Заряды протона и электрона. Заряд протона - базисная величина физики элементарных частиц. Примеры решения задач

Глава 9. Элементарные заряды. Электрон и протон

§ 9.1. Электромагнитная масса и заряд. Вопрос о сущности заряда

В главе 5 мы выяснили механизм возникновения инерции, объяснили, что же такое «инерционная масса» и какие электрические явления и свойства элементарных зарядов определяют её. В главе 7 мы проделали всё то же самое для явления тяготения и «гравитационной массы». Выяснилось, что и инерцию и тяготение тел определяют геометрический размер элементарных частиц и их заряд . Поскольку геометрический размер есть понятие привычное, то в основе таких фундаментальных явлений, как инерция и гравитация, оказывается лежащей лишь одна малоизученная сущность - «заряд». До сих пор понятие «заряд» является загадочным и почти мистическим. Сначала учёные имели дело лишь с макроскопическими зарядами, т.е. зарядами макроскопических тел. В начале изучения электричества в науке использовались представления о незримых «электрических жидкостях», избыток или недостаток которых и приводит к электризации тел. Долгое время споры шли лишь о том, одна это жидкость или их две: положительная и отрицательная. Затем выяснили, что существуют «элементарные» носители заряда электроны и ионизированные атомы, т.е. атомы с избыточным электроном, либо недостающим электроном. Ещё позже были обнаружены «самые элементарные» носители положительного заряда – протоны. Затем выяснилось, что «элементарных» частиц много и многие из них обладают электрическим зарядом, причём по величине заряд этот всегда

кратен некоторой минимальной обнаруживаемой порции заряда q 0 ≈ 1.602 10− 19 Кл . Эта

порция и названа была «элементарным зарядом». Заряд определяет меру участия тела в электрических взаимодействиях и, в частности, взаимодействиях электростатических. На сегодняшний день вразумительных объяснений, что же такое элементарный заряд не существует. Любые рассуждения на тему того, что заряд состоит из других зарядов (например, кварков с дробными величинами зарядов), это не объяснение, а схоластическое «замыливание» вопроса.

Давайте попробуем подумать о зарядах сами, пользуясь тем, что мы уже установили ранее. Вспомним, что главный закон, установленный для зарядов, есть закон Кулона: сила взаимодействия между двумя заряженными телами прямо пропорциональна произведению величин их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Получается, что если мы выведем закон Кулона из каких-либо конкретных уже изученных физических механизмов, то тем самым сделаем шаг в понимании сущности зарядов. Мы уже говорили о том, что элементарные заряды в части взаимодействия с внешним миром вполне определяются своим электрическим полем: его структурой и его движением. И говорили, что после объяснения инерции и гравитации в элементарных зарядах ничего, кроме движущегося электрического поля, и не осталось. А электрическое поле есть не что иное, как возмущённые состояния вакуума, эфира, пленума . Ну, так будем же последовательны и попытаемся свести электрон и его заряд к движущемуся полю! Мы уже догадались в главе 5, что протон полностью подобен электрону, за исключением знака заряда и геометрического размера. Если, сведя электрон к движущемуся полю, мы увидим, что мы можем объяснить и знак заряда и независимость количества заряда частиц от размера, то наша задача будет выполнена, хотя бы в первом приближении.

§ 9.2. Странные токи и странные волны. Плоский электрон

Для начала рассмотрим крайне упрощённую модельную ситуацию (рис. 9.1) кольцевого заряда, движущегося по круговой траектории радиуса r 0 . И пусть он в целом

электронейтрален , т.е. в его центре размещён противоположный по знаку заряд. Это так называемый «плоский электрон». Мы не утверждаем, что реальный электрон именно таков, мы лишь пытаемся пока понять, можно ли получить электрически нейтральный объект, эквивалентный свободному элементарному заряду в плоском, двумерном случае. Попробуем создать наш заряд из связанных зарядов эфира (вакуума, пленума ). Пусть, для определённости, заряд кольца отрицателен, а движение кольца происходит по часовой стрелке (рис. 9.1). В этом случае ток I t течёт против часовой стрелки. Выделим малый

