīgu ātrumu, principā nevar atdzesēt trases laukumu gan tāpēc, ka mijiedarbības laiks ar kādu no ūdens molekulām ir nenozīmīgs, gan tāpēc, ka tās temperatūra var būt tikai daudz augstāka par ūdens molekulu temperatūru. pati kamera. Tā kā atomu reakcijas vienmēr notiek ar lielu siltuma izdalīšanos, daļiņai, kas izplūst no šīs vides, jābūt daudz augstākai temperatūrai salīdzinājumā ar kameras temperatūru.

Ūdens tvaiku kondensāciju, ko rada topošie joni trases zonā, nevar izskaidrot ar tik primitīviem un nepierādītiem pieņēmumiem. Ja šādi fiziski procesi tiešām var notikt dabā, tad tie jāapstiprina ar citiem eksperimentiem un padziļinātiem pierādījumiem. Tātad, vai ir tādi pierādījumi?

Ar tik virspusēju, tālu no zinātnisku argumentāciju nav iespējams izskaidrot trašu izcelsmi ne ar jonu veidošanos, ne ar ūdens tvaiku kondensāciju uz izveidotajiem joniem.

Bet ir arī trešais, iespējams, vissvarīgākais sliežu veidošanās faktors, tas ir pašu trašu topošais mirdzums. Kāpēc ūdens tvaiki trases zonā sāk izstarot gaismu?

Pieņemsim, ka joni tomēr veidojas un sāk spīdēt. Bet šajā gadījumā ir jāpamato, kāpēc joni izstaro gaismu tikai lādētu daļiņu novērošanas kamerās. Daudzi fizikāli ķīmiski procesi tiek skaidroti ar lādētu veidojumu parādīšanos, taču nekur nav atzīmēts, ka šie veidojumi spīd. Un šajā gadījumā nav pamatotu pierādījumu.

Iepriekš minēto apsvērumu rezultātā var uzskatīt faktu, ka nav iespējams apmierināties ar kādu no piedāvātajiem skaidrojumiem par sliežu parādīšanos kamerās, kas paredzētas uzlādētu daļiņu novērošanai. Visi ierosinātie attaisnojumi topošajām pēdām radās pētnieku prātos, jo pēdas sāk mijiedarboties ar magnētiskajiem un elektriskajiem laukiem, un mūsu mūsdienu cilvēka domāšana darbojas tikai vienā virzienā: sākas lādētu daļiņu, lādiņu un lādētu veidojumu meklēšana. Citus priekšstatus par procesiem, kas notiek dažādās daļiņu novērošanas kamerās, iespējams attīstīt tikai tad, ja varam kaut nedaudz mainīt savus iedibinātos uzskatus par apkārtējo pasauli.

Sliežu parādīšanos daudz vienkāršāk var pamatot, izdarot vienu būtisku pieņēmumu: atomu reakciju laikā radioaktīvās vielas apkārtējā telpā izdala tikai novērošanai pieejamo dažādu frekvenču un jaudas starojumu. Mēs vēl nevaram runāt par izmestām lādētām daļiņām. Skaidrs, ka šāds pieņēmums var šķist pārāk primitīvs, un tomēr no šīs pozīcijas mēģināsim aplūkot trases veidošanās procesus.

Virzuļa nolaišana mākoņu kamerā rada miglas stāvoklim tuvu stāvokli, taču jau notiek nelielu ūdens vai spirta pilienu kondensācija. Šauri virzītas radioaktīvās zāles radiofrekvences starojums uzbudina radušos smalkos kondensāta pilienus ar acij redzamu frekvenci, tāpēc tiek novērots gaismas celiņš. Tieši pēc tādiem pašiem dabas principiem dažādu fosfora savienojumu, luminoforu, mirdzums rodas, kad balta gaisma skar šo ķermeņu virsmas un liek tiem izstarot redzamas frekvences gaismas plūsmas. Šajos gadījumos darbojas viens universāls likums, likums par dažu enerģijas veidu pārvēršanu citos veidos. Lai jebkurā fiziskajā ķermenī ierosinātu noteiktas frekvences enerģiju, ķermeņa frekvenču spektram ir jāsatur šī frekvence.

Visu kameru reaģenti sāk izstarot gaismu, kad starojuma biežums ir vienāds ar reaģenta ierosmes frekvenci vai tās daudzkārtnis. Ja materiālo ķermeņu starojuma un ierosmes frekvences ir vienādas, notiek vislielākā starojuma enerģijas absorbcija. Tās ir rezonējošas mijiedarbības starp enerģijas emitētāju un patērētāju.

Radioaktīvās vielas izstaro ne tikai tās frekvences, kuras var novērot šajās kamerās. Radiācijas frekvences, kas nespēj ierosināt nekādus kameras reaģentus (ūdens tvaikus, spirtu utt.) ar redzamām frekvencēm, arī ir parastas frekvences starojums, taču tos joprojām sauc par daļiņu lidojumiem, ko sauc par "neitrīniem".

Radioaktīvais starojums kopumā negatīvi ietekmē visus dzīvos organismus, tāpat kā rentgenstari un ultravioletais starojums. Bet tie visi ir frekvenču starojumi, bez daļiņu lidojuma lielā ātrumā. Daļiņas kalpo tikai kā elastīga vide, kurā tiek pārnesta viļņu frekvences enerģija. Tāpat kā, pārraidot skaņas enerģiju no viena telpas punkta uz otru, gaisa daļiņu masa ir tikai starpnieks, tā arī, pārnesot citas frekvenču enerģijas, noteikta elastīga vide no dažām citām daļiņām nodrošina šo enerģiju kustību.

Mūsdienu atoma uzbūves modeļa izgudrošana notika, kad procesi mikrokosmosā tika pētīti ne tikai ar mikrodaļiņu novērošanas kameru palīdzību, bet arī ar citu ierīču palīdzību. Tāpēc Rezerfords, izmantojot viņa izgudroto ierīci, pētīja pozitīvi lādētu alfa daļiņu uzvedību ar gaismas scintilācijām uz ekrāna, izmantojot mikroskopu. Tiek ierosināts arī pievērst īpašu uzmanību šiem eksperimentiem un secinājumiem no tiem.

ATOMA PLANĒTAIS MODELIS

Atoma planetārā modeļa izgudrojums ir viens no nozīmīgākajiem atklājumiem divdesmitā gadsimta teorētiskajā fizikā. Visas teorētiskās zinātnes, īpaši kvantu mehānika, balstās uz šī modeļa domājamo darbību. Tāpēc ir interesanti paskatīties uz Rutherforda ierīcē notiekošajiem procesiem no nedaudz citām, kritiskākām pozīcijām.

Tajā pašā fizikas mācību grāmatā par Raterforda eksperimentiem teikts: “Radioaktīvo vielu izstarotais alfa daļiņu stars tika atbrīvots no diafragmas un pēc tam nokrita uz plānas folijas, kas izgatavota no pētāmā materiāla (zelta, vara utt.) ”. Šis diezgan šaurais pētīto materiālu saraksts mums tiek piedāvāts, nenorādot, kas ir domāts ar piezīmi “utt”. Šajā gadījumā tas ir diezgan svarīgi, jo tajā pašā mācību grāmatā, bet citā sadaļā ir teikts: “Alfa stariem ir vismazākā iespiešanās spēja. Apmēram 0,1 mm papīra slānis viņiem jau ir necaurspīdīgs.

Eksperimentos, kuros Rezerfords izmantoja plānu zelta plāksni kā barjeru alfa daļiņu pārejai, tika izdarīti secinājumi par atomu struktūras planētu modeli. Turklāt šie secinājumi tika izdarīti par visiem periodiskās tabulas elementiem bez izņēmuma. Nav iespējams atzīt, ka viņš nevarēja zināt par gandrīz pilnīgu šo staru nespēju iziet cauri plānai papīra kārtai.

