Политех в Сети

Сайт для Учебы

§1.Микроскопические носители электрических зарядов

Рейтинг пользователей: / 18
ХудшийЛучший 

Классификация.

Под микроскопическими носителями зарядов понимают заряженные частицы и ионы. Они могут нести как положительный, так и отрицательный заряд. По числовому значению он может быть лишь в целое число раз больше элементарного:

Кл

К настоящему времени, не смотря на значительные экспериментальные усилия, не обнаружено микроскопических носителей с дробным зарядом в свободном состоянии.

Известно более 200 частиц и громадное число ионов, атомов и молекул. Большая часть частиц после возникновения существует непродолжительное время, по истечении которого распадается на другие частицы, т. е. частицы имеют конечное время жизни. В большинстве случаев оно чрезвычайно мало и составляет ничтожные доли секунды. Но есть небольшое число заряженных частиц, имеющих бесконечное время жизни. Это электрон, протон и их античастицы: позитрон и антипротон. Протоны входят в состав ядер атомов, а электроны в состав электронных оболочек атомов. Именно эти частицы и обуславливают практически все явления, изучаемые в курсе электричества и магнетизма. В состав ядер входят также и нейтроны. Они электрически нейтральны и время их жизни в составе ядер не ограничено. Однако, вне ядер, т. е. в свободном состоянии, время их жизни порядка 17 минут. Электроны и протоны в свободном состоянии имеют бесконечное время жизни.

Заряженность ионов обусловливается тем, что в состав электронной оболочки атома или молекулы входят “лишние” электроны (отрицательные ионы), или их недостает одного или нескольких (положительные ионы). Поэтому вопрос об ионах как микроскопических носителях зарядов сводится к вопросу о зарядах электронов и протонов.

Электрон.

Электрон является материальным носителем элементарного отрицательного заряда . Обычно принимается, что электрон является точечной бесструктурной частицей, т. е. весь электрический заряд электрона сосредоточен в точке. Такое представление внутренне противоречиво, так как энергия электрического поля, создаваемого точечным зарядом, бесконечна, а, следовательно, должна быть бесконечной и инертная масса точечного заряда, что противоречит эксперименту, поскольку масса электрона равна кг. Однако с этим противоречием приходится мириться вследствие отсутствия более удовлетворительного и менее противоречивого взгляда на структуру (или отсутствие структуры) электрона. Трудность бесконечной собственной массы успешно преодолевается при вычислениях различных эффектов с помощью перенормировки массы.

Протон.

описание: рис1.jpgПротон является носителем элементарного положительного заряда , но в отличие от электрона протон имеет внутреннюю структуру в распределении заряда. Экспериментами по взаимодействию быстрых заряженных частиц (электронов) с протонами было установлено, что электрический заряд внутри протона распределен по пространству. Была получена характерная кривая, содержащая два ярко выраженных максимума (Рисунок 1а). Если по оси ординат отложить плотность суммарного по всем направлениям заряда на расстоянии от центра (поскольку величина – полный заряд в сферическом слое, толщиной при плотности ), то можно видеть что практически весь заряд протона сосредоточен в шаре порядка М. После первого максимума не убывает монотонно, а имеет еще один максимум.

Нейтрон.

Аналогичные эксперименты были проведены также по рассеянию электронов на нейтронах. Оказалось, что внутри нейтрона также имеется электромагнитная структура. Распределение заряда приведено на рисунке 2а.

Очевидно, вблизи центра нейтрона располагается положительный заряд, а дальше от центра – отрицательный. Площади, ограниченные кривыми и осью абсцисс, равны, следовательно, положительный заряд равен отрицательному, и в целом нейтрон электрически нейтрален. Отметим, что размеры областей, в которых сосредоточены электрические заряды у протона и нейтрона примерно одинаковы.

описание: рис2.jpgЧто означает непрерывное распределение электрического элементарного заряда? Ведь до настоящего времени не удалось обнаружить физических объектов с дробным зарядом. Каков же смысл утверждения, что в объеме Находится небольшая часть элементарного заряда?