элемент кольцевого заряда dq и припишем ему малую длину dl . Очевидно, что в каждый момент времени элемент dq движется с тангенциальной скоростью v t и нормальным ускорением a n . С таким движением мы можем ассоциировать полный ток элемента dI –

величину векторную. Эту величину можно представить как постоянный по величине тангенциальный ток dI t , постоянно «поворачивающий» своё направление с течением

времени, то есть – ускоренный. То есть имеющий нормальное ускорение dI & n . Трудность

дальнейшего рассмотрения связана с тем, что до сих пор в физике рассматривались в основном такие переменные токи, чьё ускорение лежало на одной прямой с направлением самого тока. В данном случае ситуация иная: ток перпендикулярен своему ускорению. И что же? Разве это отменяет твёрдо установленные ранее законы физики?

Рис. 9.1. Кольцевой ток и его силовое действие на пробный заряд

Так же как с самим элементарным током связано его магнитное поле (согласно закону Био-Савара-Лапласа), так и с ускорением элементарного тока связано электрическое поле индукции, как показано нами в предыдущих главах. Эти поля оказывают силовое действие F на внешний заряд q (рис. 9.1). Поскольку радиус r 0 конечен, то действия

элементарных токов правой (по рисунку) половины кольца не могут быть полностью скомпенсированы противоположным действием элементарных токов левой половины.

Таким образом, между кольцевым током I и внешним пробным зарядом q должно

возникать силовое взаимодействие.

В результате мы получили, что мы можем умозрительно создать объект, который в целом будет совершенно электронейтрален по построению, но содержать в себе кольцевой ток. Что же такое кольцевой ток в вакууме? Это ток смещения. Можно представить его как круговое движение связанных отрицательных (или наоборот - положительных) зарядов вакуума при полном покое оппозитных зарядов, расположенных

в центре. Можно представить и как совместное круговое движение положительных и отрицательных связанных зарядов, но с разными скоростями, или по разным радиусам или

в разные стороны… В конечном итоге как бы мы ни рассматривали ситуацию, она будет

сводиться к вращающемуся электрическому полю E , замкнутому в круге. При этом возникает магнитное поле B , связанное с тем, что текут токи и дополнительное, не ограниченное кр у гом электрическое поле Eинд , связанное с тем, что эти токи ускорены.

Именно это мы и наблюдаем вблизи реальных элементарных зарядов (например, электронов)! Вот наша феноменология так называемого «электростатического» взаимодействия. Не требуется свободных зарядов (с дробными или ещё какими-то величинами заряда), чтобы построить электрон. Достаточно лишь связанных зарядов вакуума ! Вспомните, что по современным представлениям фотон также состоит из движущегося электрического поля и в целом электронейтрален. Если фотон «загнуть» кольцом, то у него появится заряд, поскольку его электрическое поле теперь будет двигаться не прямолинейно и равномерно, а ускоренно. Теперь понятно, как образуются заряды разных знаков: если поле E в «кольцевой модели» (рис. 9.1) направлено от центра к периферии частицы, то заряд одного знака, если наоборот – то другого. Если разомкнуть электрон (или позитрон), то создадим фотон. В реальности из-за необходимости сохранения момента вращения, чтобы превратить заряд в фотон, надо взять два противоположных заряда, свести воедино и получить в итоге два электронейтральных фотона. Такое явление (реакция аннигиляции) действительно наблюдается в экспериментах. Так вот что такое заряд – это момент вращения электрического поля ! Далее мы попытаемся заняться формулами и расчётами и получить закон Кулона из законов индукции, приложенных к случаю переменного тока смещения.

§ 9.3. Закон Кулона как следствие закона индукции Фарадея

Покажем, что в двумерном (плоском) приближении электрон в электростатическом смысле эквивалентен круговому движению тока, который по величине равен току заряда q 0 , движущемуся по радиусу r 0 со скоростью, равной скорости света c .

Для этого разобьем полный круговой ток I (рис. 9.1) на элементарные токи Idl , вычислим dE инд , действующие в точке нахождения пробного заряда q , и проинтегрируем по кольцу.