Visiem papīra ķīmiskajiem elementiem ir tieši tāda pati planētu struktūra kā zeltam, taču tie nevar izlaist caur sevi ātri lidojošas daļiņas. Kā var izskaidrot šādu alfa staru bezpalīdzību parastā papīra pārvarēšanā?

Pieņemsim, ka alfa stari patiešām ir alfa daļiņas, kuras Raterfords pat sauca par alfa šāviņiem. Šīs daļiņas diezgan brīvi pārvietojas pa plānu zelta plāksni ar retām novirzēm no taisnā ceļa.

Fiziķi labi apzinās, ka lielākais šķērslis visa starojuma pārejai ir svins – metāls, kas Mendeļejeva periodiskajā elementu tabulā ir ļoti tuvs zeltam. Zelta atomsvars ir 196, bet svina - 207, zelta sērijas numurs ir 79, svina - 82. Pamatojoties uz šiem rādītājiem, mēs varam droši pieņemt, ka, ja zelta plāksnes vietā ir svina plāksne. Rezerforda ierīcē ievieto tieši tādus pašus izmērus, tad alfa daļiņām vajadzētu iziet cauri svinam, lai tas iekļūtu tieši ar tādu pašu veiktspēju kā caur zeltu. Tātad, kāpēc gan tagad neatkārtot eksperimentus ar alfa daļiņām, pārvarot plāksnes, kas izgatavotas no svina, un beidzot pierādīt atomu planētu struktūru? Ja svins neļauj šīm domājamām daļiņām iziet cauri sev, piemēram, papīram, tad tās nemaz nav daļiņas, un jautājums par atomu uzbūvi būs pilnīgi atklāts.

Pārsteidz pati pasaules atklājuma rašanās metode, kad vienam pētniekam, strādājot tikai ar vienu materiālu, ar saviem secinājumiem izdevās aizraut visu zinātnisko pasauli un attiecināt šos secinājumus uz visiem citiem ķīmiskajiem elementiem, tātad arī materiāliem. Galu galā Rezerfords strādāja tikai ar zeltu. Eksperimenti ar varu un dažiem citiem materiāliem tika veikti daudz vēlāk. Kāpēc eksperimenti zelta pārvarēšanai ar alfa daļiņām netika veikti ar daudziem citiem elementiem un materiāliem, īpaši ar papīru un svinu?

Pieņemsim, ka atomu pasaule patiešām ir līdzīga Saules sistēmas uzbūvei, bet tad gaismas fotoniem bez šķēršļiem ir jāiekļūst cauri plašajām telpām starp kodoliem un elektroniem, tas ir, jābūt gaismai caurspīdīgiem! Bet tas ir paradokss.

Ņemot vērā alfa daļiņu iespējamību iziet cauri dažādām vidēm, ir interesanti, vai šīs daļiņas var iekļūt stiklā. Galu galā var izrādīties, ka stikls izturēsies tāpat kā papīrs.

Iepriekš minētā sprieduma rezultātā mēs varam gluži vienkārši secināt, ka nav alfa daļiņu, kas lido lielā ātrumā, bet ir tikai noteiktas frekvences viļņu alfa starojums. Šie starojumi diezgan brīvi pārvar dažas vielas tādu pašu iemeslu dēļ, kā gaismas stari pārvar daudzus materiālus nesējus (stiklu, ūdeni, dimantus).

Stikls tiek veidots no gaismai necaurredzamiem komponentiem, taču, tiklīdz šīs sastāvdaļas tiek apvienotas stiklā, izmantojot noteiktu tehnoloģiju, gaisma brīvi iekļūst caur šo barjeru. No tehniskā viedokļa šī parādība ir izskaidrojama ar to, ka izveidotās stikla masas molekulas ieguva atšķirīgus spektrālos raksturlielumus attiecībā pret oriģinālajām sastāvdaļām. Gaismas biežums ir vienāds ar stikla galvenās rezonanses ierosmes frekvences vai tās reizinājums, tāpēc gaismas viļņi diezgan brīvi pārvar šo cieto barjeru. Bet neatkarīgi no tā, cik rūpīgi tiek apstrādāti optiskie materiāli, nenozīmīgas gaismas plūsmas vienmēr tiek atspoguļotas no stikla virsmas un laužas dažos leņķos. Alfa stari uzvedas tieši tāpat, pārvarot šķēršļus no zelta, vara un dažām citām vielām vai materiāliem.

Cienījamie lasītāji, ja iepriekš piedāvātie argumenti liek aizdomāties un šaubīties par mūsu mūsdienu priekšstatu pareizību par mikropasaules uzbūvi, tad tas ir vistiešākais ceļš uz dažu mūsdienu zinātnes pamatu pārdomāšanu. Pirmkārt, ir jāsaprot, kāpēc, analizējot pēdu parādīšanās iemeslus, analizējot cēloņus, kāpēc radiācija pārvarēja noteiktus materiālus, zinātnieki pagājušajā gadsimtā pieņēma tik nepamatotus lēmumus. Par galveno iemeslu šādiem fiziski nepamatotiem lēmumiem var uzskatīt tikai to, ka mūsu cilvēka apziņa atrodas mīta par lādētu daļiņu esamību varā. Senie grieķi mums sniedza vienkāršu ideju, kā izprast mijiedarbības spēku rašanos attālumā starp elektrificētiem ķermeņiem, un zinātne ir izmantojusi šo ideju apmēram trīs simtus gadu, nevēloties izgudrot kaut ko vairāk, kas līdzinās patiesībai. Varbūt mūsu paaudzei biežāk jāatceras, ka senie grieķi bija izgudrojošākie daudzu dažādu mītu veidotāji, taču mēs tiem neticam.

Pēdējo gadsimtu laikā lādētu daļiņu teorija ir ieguvusi milzīgu matemātisko bagāžu. Ar katru reizi, kad elektronam tiek piešķirtas arvien jaunas un jaunas īpašības, matemātiskais aparāts, kas paredzēts šo īpašību attaisnošanai, neizmērojami pieaug. Elektrons lido no viena ķermeņa uz otru, griežas ap savu asi un ap kodolu, ir gan daļiņa, gan vilnis, bet neviens vēl nav visvispārīgāk paskaidrojis, kāpēc šī unikālā daļiņa atgrūž no sava veida un tiek piesaistīta. uz pozitīvi lādētām daļiņām.

No zinātnes attīstības vēstures ir skaidrs, ka cilvēka domāšana mēģina izskaidrot daudzas nesaprotamas fizikālās parādības sākotnēji ar dažu materiālu daļiņu palīdzību. Siltuma pārneses un sadegšanas procesi jau daudzus gadus tiek skaidroti ar dažādu daļiņu darbību, tāpēc varbūt ir pienācis laiks paskatīties uz ķermeņu mijiedarbības procesiem attālināti no pavisam citas perspektīvas?

ELEKTRISKĀ UN MAGNĒTISKĀ MIJIEDARBĪBA

Elektriskās mijiedarbības starp ķermeņiem tiek attiecinātas uz lādētu daļiņu esamību dabas elementos, kurām ir kāda līdz šim neizskaidrojama spēja piesaistīt un atgrūst viena otru. Magnētiskās mijiedarbības cēloņi ir izskaidrojami ar to pašu elektronu klātbūtni ķermeņos. Elektrona rotācija ap savu asi pārvērš šo daļiņu, kas ir universāla, par elementāru magnētisko dipolu, taču šeit arī nav skaidrs, kā šie dipoli ietekmē viens otru. Šāds teorētisks arguments var apgalvot par esamības realitāti tikai tad, ja ir pamatoti lādētu daļiņu mijiedarbības fiziskie iemesli. Pagaidām šī ir diezgan vāja zinātniska hipotēze.