В настоящее время считается, что протон состоит из двух квазичастиц – кварков с зарядами +2/3 и одного с зарядом-/3 (см. рис. 1б). Нейтрон наоборот состоит из двух кварков с зарядом -/3 и одного с зарядом +2/3 (см. рис. 2б). Кварки непрерывно движутся. Их относительное время пребывания на различных расстояниях от центра может быть эффективно представлено в виде размазанности заряда по объему. В свободном состоянии кварки не обнаружены. В настоящее время считается, что их в принципе нельзя обнаружить в свободном состоянии, поскольку для этого надо затратить бесконечную энергию, а внутри протона и нейтрона они все же существуют. Такое допущение позволяет объяснить многие явления и поэтому принимается в качестве весьма вероятной гипотезы.

Спин и магнитный момент.

Кроме заряда частицы могут обладать моментом импульса, который называют спином. Спин не обусловлен вращением частицы вокруг оси, ибо для такого объяснения пришлось бы допустить наличие линейной скорости вращения, большей скорости света, что невозможно. Поэтому спин рассматривается как внутреннее свойство частицы и с ним связано наличие у частицы магнитных свойств, а именно наличие магнитного момента, который также не может быть объяснен движением заряда и рассматривается как первоначальное свойство частицы. Отметим, что в классической электродинамике магнитный момент может быть лишь результатом движения зарядов по замкнутым траекториям.

Поэтому спиновый магнитный момент частиц не может быть описан в классической теории электричества и магнетизма. Однако магнитное поле, обусловленное спиновыми магнитными моментами, может быть при необходимости описано феноменологически. Как правило, напряженность этого поля очень мала. Лишь в случае постоянных магнитов оно достигает больших значений. Классическая теория не в состоянии описать механизм возникновения этого поля, но само поле вне постоянных магнитов полностью описывается классической теорией.

Элементарный заряд и его инвариантность.

Мысль о дискретности электрических зарядов была впервые высказана Франклином в 1752 г., однако, как экспериментальный результат - дискретность электрических зарядов в принципе следует из открытых в 1834 г. М. Фарадеем (1791-1867) законов электролиза. Но этот вывод из законов электролиза был сделан лишь в 1881 г. Г. Л. Гельмгольцем (1821-1894) и Д. Стонеем (1826-1911). В 1895 г. Г. Лоренц (1853-1928) разработал теорию электромагнетизма, основывающуюся на представлении о реально существующих элементарных зарядах (электронах). Числовое значение элементарного заряда было теоретически вычислено на основании законов электролиза. А прямое экспериментальное измерение элементарного заряда было впервые выполнено Милликеном (1868-1953) в 1909 г.

Опыт Милликена.

описание: рис3.jpgСхема опытов Милликена изображена на рисунке 3.

Милликен рассматривал движение маленьких шарообразных частиц в вязкой жидкости в электрическом поле под действием силы тяжести , силы Архимеда , электрической силы и силы вязкого трения . Уравнение второго закона Ньютона имеет вид:

+++=0 (1.1)

Все силы, кроме = могут быть измерены экспериментально при движении частицы без электрического поля. Значит из (1.1) можно найти , а зная найти . Заряд частицы меняется с течением времени, что отражается на движении частицы. Найдя и в разные моменты времени можно найти . Можно также изменять напряженность электрического поля и добиться, чтобы частица находилась в покое. В этом случае сила трения отсутствует, а остальные силы известны. Поэтому, зная , можно определить . Произведя большое число измерений зарядов, Милликен нашел, что является всегда кратным одной и той же величине ; т. е. Милликен установил, что , ,Кл.

Естественно в дальнейшем были разработаны более современные методы (резонансный метод) но результат был один - Дробных зарядов в свободном состоянии не существует.

В опытах по измерению зарядов измерялся как положительный так и отрицательный элементарный заряд. В настоящее время экспериментально установлено, что отрицательный элементарный заряд электрона равен по абсолютному значению положительному заряду протона с относительной точностью 10-21, т. е. во всяком случае - относительная ошибка.

Инвариантность заряда.

Инвариантность заряда состоит в независимости его численного значения от скорости. Фактически инвариантность доказывается фактом нейтральности атома. Из – за различий масс электрона и протона можно заключить, что электроны в атомах движутся гораздо быстрее протонов. И если бы заряд зависел от скорости, то нейтральность была бы нарушена. В настоящее время экспериментально доказана инвариантность заряда для скоростей электронов вплоть до , где с=3М/с – скорость света в вакууме. Нет оснований предполагать, что он не инвариантен и при более высоких скоростях. Поэтому инвариантность заряда принимается в качестве одного из экспериментальных обоснований теории электричества.