Итак, ток, текущий в нашем случае по кольцу, равен:

(9.1) I = q 0 v = q 0 c . 2 π r 0 2 π r 0

Поскольку этот ток является криволинейным , то есть ускоренным , то он является

переменным:

где a - центростремительное ускорение, которое испытывает каждый элемент тока при движении по окружности со скоростью c .

Подставляя известное из кинематики выражение для ускорения a = c 2 , получим: r 0

Понятно, что производная для элемента тока будет выражаться формулой:

Как следует из закона Био-Савара-Лапласа, каждый элемент тока Idl создаёт в точке нахождения пробного заряда «элементарное» магнитное поле:

Из главы 4 известно, что переменное магнитное поле элементарного тока порождает электрическое:

Теперь подставим в это выражение значение производной элементарного кругового тока из (9.4):

Остаётся проинтегрировать эти элементарные напряжённости электрического поля по контуру тока, то есть по всем dl , которые мы выделили на окружности:

Нетрудно видеть (рис. 9.1), что интегрирование по углам даст:

Соответственно, полное значение напряжённости электрического поля индукции E инд от нашего криволинейного тока в точке нахождения пробного заряда будет равно.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Протоном называют стабильную частицу, принадлежащую классу адронов, являющуюся ядром атома водорода.

Ученые расходятся во мнении, какое и научных событий считать открытием протона. Важную роль в открытии протона сыграли:

1. создание Э. Резерфордом планетарной модели атома;
2. открытие изотопов Ф. Содди, Дж. Томсоном, Ф. Астоном;
3. наблюдения за поведением ядер атомов водорода при выбивании их альфа-частицами из ядер азота Э. Резерфордом.

Первые фотографии следов протона были получены П. Блэкеттом в камере Вильсона при исследовании процессов искусственного превращения элементов. Блэкетт исследовал процесс захвата альфа частиц ядрами азота. В этом процессе испускался протон и ядро азота превращалось в изотоп кислорода.

Протоны совместно с нейтронами входят в состав ядер всех химических элементов. Количество протонов в ядре определяет атомный номер элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.

Протон - это положительно заряженная частица. Ее заряд равен по модулю элементарному заряду, то есть величине заряда электрона. Заряд протона часто обозначают как , тогда можно записать, что:

В настоящее время считают, что протон не является элементарной частицей. Он имеет сложную структуру и состоит из двух u- кварков и одного d - кварка. Электрический заряд u - кварка () положительный и он равен

Электрический заряд d - кварка () отрицательный и равен:

Кварки связывают обмен глюонами, которые являются квантами поля, они переносят сильное взаимодействие. То, что протоны имеют в своей структуре несколько точечных центров рассеяния подтверждено экспериментами по рассеянию электронов на протонах.

Протон имеет конечные размеры, о которых ученые до сих пор спорят. В настоящее время протон представляют как облако, которое имеет размытую границу. Такая граница состоит из постоянно возникающих и аннигилирующих виртуальных частиц. Но в большинстве простых задач протон, конечно можно считать точечным зарядом. Масса покоя протона () примерно равна:

Масса протона в 1836 раз больше, чем масса электрона.

Протоны принимают участие во всех фундаментальных взаимодействиях: сильные взаимодействия объединяют протоны и нейтроны в ядра, электроны и протоны при помощи электромагнитных взаимодействий соединяются в атомах. В качестве слабого взаимодействия можно привести, например, бета-распад нейтрона (n):

где p - протон; — электрон; — антинейтрино.

Распад протона получен пока еще не был. Это является одной из важных современных задач физики, так как это открытие стало бы существенным шагом в понимании единства сил природы.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Ядра атома натрия бомбардируют протонами. Какова сила электростатического отталкивания протона от ядра атома, если протон находится на расстоянии м. Считайте, что заряд ядра атома натрия в 11 раз больше, чем заряд протона. Влияние электронной оболочки атома натрия можно не читывать.
Решение	За основу решения задачи примем закон Кулона, который можно для нашей задачи (считая частицы точечными) записать следующим образом: где F - сила электростатического взаимодействия заряженных частиц; Кл — заряд протона; - заряд ядра атома натрия; - диэлектрическая проницаемость вакуума; — электрическая постоянная. Используя имеющиеся у нас данные можно провести вычисления искомой силы отталкивания:
Ответ	Н

ПРИМЕР 2

Атом - это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z - порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е - величина элементарного электрического заряда.