Apskatīsim dažas fizikālās parādības, kas saistītas ar tā sauktās statiskās elektrības ražošanu, kas tiek piedāvātas mācību grāmatās vidusskolām. Vienkāršākā un pieejamākā statiskās elektrības radīšanas metode rodas, ja divus noteiktus materiālus berzē viens pret otru. Šiem materiāliem vienmēr ir jābūt labām izolācijas īpašībām un amorfai korpusa struktūrai. Lielākajā daļā skolu mācību grāmatu kā pieejamo materiālu tiek izmantotas plastmasas ķemmes un studentu mati, lai ilustrētu statiskās elektrības rašanos. Šajās mācību grāmatās teikts, ka, beržot ķemmi pret matiem, “neliela daļa” elektronu pāriet no matiem uz ķemmi un uzlādēs to ar negatīvu lādiņu. Viss ir ļoti vienkārši un oriģināli, taču šī vienkāršība ir pārāk mānīga.

No šī paša fizikas kursa ir zināms, ka atoms ir ļoti stabila struktūra, ko nevar iznīcināt ne augsts sauszemes spiediens, ne augsta temperatūra, taču viegls ķemmes pieskāriens matiem būtībā noveda pie šīs atomu struktūras iznīcināšanas. Viena elektrona, turklāt valences, zudumam noteikti ir jāizraisa tās molekulas ķīmiskās un fizikālās īpašības, kurā šis atoms ir iekļauts. Iespējams, ka šādu molekulu nav “nenozīmīgas daļas”, bet gan ļoti nozīmīga. Tāpēc pakavēsimies pie citas skolas pieredzes analīzes.

Manuāli darbināmā elektrostatiskā mašīna ir pazīstama visiem skolēniem. Šīs mašīnas roktura rotācija caur pārnesumkārbu tiek pārnesta uz diska, kas izgatavots no organiskā stikla, rotāciju. Plānas staniola vai papīra loksnes nonāk saskarē ar disku. Lapu berzes spēks uz rotējošo disku rada elektriskā sprieguma ģenerēšanas efektu, no kura tiek uzlādēts kondensators, tā sauktā Leidena burka. Kondensatora uzlādes enerģija var sasniegt vienu Kulonu, kas ir 1024 elektronvolti. Izrādās, ka tāds pats elektronu skaits radās no papīra gabalu berzes uz rotējoša diska, kas pārvietojās pa vadītājiem uz vienu no kondensatora plāksnēm. Kā redzam, šādas berzes radīto elektronu skaitu nevar saukt par "mazu daļu".

Papīra gabalu berzes daļas uz diska virsmas, ņemot vērā lokšņu biezumu, ir aptuveni viens kubikcentimetrs. Pieņemsim, ka molekulu skaits šajā papīra tilpumā ir vienāds ar tāda paša tilpuma ūdens molekulu skaitu, un tas arī būs 1024, jo vienas ūdens molekulas izmērs ir aptuveni 10-8 cm. . Faktiski vienas papīra molekulas izmērs ir daudz lielāks nekā vienas ūdens molekulas izmērs.

Vienkāršāko aprēķinu un izdarīto pieņēmumu rezultātā mēs atklājam, ka katrai papīra molekulai ir jāzaudē vismaz viens elektrons, lai nodrošinātu viena Kulona kondensatora lādiņu. Bet, neskatoties uz to, papīrs nezaudē nevienu no savām fiziskajām īpašībām un neko neiegūst.

Iepriekš minētās argumentācijas ietekmi var ievērojami uzlabot, ja pieļaujam iespēju nedaudz modernizēt pašu iekārtu. Kondensatoru var pieslēgt, izmantojot noņemamu savienojumu, neradot bojājumus iekārtas darbībai. Viņi uzlādēja vienu kondensatoru, atvienoja to no mašīnas, uzstādīja nākamo utt. Katru reizi pārbaudiet katra kondensatora uzlādes apjomu. Kopējais elektronu daudzums, kas izplūda no papīra gabaliem, sasniegs astronomisku skaitli. Jūs varat uzlādēt secīgus kondensatorus, līdz papīra loksnes ir pilnībā nolietojušās, tas ir, līdz to berzes virsmas pārvēršas putekļos. Šāda eksperimenta beigās jums būs tikai jāuzdod sev jautājums par šāda skaita elektronu izcelsmi. Mēs iedzinām visus elektronus, kas parādījās Leidenas burkās, turot tos tur izolētā stāvoklī, taču pašā mašīnā nekādas izmaiņas nenotika.

Diemžēl šādas unikālas darbības statiskās elektrības izpētē daudzos gadījumos tiek attiecinātas uz lādētām daļiņām. Ņemiet, piemēram, aprakstīto lādētu daļiņu uzvedību elektrificētos ķermeņos. Izrādās, ka uz šo ķermeņu izvirzījumiem un smailajām daļām uzkrājas gan pozitīvi, gan negatīvi lādiņi. Pateicoties tām piedēvētajām atgrūšanas īpašībām, līdzīgi lādētām daļiņām vajadzētu rīkoties tieši pretēji. Viņiem ir jāizklīst no šīm ierobežotajām vietām, lai to pastāvētu. Kāpēc mūsu apziņa tik neatlaidīgi piedēvē tik fantastiskas darbības lādētām daļiņām?

Elektrificētajos korpusos elektriskā enerģija faktiski ir koncentrēta uz to smailajiem izvirzījumiem un nelīdzenumiem. Šo enerģijas koncentrāciju var novērot gan vizuāli, atsevišķu eksperimentu laikā, gan izmērīt ar elektrostatiskām ierīcēm. Tikai elektrifikācija nemaz nav atkarīga no tā, ka šī procesa laikā notiek lādiņu atdalīšanās un notiek to pāreja no viena ķermeņa uz otru. Kamēr mūsu cilvēka apziņa atbrīvosies no šiem sengrieķu un viduslaiku uzskatiem par mikropasaules uzbūvi, līdz tam mēs nāksim klajā ar arvien fantastiskākām lādētu daļiņu uzvedības iezīmēm un izšķērdīsim savu intelektuālo potenciālu neauglīgās idejās.

Apkārtējā pasaule ir strukturēta vienkārši, un šajā vienkāršībā mums ir jāmeklē norādes uz pasaules uzbūvi. Tādas domas izteica daži izcili pagātnes domātāji.

Elektriskās enerģijas fizikālās dabas izpēte sākās ar darbu pie statiskās elektrības. No tā paša sākuma punkta mēs tagad mēģināsim izprast dažus likumus, kas regulē šāda veida elektrības izskatu.

Divu cietu ķermeņu virsmu savstarpēja kustība viena pret otru vienmēr izraisa abu ķermeņu sasilšanu. Siltuma izdalīšanās notiek berzes spēku dēļ, kas rodas, un jo lielāki šie spēki, jo lielāka siltuma izdalīšanās. Siltumenerģija ir diezgan augstas frekvences starojums, un šeit var padomāt par to, kā ne pārāk liels kontaktu ķermeņu kustības ātrums rada tik augstu siltumenerģijas frekvenci. Līdz šim piedāvāto šīs parādības versiju var formulēt šādi: berzes spēku ietekmē uz šo ķermeņu virsmām esošo molekulu elastīgās saites ar citām molekulām ir pakļautas deformācijai, un šīs saites tiek ierosinātas noteiktā frekvencē. Frekvences enerģijas ierosmes process ķermeņos berzes laikā, visticamāk, notiek tieši starpmolekulārās saitēs. Šis efekts atgādina izstieptas stīgas ierosmi, kad tā tiek sitīta.

Cieto vielu eksistences daudzveidība liecina, ka arī dažādu molekulu savienojumi savā starpā ir dažādi. Daži ķermeņi berzes laikā uzkarst vairāk, savukārt citos ķermeņi ierosme no berzes spēkiem var notikt pilnīgi dažādās frekvencēs vai pat pie noteiktas frekvenču summas. Ķermeņos ar amorfu struktūru siltuma ierosme no berzes spēkiem notiek nenozīmīgi, bet pārsvarā rodas elektrostatiskā enerģija, kas arī ir tādas pašas frekvences enerģija. Visticamāk, ka elektriskā enerģija rodas berzes laikā kristāliskajos ķermeņos, bet šeit tā tiks aizvērta caur kristāliem ķermeņa iekšienē un pārvērsta siltumā caur tā sauktajām Fuko strāvām.

Pieņemsim, ka elektriskā enerģija patiesībā ir tikai parasts frekvences starojums, taču bez attaisnojuma mijiedarbībām elektrificētu ķermeņu attālumā šāds apgalvojums nevar pelnīt nekādu uzmanību. Šajā gadījumā mēs mēģināsim šo lēmumu zināmā mērā attaisnot ar labi zināmām fizikālām parādībām un likumiem.

Brauna kustības fenomens ir atklāts jau ilgu laiku, tiek uzskatīts par labi izpētītu, un tomēr no tā var izdarīt vēl dažus secinājumus. Brauna daļiņu kustības pamatbūtība ir skaidra. Šīs daļiņas pārvietojas, jo ūdens molekulas pārvietojas termiskā starojuma ietekmē. Iemesls ir skaidrs, bet nepavisam nav skaidrs, kā termiskais starojums liek šai molekulai kustēties un noteiktu laiku pārvietoties stingri noteiktā virzienā. Kāds ir dabiskais mehānisms, kas liek ūdens molekulai pārveidot relatīvi augstas frekvences siltumenerģiju translācijas mehāniskās kustības enerģijā. Mēs arī pilnībā nesaprotam kristālu veidošanās iemeslus. Pagaidām par kristālu uzbūvi zināms tikai tas, ka molekulas kristālā ir sakārtotas stingri noteiktā secībā.

Šķidrumos molekulu kustību var novērot vizuāli, bet arī cietās vielās molekulas piedzīvo pastāvīgu vēlmi kustēties. Iztvaikošanas un difūzijas parādības norāda uz ierosmi jebkurā enerģijas molekulā translācijas mehāniskai kustībai, un šīs kustības enerģijas ir proporcionāli atkarīgas no ķermeņos koncentrēto frekvenču enerģiju lieluma.

Brauna molekulu kustība šķidrumos ir atkarīga no siltumenerģijas daudzuma. Šajā piemērā jau ir skaidri redzams noteikts modelis: mehāniskās kustības enerģija radīja siltumenerģiju, kas pēc tam atkal pārvēršas molekulārās kustības mehāniskajā enerģijā. Šis process pilnībā atbilst universālajam likumam par viena veida enerģijas pārveidošanu citos veidos.

Visa veida izstarotās enerģijas, kas mums šobrīd ir zināmas, izplatās apkārtējā telpā saskaņā ar saviem likumiem. Pagaidām pietiekami pamatoti var apgalvot, ka dažādu starojumu izplatīšanās apstākļi lielā mērā ir atkarīgi no starojuma frekvences. Jo tuvāk šie starojumi pēc frekvences tuvojas gaismas starojumam, jo ​​lielāks ir starojuma diapazons un tiešums. Radiofrekvenču emisijas zināmā mērā apstiprina šo principu.

Lai saprastu ķermeņu savstarpējās mijiedarbības spēku rašanās būtību attālumā, pieņemsim, ka mēs spējām kaut kā virzīt vairuma ūdens molekulu termisko kustību vienā virzienā. Šajā gadījumā viss ūdens tilpums sāks pārvietoties telpā bez redzamiem materiāliem savienojumiem ar šī virzītā siltuma avotu. Būs mijiedarbības efekts starp siltuma avota korpusu un kuģa korpusu ar ūdeni. Siltuma un ūdens savienojumam tas ir nereāls piemērs, taču elektriskā un magnētiskā mijiedarbība var notikt tieši saskaņā ar šo scenāriju. Ja siltumenerģija apkārtējā telpā nevar izplatīties stingri noteiktā virzienā, tad elektroenerģijai ir tik strikts virziens, kā to var redzēt no novēroto elektrisko spēka līniju veidošanās.

Elektriskā enerģija vienmēr rodas no kustības mehāniskās enerģijas. Cietu ķermeņu berzes virsmu savstarpējās kustības, vadītāju kustība magnētiskajā laukā un gaisa masu kustība apkārtējā telpā izraisa elektriskās enerģijas rašanos. Savukārt elektriskās enerģijas izplatīšanās apkārtējā telpā rada ķermeņu mehānisku savstarpēju kustību.

Berzes ierosinātā elektriskā frekvence jebkurā ķermenī tiek izstarota apkārtējā telpā nelielos attālumos un veido enerģijas savienojumus, kas noslēgti gredzenā (cikliski). Kā minēts iepriekš, šādi ķermeņi var būt tikai ķermeņi ar augstu elektrisko pretestību. Elektriskās enerģijas plūsmu kosmosa starojuma ģenerators ir molekulu grupa, ko ierosina berzes spēki. Mēs šādu elektrisko enerģiju saucam par elektrostatisko, lai gan patiesībā šeit nav statiskas. Tā ir parasta viļņu frekvence un līdz ar to arī dinamiska enerģija, taču, lai vienkāršotu turpmāko spriešanu, pagaidām izmantosim terminu “elektrostatiskā enerģija”.

Elektrostatiskā enerģija atsevišķos ķermeņos var pastāvēt ļoti ilgu laiku, jo šādā slēgtā frekvences ķēdē plūst nenozīmīgas elektriskās strāvas. Elektriskajos kondensatoros enerģija ilgstoši tiek uzkrāta arī dielektriskajā slānī starp kondensatora plāksnēm. Kondensatora plāksnes kalpo tikai elektriskās enerģijas plūsmas novadīšanai uz dielektrisko slāni.

Gaismas stari apkārtējā telpā izplatās taisnā līnijā un lielos attālumos, taču zinātnieku prāti nonāca pie secinājuma, ka ar aparatūru iespējams mākslīgi cilpot gaismas viļņus, kā rezultātā radās ierīce, ko sauc par lāzeru jeb kvantu ģeneratoru. Gaismas viļņa cikliskuma rezultātā tiek iegūts zināms pārsteidzošs process, kas mums ne tuvu nav saprotams, taču šis process ir ļoti līdzīgs ātras enerģijas pārveidošanas procesam slēgtā elektriskā ķēdē ar nelielu omu pretestību. . Šādās slēgtās enerģijas ķēdēs notiek strauja starpmolekulāro vai intramolekulāro saišu uzkrāšanās, kas tiek novērota enerģijas emisijās. Dabā elektriskie viļņi cirkulē dabiski, un tas notiek to frekvences īpašību dēļ. Mākslīgais gaismas viļņu cilpas process un dabiskais elektrisko viļņu cilpas process atgādina krītoša domino efektu, kas ir noslēgts gredzenā un ar elastīgiem savienojumiem.

Citam ķermenim nonākot elektropārvades līniju sadales zonā, apkārtējā telpā notiek elektrisko plūsmu pārdale. Ja šāds ķermenis ir dielektriķis, tad elektriskā lauka ietekmē šis ķermenis elektrizējas. Šo elektrifikāciju sauc par elektrifikāciju, izmantojot ietekmi.

Radiācijas starojums, tāpat kā elektriskais starojums, dažos ķīmiskajos elementos izraisa dažas strukturālas izmaiņas, tāpēc arī šie elementi kļūst radioaktīvi jeb radioaktīvie izotopi, kas arī ir ietekmes ietekme.

Magnētiskā enerģija ir ļoti cieši saistīta ar elektrisko enerģiju, tāpēc galvenais šo attiecību atklājējs Faradejs šo procesu nosauca par indukciju, tas ir, viena enerģijas veida pārvēršanu citā. Tātad, kas ir šī enerģija, kā tā rodas un kā tā pastāv?