Электрон - это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К - оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.

Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц - протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны - это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента - водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон - это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А - Z, где А - массовое число данного изотопа (см. ). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.

В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.

Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).

Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны - . Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.

Атом (греч. atomos - неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е - элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z - атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:

Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 -8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).

Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы - электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i - Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i - Е k где h - постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v - частота света.

Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.

Если вы знакомы со строением атома, то наверняка знаете, что атом любого элемента состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, электронов, нейтронов. Протоны в сочетании с нейтронами образуют атомное ядро Так как заряд протона положительный, атомное ядро всегда заряжено положительно. атомного ядра компенсируется окружающим его облаком других элементарных частиц. Отрицательно заряженный электрон - это та составляющая атома, которая стабилизирует заряд протона. В зависимости от того, какое окружает атомное ядро, элемент может быть либо электрически нейтральным (в случае равенства количества протонов и электронов в атоме), либо иметь положительный или отрицательный заряд (в случае недостатка или избытка электронов, соответственно). Атом элемента, несущий на себе определенный заряд, именуется ионом.

Важно помнить, что именно числом протонов определяются свойства элементов и их положение в периодической таблице им. Д. И. Менделеева. Содержащиеся в атомном ядре нейтроны не имеют заряда. Из-за того что и протона соотносимы и практически равны друг другу, а масса электрона ничтожно мала по сравнению с ними (в 1836 раз меньше то число нейтронов в ядре атома играет очень важную роль, а именно: определяет стабильность системы и скорость ядер. Содержанием нейтронов определяется изотоп (разновидность) элемента.

Однако из-за несоответствия масс заряженных частиц протоны и электроны имеют разные удельные заряды (эта величина определяется отношением заряда элементарной частицы к ее массе). Вследствие этого удельный заряд протона равен 9,578756(27)·107 Кл/кг против -1,758820088(39)·1011 у электрона. Из-за высокого значения удельного заряда свободные протоны не могут существовать в жидких средах: они поддаются гидратации.

Масса и заряд протона - это конкретные величины, которые удалось установить еще в начале прошлого столетия. Кто же из ученых совершил это - одно из величайших - открытие двадцатого века? Еще в 1913 году Резерфорд, основываясь на том, что массы всех известных химических элементов больше массы атома водорода в целое число раз, предположил, что ядро атома водорода входит в ядро атома любого элемента. Несколько позднее Резерфорд провел опыт, в котором изучал взаимодействие ядер атома азота с альфа-частицами. В результате проведенного эксперимента из ядра атома вылетела частица, которую Резерфорд назвал «протон» (от греческого слова «протос» - первый) и предположил, что она и является ядром атома водорода. Предположение было доказано экспериментально в ходе повторного проведения этого научного опыта в камере Вильсона.

Тем же Резерфордом в 1920 году было высказана гипотеза о существовании в атомном ядре частицы, масса которой равна массе протона, но не несущей на себе никакого электрического заряда. Однако самому Резерфорду обнаружить эту частицу не удалось. Зато в 1932 году его ученик Чедвик экспериментально доказал существование в атомном ядре нейтрона - частицы, как и предсказывал Резерфорд, примерно равной по массе протону. Обнаружить нейтроны было сложнее, так как они не имеют электрического заряда и, соответственно, не вступают во взаимодействия с другими ядрами. Отсутствием заряда объясняется такое свойство нейтронов как очень высокая проникающая способность.

Протоны и нейтроны связаны в атомном ядре очень сильным взаимодействием. Сейчас физики сходятся на мысли, что две эти элементарные ядерные частицы очень похожи друг на друга. Так, они имеют равные спины, и ядерные силы действуют на них абсолютно одинаково. Единственное отличие - заряд протона положителен, нейтрон же вообще не имеет заряда. Но так как электрический заряд в ядерных взаимодействиях не имеет никакого значения, он может рассматриваться лишь как некая метка протона. Если же лишить протон электрического заряда, то он потеряет свою индивидуальность.