Nesenais amerikāņu zinātnieku atklājums par pastāvīgo magnētu uzvedību siltumizolācijā no apkārtējās vides var pateikt daudz, taču secinājumi būs atkarīgi no tā, no kuras pozīcijas skatīsies uz šāda eksperimenta rezultātiem. Eksperimenti ir parādījuši, ka, ja termostatā ievieto pastāvīgo magnētu, temperatūra tajā sāk kristies. Vienkāršs, diezgan ikdienišķs secinājums no šādas pieredzes liecina tikai par vienu: gaisa temperatūra termostatā pazeminās tāpēc, ka siltumenerģija tiek tērēta noteikta magnētiskā lauka līmeņa uzturēšanai. Temperatūra termostatā pazeminās un magnētiskā lauka līmenis samazinās. Izrādās, ka ar šādu eksperimentu iespējams sasniegt laiku, kad pastāvīgā magnēta magnētiskais lauks beigs eksistēt. No šīm pozīcijām mēģināsim aplūkot magnētiskās enerģijas fizisko būtību.

Feromagnētos var novērot mikroskopisku apgabalu esamību ar acīmredzamām magnētisma klātbūtnes pazīmēm, ja pašā feromagnētiskajā ķermenī nav magnētiskā lauka. Šādus mazus magnētisko lauku apgabalus sauca par domēniem, kas var ievērojami noskaidrot feromagnēta vispārējā magnētiskā lauka rašanos. Kā zināms, magnētiskā lauka izplatīšanās magnētisko materiālu ķermenī dažādās koordinātēs ir nepārprotami nevienmērīga, tas ir, tiek novērota izteikta anizotropija. Šī parādība rodas tāpēc, ka magnētiskais lauks feromagnētiskajā ķermenī pārsvarā izplatās pa kristāla ķermeni. Vietās, kur no kausējumiem notiek kristālisku veidojumu vienvirziena veidošanās, magnētiskā plūsma notiek visvieglāk. Šādas parādības ir raksturīgas termiskajiem laukiem un, iespējams, arī elektriskajiem laukiem, taču tas vēl ir jāpierāda.

No visa iepriekš minētā par magnētisko enerģiju mēs varam izdarīt diezgan reālu pieņēmumu, ka magnētiskā enerģija vienmēr pastāv feromagnētiskajos ķermeņos noteiktā temperatūras diapazonā. Šī enerģija rodas no siltumenerģijas un ir tāda pati frekvences viļņu enerģija kā daudzas citas, kas var izplatīties vidē. Feromagnētisko materiālu kristāli tiek ierosināti magnētiskās enerģijas frekvencē un ir šīs enerģijas nesēji. Redzamie magnētiskie veidojumi-domēni rodas tāpēc, ka atsevišķu kristālu magnētiskajiem laukiem visvieglāk ir noslēgties gar blakus esošajiem kristāliem un veidot slēgtas magnētiskas spirāles, tas ir, veidot domēnus. Magnētisko domēnu laukus var uzlauzt tikai ārējā ietekme uz feromagnētiem, ko panāk zemes ārējais magnētiskais lauks reālos dabas apstākļos vai mākslīgi, izmantojot elektriskos laukus.

Līdzīgi kā magnētiskās enerģijas rašanās feromagnētiskos ķermeņos, arī citos metāliskajos nesējos no siltumenerģijas rodas arī elektriskā enerģija. Termo-EMF iegūšana divu dažādu metālu saplūšanas laikā šaurā kontakta zonā diezgan pārliecinoši pierāda šo viena veida enerģijas pārveidošanu citā. Protams, šajā gadījumā jūs varat izveidot fantastiskas hipotēzes par lādētu daļiņu pārnešanu no vienas vides uz citu, taču varat arī ierosināt vienkāršāku.

Divu dažādu metālu savienojuma zonā, tos metinot un pēc tam atdzesējot, notiek īpaša kristāliskas vides veidošanās. Katram metāla veidam ir savas īpašības daudzos fizikālajos parametros (siltuma jauda, ​​siltumvadītspēja un citi). Šie dažādie metālu parametri noved pie kristāliskas vides veidošanās savienojuma zonā ar dominējošo veidoto kristālu virzienu no kausējuma uz vienu no metāliem. Šis kristālu veidošanās process ir līdzīgs mākslīgai monokristālu veidošanai pusvadītāju tehnoloģijās. Citiem vārdiem sakot, mēs varam teikt, ka divu metālisku vielu metināšanas zonā jābūt izteiktai vienpusējai siltumvadītspējai un elektrovadītspējai.

Metālu vidē siltumenerģija nepārtraukti tiek pārveidota par elektrisko enerģiju, tikai šī enerģija, kas aizveras caur blakus kristāliem kā magnētiskā enerģija feromagnētos, atkal pārvēršas siltumenerģijā, pateicoties topošajām Fuko straumēm. Metināšanas zonā izveidotie viena virziena kristāli veido topošās elektriskās enerģijas virziena virziena zonu, no kuras metināto vadītāju galos parādās potenciāla atšķirība.

SECINĀJUMS

Šis raksts sniedz kritisku analīzi par esošajiem uzskatiem par mikropasauli ap mums noteiktā laika periodā. Šīs analīzes galvenais secinājums ir fakts, ka mūsdienu zinātnē ir izveidojusies spēcīga pārliecība par lādētu daļiņu dominēšanu mikropasaulē. Nav alternatīvu uzskatu par mikropasaules uzbūvi, neskatoties uz to, ka lādētu daļiņu uzvedības interpretācijā ir liels skaits nepārprotami nepierādītu apgalvojumu un fantastiskas spriešanas brīvības. Kamēr augstākās tehniskās zinātnes pārstāvji neatlaidīgi popularizēs un attīstīs lādētu daļiņu idejas, citi viedokļi par mijiedarbības spēku rašanās iemesliem starp ķermeņiem no attāluma nekad neparādīsies un neattīstīsies. Mēģinājums piespiest cilvēka prātu domāt savādāk masu apziņā ir iespējams gadījumā, ja šīs augstās zinātnes pārstāvji vismaz uz ļoti īsu brīdi piespiež sevi atgriezties skolas bērnībā un mēģina pārdomāt daudzus fizikas mācību grāmatās izklāstītie pamatprincipi.

Kā minēts iepriekš, elektrības izpēte sākas ar ķemmes elektrifikācijas fenomenu, kad tā tiek berzēta pret matiem. Statiskās elektrības parādīšanos uz ķemmes patiešām ir ļoti vienkārši noteikt pēc piesaistītajiem papīra gabaliņiem, bet kurš un kā atklāja citu elektriskā potenciāla pazīmi mūsu galvas matos, ir pilnīgi neskaidrs. Acīmredzot tas ir kaut kāds tehnisks triks, kas drukātā veidā nav publicēts. Lai noteiktu pretējas berzes radītās elektrības pazīmes, varat izmantot tuvākos materiālu aizstājējus: matu vietā izmantojiet parasto vilnas audumu, bet ķemmes vietā izmantojiet plastmasas lineālu. Ar audumu noberztā lineālā elektrisko potenciālu ir ļoti viegli noteikt, izmantojot desmitiem mazu papīra gabaliņu, kas tam piestiprināti, taču audumā neko nevar noteikt. Ne vienam vien papīram, pat vismazākajam, negribas piesaistīt vilnas vai sintētisku audumu. Tātad, kur pazuda pozitīvais elektriskais potenciāls, ja negatīvi lādētie elektroni lidoja līnijā?

Jūs varat berzēt vairākus desmitus sagatavotu lineālu pa vienam ar nelielu auduma gabalu, identificējot satrauktās enerģijas klātbūtni katrā no tiem, bet jūs joprojām nevarat atrast neko audumā. No kurienes tad radās šīs elektronu grupas, kas iekļuva valdnieku ķermeņos un var tajos pastāvēt daudzas stundas.

Šis vienkāršais eksperiments ir līdzīgs iepriekš piedāvātajam eksperimentam ar elektrostatisko iekārtu, taču to ir ļoti vienkārši īstenot.

Ja cienījamie mūsdienu zinātnes meistari atradīs nedaudz laika, atkārtos vairākus vienkāršākos eksperimentus no uzlādēto daļiņu teorijas un var pārliecināties par ievērojamu skaitu formālu un nepierādītu šo daļiņu esamības apstākļu, tad citi ceļi var parādīties fiziskās zinātnes attīstība. Pats pirmais likums, kas noteica kvantitatīvās attiecības starp pozitīvajiem un negatīvajiem lādiņiem, bija likums par šo lādiņu vienlīdzību ķermeņos. Šis likums lielā mērā noteica ierosināto atomu struktūru. Atoms pastāv uz elektriskās mijiedarbības spēkiem, bet pretējo lādiņu skaita vienlīdzības dēļ pats atoms tiek uzskatīts par elektriski neitrālu. Šajā gadījumā ir nepieciešams ar kādu eksperimentu pierādīt šāda likuma pastāvēšanas pamatotību, taču šādi pierādījumi joprojām nepastāv.

Lielākā likme mūsdienu fundamentālās zinātnes attīstībā tiek likta uz datu iegūšanu no uzlādētu daļiņu paātrinātāju darbības. Tātad, iespējams, vispirms ir vērts būt pilnīgi pārliecinātam, ka lādētas daļiņas patiešām pastāv un nav fantastisks cilvēka iztēles auglis. Milzīgie materiālie resursi, kas ieguldīti arvien jaunu izgudroto lādētu daļiņu paātrinātāju būvniecībā, var izrādīties tas mītiskais lielgabals, kas paredzēts zvirbuļu šaušanai. Dārgos paātrinātājos, visticamāk, lādētās daļiņas netiek paātrinātas, bet tiek ierosināts aptuveni tādu pašu parametru frekvences starojums, kāds rodas radioaktīvo reakciju laikā.

2013. gada janvārī mediji ziņoja, ka Krievijas zinātnieki pie kāda akseleratora atklājuši jaunu, 117., periodiskās tabulas ķīmisko elementu, kura kalpošanas laiks ir vairākas sekundes miljondaļas. Vai tad atkal atgriežas divdesmitā gadsimta vidus, kad tika atklāts arvien vairāk jaunu daļiņu un ķīmisko elementu? Kad kopējais atklāto daļiņu skaits sāka tuvoties trīs simtiem, tika nolemts vairs neatklāt nevienu daļiņu. Tagad, visticamāk, zinātniskajai pasaulei ir kaut kā jāpamato modernajos uzlādētos daļiņu paātrinātājos ieguldītie līdzekļi, un sākas kārtējā jaunu daļiņu un elementu atklājumu kārta?

Pēdējo gadsimtu zinātne sāka cīnīties ar mūžīgo kustību mašīnu izgudrošanu, bet tajā pašā laikā tā pati izgudroja īstu mūžīgo kustību mašīnu atomu ierīces formā. Stacionārā režīmā bez enerģijas apmaiņas ar citiem atomiem elektronu mijiedarbības enerģija ar kodola protoniem ir neizsmeļams daudzums, kas nozīmē, ka tā ir mūžīgā kustība.

« Fizika - 10. klase"

Vispirms apskatīsim vienkāršāko gadījumu, kad elektriski uzlādēti ķermeņi atrodas miera stāvoklī.

Tiek saukta elektrodinamikas nozare, kas veltīta elektriski lādētu ķermeņu līdzsvara apstākļu izpētei elektrostatika.

Kas ir elektriskais lādiņš?
Kādas maksas ir?

Ar vārdiem elektrība, elektriskais lādiņš, elektriskā strāva tu esi tikusies daudzas reizes un spējusi pie viņiem pierast. Bet mēģiniet atbildēt uz jautājumu: "Kas ir elektriskais lādiņš?" Pati koncepcija maksas- tas ir pamata, primārais jēdziens, kuru mūsu zināšanu pašreizējā attīstības līmenī nevar reducēt uz vienkāršākiem, elementāriem jēdzieniem.

Vispirms mēģināsim noskaidrot, kas ir domāts ar apgalvojumu: "Šim ķermenim vai daļiņai ir elektriskais lādiņš."

Visi ķermeņi ir uzbūvēti no mazākajām daļiņām, kuras ir nedalāmas vienkāršākās un tāpēc tiek sauktas elementāri.

Elementārdaļiņām ir masa, un tāpēc tās tiek piesaistītas viena otrai saskaņā ar universālās gravitācijas likumu. Palielinoties attālumam starp daļiņām, gravitācijas spēks samazinās apgriezti proporcionāli šī attāluma kvadrātam. Lielākajai daļai elementārdaļiņu, lai gan ne visām, ir arī spēja savstarpēji mijiedarboties ar spēku, kas arī samazinās apgriezti proporcionāli attāluma kvadrātam, taču šis spēks ir daudzkārt lielāks par gravitācijas spēku.

Tātad ūdeņraža atomā, kas shematiski parādīts 14.1. attēlā, elektrons tiek piesaistīts kodolam (protonam) ar spēku, kas 10 39 reizes pārsniedz gravitācijas pievilkšanas spēku.

Ja daļiņas savstarpēji mijiedarbojas ar spēkiem, kas, palielinoties attālumam, samazinās tāpat kā universālā gravitācijas spēki, bet daudzkārt pārsniedz gravitācijas spēkus, tad šīm daļiņām ir elektriskais lādiņš. Pašas daļiņas sauc uzlādēts.

Ir daļiņas bez elektriskā lādiņa, bet nav elektriskā lādiņa bez daļiņas.

Lādētu daļiņu mijiedarbību sauc elektromagnētiskais.

Elektriskais lādiņš nosaka elektromagnētiskās mijiedarbības intensitāti, tāpat kā masa nosaka gravitācijas mijiedarbības intensitāti.

Elementārdaļiņas elektriskais lādiņš nav īpašs mehānisms daļiņā, ko no tās varētu izņemt, sadalīt sastāvdaļās un atkal salikt. Elektriskā lādiņa klātbūtne uz elektronu un citām daļiņām nozīmē tikai noteiktu spēku mijiedarbības esamību starp tām.

Mēs būtībā neko nezinām par lādiņu, ja nezinām šīs mijiedarbības likumus. Mūsu idejās par lādiņu ir jāiekļauj zināšanas par mijiedarbības likumiem. Šie likumi nav vienkārši, un tos nav iespējams ieskicēt dažos vārdos. Tāpēc nav iespējams sniegt pietiekami apmierinošu jēdziena definīciju elektriskais lādiņš.

Divas elektrisko lādiņu pazīmes.

Visiem ķermeņiem ir masa, un tāpēc tie piesaista viens otru. Uzlādēti ķermeņi var viens otru gan piesaistīt, gan atgrūst. Šis vissvarīgākais jums pazīstamais fakts nozīmē, ka dabā ir daļiņas ar pretēju zīmju elektriskajiem lādiņiem; vienas zīmes lādiņu gadījumā daļiņas atgrūž, un dažādu zīmju gadījumā tās piesaista.

Elementārdaļiņu lādiņš - protoni, kas ir daļa no visiem atomu kodoliem, tiek saukti par pozitīviem un lādiņiem elektroni- negatīvs. Nav iekšēju atšķirību starp pozitīvajiem un negatīvajiem lādiņiem. Ja daļiņu lādiņu pazīmes būtu apgrieztas, tad elektromagnētiskās mijiedarbības raksturs nemaz nemainītos.

Elementārā maksa.