В настоящей статье на основе эфиродинамической сущности электрического заряда и структур элементарных частиц приводится расчет величин электрических зарядов протона, электрона и фотона.

Ложное знание опаснее невежества
Дж. Б. Шоу

Введение. В современной физике электрический заряд является одной из важнейших характеристик и неотъемлемым свойством элементарных частиц. Из физической сущности электрического заряда , определенной на основе эфиродинамической концепции , следует ряд свойств, таких как пропорциональность величины электрического заряда массе его носителя; электрический заряд не квантуется, а переносится квантами (частицами); величина электрического заряда знакоопределенная, т. е. всегда положительная; которые накладывают существенные ограничения на природу элементарных частиц. А именно: в природе не существует элементарных частиц, не имеющих электрического заряда; величина электрического заряда элементарных частиц величина положительная и больше нуля. Исходя из физической сущности величина электрического заряда определяется массой, скоростью потока эфира, составляющего структуру элементарной частицы и их геометрическими параметрами. Физическая сущность электрического заряда (электрический заряд это мера потока эфира ) однозначно определяет эфиродинамическую модель элементарных частиц , тем самым снимая вопрос структуры элементарных частиц с одной стороны и указывает на несостоятельность стандартной , кварковой и прочих моделей элементарных частиц с другой.

Величина электрического заряда также определяет интенсивность электромагнитного взаимодействия элементарных частиц. С помощью электромагнитного взаимодействия осуществляется взаимодействие протонов и электронов в атомах и молекулах. Тем самым электромагнитное взаимодействие определяет возможность устойчивого состояния таких микроскопических систем. Размеры их существенным образом определяются величиной электрических зарядов электрона и протона.

Ошибочная трактовка современной физикой свойств, таких как существование положительного и отрицательного, элементарного, дискретного, квантованного электрического заряда и т. д. , некорректная интерпретация экспериментов по измерению величины электрического заряда привели к ряду грубейших ошибок в физике элементарных частиц (бесструктурность электрона, нулевая масса и заряд фотона, существование нейтрино, равенство по абсолютной величине электрических зарядов протона и электрона элементарному).

Из выше изложенного следует, что электрический заряд элементарных частиц в современной физике имеет определяющее значение в понимании основ микромира и требует взвешенной и обоснованной оценки их величин.

В естественных условиях протоны и электроны находятся в связанном состоянии, образуя протон-электронные пары. Непонимание этого обстоятельства, а также ошибочное представление, что заряды электрона и протона равны по абсолютной величине элементарному, оставили современную физику без ответа на вопрос: какова реальная величина электрических зарядов протона, электрона и фотона?

Электрический заряд протона и электрона. В естественном состоянии протон-электронная пара существует в виде химического элемента атома водорода. Согласно теории : “Атом водорода является несводимой структурной единицей вещества, возглавляющей периодическую таблицу Менделеева. В этом отношении радиус атома водорода следует отнести к категории фундаментальных констант. … Рассчитываемый радиус Бора равен = 0,529 Å. Это важно, поскольку прямых методов измерения радиуса атома водорода нет. …радиус по Бору – это радиус окружности круговой орбиты электрона, и он определен в полном соответствии с общепринятым пониманием термина «радиус».”

Известно также, что измерения радиуса протона осуществлялись с помощью атомов обычного водорода, которые привели (CODATA -2014) к результату 0,8751 ± 0,0061 фемтометра (1 фм = 10 −15 м).

Для оценки величины электрического заряда протона (электрона) используем общее выражение электрического заряда :

q = (1/ k ) 1/2 u r (ρ S ) 1/2 , (1)

где k = 1 / 4πε 0 – коэффициент пропорциональности из выражения закона Кулона,

ε0 ≈ 8,85418781762039·10 −12 Ф·м −1 – электрическая постоянная; u – скорость, ρ — плотность потока эфира; S – сечение тела протона (электрона).

Преобразуем выражение (1) следующим образом

q = (1/ k ) 1/2 u r (mS / V ) 1/2 ,

где V = r S – объем тела, m — масса элементарной частицы.