Papildus elektroniem un protoniem ir arī vairāki citi lādētu elementārdaļiņu veidi. Bet tikai elektroni un protoni var pastāvēt brīvā stāvoklī bezgalīgi. Pārējās lādētās daļiņas dzīvo mazāk nekā sekundes miljonā. Tie dzimst ātro elementārdaļiņu sadursmes laikā un, pastāvējuši nenozīmīgi īsu laiku, sadalās, pārvēršoties citās daļiņās. Ar šīm daļiņām jūs iepazīsities 11. klasē.

Daļiņas, kurām nav elektriskā lādiņa, ietver neitronu. Tā masa ir tikai nedaudz lielāka par protona masu. Neitroni kopā ar protoniem ir daļa no atoma kodola. Ja elementārdaļiņai ir lādiņš, tad tā vērtība ir stingri noteikta.

Uzlādēti ķermeņi Elektromagnētiskajiem spēkiem dabā ir milzīga loma, jo visos ķermeņos ir elektriski lādētas daļiņas. Atomu veidojošajām daļām - kodoliem un elektroniem - ir elektriskais lādiņš.

Elektromagnētisko spēku tieša darbība starp ķermeņiem netiek atklāta, jo ķermeņi normālā stāvoklī ir elektriski neitrāli.

Jebkuras vielas atoms ir neitrāls, jo tajā esošo elektronu skaits ir vienāds ar protonu skaitu kodolā. Pozitīvi un negatīvi lādētas daļiņas ir savienotas viena ar otru ar elektriskiem spēkiem un veido neitrālas sistēmas.

Makroskopisks ķermenis ir elektriski uzlādēts, ja tajā ir pārmērīgs elementārdaļiņu daudzums ar vienu lādiņa pazīmi. Tādējādi ķermeņa negatīvais lādiņš ir saistīts ar pārmērīgu elektronu skaitu salīdzinājumā ar protonu skaitu, un pozitīvais lādiņš ir saistīts ar elektronu trūkumu.

Lai iegūtu elektriski lādētu makroskopisku ķermeni, tas ir, lai to elektrificētu, ir nepieciešams atdalīt daļu negatīvā lādiņa no pozitīvā lādiņa, kas ar to saistīts vai pārnest negatīvo lādiņu uz neitrālu ķermeni.

To var izdarīt, izmantojot berzi. Ja izlaižat ķemmi cauri sausiem matiem, tad neliela daļa no viskustīgāk lādētajām daļiņām - elektroniem - virzīsies no matiem uz ķemmi un lādēs to negatīvi, un mati uzlādēsies pozitīvi.

Lādiņu vienlīdzība elektrifikācijas laikā

Ar eksperimenta palīdzību var pierādīt, ka, elektrizējot ar berzi, abi ķermeņi iegūst lādiņus, kas pēc zīmes ir pretējas, bet pēc lieluma identiski.

Ņemsim elektrometru, uz kura stieņa ir metāla lode ar caurumu, un divas plāksnes uz gariem rokturiem: viena no cietas gumijas un otra no organiskā stikla. Berzējoties viena pret otru, plāksnes elektrizējas.

Ienesīsim vienu no plāksnēm sfēras iekšpusē, nepieskaroties tās sienām. Ja plāksne ir pozitīvi uzlādēta, tad daži elektroni no elektrometra adatas un stieņa tiks piesaistīti plāksnei un savākti uz sfēras iekšējās virsmas. Tajā pašā laikā bultiņa tiks uzlādēta pozitīvi un tiks nospiesta no elektrometra stieņa (14.2. att., a).

Ja jūs ienesat sfērā vēl vienu plāksni, vispirms noņemot pirmo, tad sfēras un stieņa elektroni tiks atgrūsti no plāksnes un uz bultiņas uzkrājas pārpalikumā. Tādējādi bultiņa novirzīsies no stieņa un tādā pašā leņķī kā pirmajā eksperimentā.

Nolaižot abas plāksnes sfēras iekšpusē, mēs vispār nekonstatēsim bultas novirzi (14.2. att., b). Tas pierāda, ka plākšņu lādiņi ir vienādi pēc lieluma un pretēji zīmei.

Ķermeņu elektrifikācija un tās izpausmes. Sintētisko audumu berzes laikā notiek ievērojama elektrifikācija. Novelkot kreklu no sintētiska materiāla sausā gaisā, var dzirdēt raksturīgu sprakšķēšanu. Nelielas dzirksteles lec starp berzes virsmu uzlādētajām vietām.

Tipogrāfijās papīrs drukāšanas laikā tiek elektrificēts un loksnes salīp kopā. Lai tas nenotiktu, lādiņa iztukšošanai tiek izmantotas īpašas ierīces. Taču dažkārt tiek izmantota ciešā saskarē esošo ķermeņu elektrifikācija, piemēram, dažādās elektrokopēšanas iekārtās utt.

Elektriskā lādiņa nezūdamības likums.

Pieredze ar plākšņu elektrifikāciju pierāda, ka elektrifikācijas laikā ar berzi notiek esošo lādiņu pārdale starp ķermeņiem, kas iepriekš bija neitrāli. Neliela daļa elektronu pārvietojas no viena ķermeņa uz otru. Šajā gadījumā jaunas daļiņas neparādās, un jau esošās nepazūd.

Kad ķermeņi ir elektrificēti, elektriskā lādiņa nezūdamības likums. Šis likums ir spēkā sistēmai, kurā lādētas daļiņas neietilpst no ārpuses un no kuras tās neiziet, t.i. izolēta sistēma.

Izolētā sistēmā tiek saglabāta visu ķermeņu lādiņu algebriskā summa.

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = konst. (14.1)

kur q 1, q 2 utt. ir atsevišķu lādētu ķermeņu lādiņi.

Lādiņa nezūdamības likumam ir dziļa nozīme. Ja lādēto elementārdaļiņu skaits nemainās, tad lādiņu saglabāšanas likuma izpilde ir acīmredzama. Bet elementārdaļiņas var pārveidoties viena par otru, piedzimt un izzust, dodot dzīvību jaunām daļiņām.

Tomēr visos gadījumos lādētas daļiņas dzimst tikai pa pāriem ar vienāda lieluma un pretējās zīmes lādiņiem; Arī uzlādētās daļiņas pazūd tikai pa pāriem, pārvēršoties neitrālos. Un visos šajos gadījumos lādiņu algebriskā summa paliek nemainīga.

Lādiņa nezūdamības likuma spēkā esamību apstiprina novērojumi par milzīgu skaitu elementārdaļiņu transformāciju. Šis likums izsaka vienu no svarīgākajām elektriskā lādiņa īpašībām. Maksas aizturēšanas iemesls joprojām nav zināms.

Elektromagnētiskais spēks, kas iedarbojas uz lādētu daļiņu, sastāv no spēkiem, kas iedarbojas no elektriskā un magnētiskā lauka:

Formulā (3.2) definēto spēku sauc par vispārināto Lorenca spēku. Ņemot vērā divu lauku, elektrisko un magnētisko, darbību, viņi saka, ka elektromagnētiskais lauks iedarbojas uz uzlādētu daļiņu.

Apskatīsim tikai lādētas daļiņas kustību elektriskajā laukā. Šajā gadījumā turpmāk tiek pieņemts, ka daļiņa ir nerelativistiska, t.i. tā ātrums ir ievērojami mazāks par gaismas ātrumu. Daļiņu ietekmē tikai vispārinātā Lorenca spēka elektriskā sastāvdaļa
. Saskaņā ar otro Ņūtona likumu daļiņa pārvietojas ar paātrinājumu:

, (3.3)

kas ir vērsta pa vektoru pozitīva lādiņa gadījumā un pret vektoru negatīva lādiņa gadījumā.

Apskatīsim svarīgo gadījumu, kad lādēta daļiņa kustas vienmērīgā elektriskajā laukā. Šajā gadījumā daļiņa pārvietojas vienmērīgi paātrināti (
). Daļiņas trajektorija ir atkarīga no tās sākotnējā ātruma virziena. Ja sākotnējais ātrums ir nulle vai vērsts pa vektoru , daļiņu kustība ir taisna un vienmērīgi paātrināta. Ja daļiņas sākotnējais ātrums ir vērsts leņķī pret vektoru , tad daļiņas trajektorija būs parabola. Lādētas daļiņas trajektorijas vienmērīgā elektriskajā laukā ir tādas pašas kā brīvi (bez gaisa pretestības) krītošu ķermeņu trajektorijas Zemes gravitācijas laukā, ko var uzskatīt par vienmērīgu Zemes virsmas tuvumā.

Piemērs 3.1. Nosakiet daļiņas ar masu galīgo ātrumu
un uzlādēt , lidojot vienmērīgā elektriskajā laukā attālums . Daļiņas sākotnējais ātrums ir nulle.

Risinājums. Tā kā lauks ir vienmērīgs un daļiņas sākotnējais ātrums ir nulle, daļiņas kustība būs taisna un vienmērīgi paātrināta. Pierakstīsim taisnlīnijas vienmērīgi paātrinātas kustības vienādojumus ar nulles sākuma ātrumu:

.

Aizstāsim paātrinājuma vērtību no vienādojuma (3.3) un iegūsim:

.

Vienveidīgā laukā
(sk. 1.21.). Izmērs sauc par paātrinājuma potenciāla starpību. Tādējādi ātrums, ko daļiņa iegūst, izejot cauri paātrinājuma potenciāla starpībai :

. (3.4)

Pārvietojoties nevienmērīgos elektriskajos laukos, uzlādēto daļiņu paātrinājums ir mainīgs, un trajektorijas būs sarežģītākas. Tomēr problēma ir atrast ātrumu daļiņai, kas iet cauri paātrinājuma potenciāla starpībai , var atrisināt, pamatojoties uz enerģijas nezūdamības likumu. Uzlādētas daļiņas kustības enerģija (kinētiskā enerģija) mainās elektriskā lauka darbības ietekmē:

.

Šeit formula (1.5) tiek izmantota elektriskā lauka darbam lādiņa kustībā
. Ja daļiņas sākotnējais ātrums ir nulle (
) vai mazs, salīdzinot ar gala ātrumu, mēs iegūstam:
, no kuras izriet formula (3.4). Tādējādi šī formula paliek spēkā lādētas daļiņas kustības gadījumā nevienmērīgā laukā. Šis piemērs parāda divus fizikas uzdevumu risināšanas veidus. Pirmā metode ir balstīta uz tiešu Ņūtona likumu piemērošanu. Ja spēki, kas iedarbojas uz ķermeni, ir mainīgi, var būt piemērotāk izmantot otro metodi, kuras pamatā ir enerģijas nezūdamības likums.

Tagad aplūkosim lādētu daļiņu kustību magnētiskajos laukos. Daļiņas kinētiskās enerģijas izmaiņas magnētiskajā laukā var notikt tikai Lorenca spēka darbības dēļ:
. Bet Lorenca spēka veiktais darbs vienmēr ir nulle, kas nozīmē, ka daļiņas kinētiskā enerģija un tajā pašā laikā tās ātruma modulis nemainās. Uzlādētas daļiņas pārvietojas magnētiskajos laukos ar nemainīgu ātrumu. Ja elektriskais lauks var paātrināties attiecībā pret lādētu daļiņu, tad magnētiskais lauks var tikai novirzīties, t.i., mainīt tikai tā kustības virzienu.

Apskatīsim lādiņu kustības trajektoriju iespējas vienotā laukā.

1. Magnētiskās indukcijas vektors ir paralēls vai antiparalēls lādētās daļiņas sākuma ātrumam. Tad no formulas (3.1) izriet
. Līdz ar to daļiņa pārvietosies taisni un vienmērīgi pa magnētiskā lauka līnijām.

2. Magnētiskās indukcijas vektors ir perpendikulārs daļiņas sākuma ātrumam (3.2. attēlā magnētiskās indukcijas vektors ir vērsts ārpus zīmējuma plaknes). Otrajam Ņūtona likumam daļiņai ir šāda forma:

vai
.

Lorenca spēks ir nemainīgs pēc lieluma un ir vērsts perpendikulāri magnētiskās indukcijas ātrumam un vektoram. Tas nozīmē, ka daļiņa visu laiku pārvietosies vienā plaknē. Turklāt no Ņūtona otrā likuma izriet, ka daļiņas paātrinājums būs nemainīgs un perpendikulārs ātrumam. Tas ir iespējams tikai tad, ja daļiņas trajektorija ir aplis, un daļiņas paātrinājums ir centripetāls. Centrpetālā paātrinājuma vērtības aizstāšana Ņūtona otrajā likumā
un Lorenca spēka lielums
, atrodiet apļa rādiusu:

. (3.5)

Ņemiet vērā, ka daļiņas rotācijas periods nav atkarīgs no tās ātruma:

.

3. Kopumā magnētiskās indukcijas vektoru var novirzīt noteiktā leņķī līdz daļiņas sākuma ātrumam (3.3. att.). Pirmkārt, mēs vēlreiz atzīmējam, ka daļiņas ātrums absolūtā vērtībā paliek nemainīgs un vienāds ar sākotnējā ātruma vērtību . Ātrums var sadalīt divās komponentēs: paralēli magnētiskās indukcijas vektoram
un perpendikulāri magnētiskās indukcijas vektoram
.

Ir skaidrs, ka, ja daļiņa lidoja magnētiskajā laukā tikai ar sastāvdaļu , tad tas virzītos tieši tāpat kā 1. gadījumā vienmērīgi indukcijas vektora virzienā.

Ja daļiņa lidoja magnētiskajā laukā tikai ar vienu ātruma komponenti , tad tas atrastos tādos pašos apstākļos kā 2. gadījumā. Un tāpēc tas kustētos pa apli, kura rādiuss atkal noteikts pēc Ņūtona otrā likuma:

.

Tādējādi iegūtā daļiņas kustība vienlaikus ir vienmērīga kustība pa magnētiskās indukcijas vektoru ar ātrumu un vienmērīga rotācija plaknē, kas ir perpendikulāra magnētiskās indukcijas vektoram ar ātrumu . Šādas kustības trajektorija ir spirālveida līnija vai spirāle (sk. 3.3. att.). Spirālveida solis – attālums, ko daļiņa nobrauc pa indukcijas vektoru viena apgrieziena laikā:

.

Kā zināmas mazāko lādētu daļiņu (elektronu, protonu, jonu) masas? Kā izdodas tos “nosvērt” (galu galā uz svariem uzlikt nevar!)? Vienādojums (3.5) parāda, ka, lai noteiktu lādētas daļiņas masu, ir jāzina tās trases rādiuss, pārvietojoties magnētiskajā laukā. Mazāko uzlādēto daļiņu sliežu rādiusus nosaka, izmantojot mākoņu kameru, kas novietota magnētiskajā laukā, vai izmantojot modernāku burbuļu kameru. To darbības princips ir vienkāršs. Mākoņu kamerā daļiņa pārvietojas pārsātinātos ūdens tvaikos un darbojas kā tvaika kondensācijas kodols. Mikropilieni, kas kondensējas, kad lādēta daļiņa iet garām, iezīmē tās trajektoriju. Burbuļu kamerā (to tikai pirms pusgadsimta izgudroja amerikāņu fiziķis D. Glāzers) daļiņa pārvietojas pārkarsētā šķidrumā, t.i. karsē virs tā viršanas temperatūras. Šis stāvoklis ir nestabils un, daļiņai ejot, notiek vārīšanās un veidojas burbuļu virtene. Līdzīgu ainu var novērot, iemetot alus glāzē galda sāls graudiņu: tas krītot atstāj pēdas. gāzes burbuļi. Burbuļu kameras ir vissvarīgākie instrumenti mazāko uzlādēto daļiņu reģistrēšanai, kas faktiski ir eksperimentālās kodolfizikas galvenās informatīvās ierīces.