Протон и электрон – это дуэтоны : — структура, состоящая из двух торообразных тел, соединенных боковыми поверхностями торов, симметричная относительно плоскости деления, поэтому

q = (1/ k ) 1/2 u r (m 2 S T /2 V T ) 1/2 ,

где S T – сечение, r — длина, V T = r S Т — объем тора.

q = (1/ k ) 1/2 u r (mS T / V T ) 1/2 ,

q = (1/k) 1/2 u r (mS T /rS T) 1/2 ,

q = (1/ k ) 1/2 u (mr ) 1/2 . (2)

Выражение (2) представляет собой модификацию выражения (1) для электрического заряда протона (электрона).

Пусть R 2 = 0.2 R 1 , где R 1 – внешний, а R 2 – внутренний радиусы тора.

r = 2π 0.6 R 1 ,

соответственно электрический заряд протона и электрона

q = (1/ k ) 1/2 u (m 2π 0.6 R 1 ) 1/2 ,

q = (2π 0.6 / k ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 ,

q = 2π (1.2 ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2

q = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 (3)

Выражение (3) представляет собой форму выражения величины электрического заряда для протона и электрона.

При u = 3∙10 8 м/ с – вторая звуковая скорость эфира , выражение 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u = 2.19 π(8,85418781762·10 −12 Ф/м) 1/2 3∙10 8 м/ с = 0,6142∙10 4 м 1/2 Ф 1/2 с -1 .

Предположим, что радиус протона (электрона) в представленной выше структуре это радиус R 1 .

Для протона известно, что m р = 1,672∙10 -27 кг, R 1 = r р = 0,8751∙10 -15 м, тогда

q р = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 = 0,6142∙10 4 [м 1/2 Ф 1/2 с -1 ] ∙ (1,672∙10 -27 [ кг] ∙

0,8751∙10 -15 [м]) 1/2 = 0,743∙10 -17 Кл.

Таким образом, электрический заряд протона q р = 0,743∙10 -17 Кл.

Для электрона известно , что m э = 0,911∙10 -31 кг. Для определения радиуса электрона, при допущении, что структура электрона подобна структуре протона, а плотность потока эфира в теле электрона также равна плотности потока эфира в теле протона, используем известное соотношение между массами протона и электрона, которое равно

m р /m э = 1836,15.

Тогда r р /r э = (m р /m э) 1/3 = 1836,15 1/3 = 12,245, т. е. r э = r р /12,245.

Подставляя данные для электрона в выражение (3) получим

q э = 0,6142∙10 4 [м 1/2 Ф 1/2 /c] ∙ (0,911∙10 -31 [ кг] 0,8751∙10 -15 [м]/12,245) 1/2 =

0,157∙10 -19 Кл.

Таким образом, электрический заряд электрона q э = 0,157∙10 -19 Кл.

Удельный заряд протона

q р /m р = 0,743∙10 -17 [Кл] /1,672∙10 -27 [кг] = 0,444∙10 10 Кл /кг.

Удельный заряд электрона

q э /m э = 0,157∙10 -19 [Кл] /0,911∙10 -31 [кг] = 0,172∙10 12 Кл /кг.

Полученные значения электрических зарядов протона и электрона являются оценочными и не имеют фундаментального статуса. Это обусловлено тем, что геометрические и физические параметры протона и электрона в протон-электронной паре взаимозависимы и определяются местом расположения протон-электронной пары в атоме вещества и регулируются законом сохранения момента количества вращения. При изменении радиуса орбиты движения электрона меняются соответственно масса протона и электрона и, соответственно, скорости вращения вокруг собственной оси вращения. Так как электрический заряд пропорционален массе, то изменение массы протона или электрона, соответственно, приведет к изменению их электрических зарядов.

Таким образом, во всех атомах вещества, электрические заряды протонов и электронов отличаются друг от друга и имеют свое конкретное значение, однако в первом приближении их значения можно оценивать как значения электрического заряда протона и электрона атома водорода, определенного выше. Кроме того, данное обстоятельство указывает на то, что электрический заряд атома вещества является его уникальной характеристикой, которая может быть использована для его идентификации.

Зная величины электрических зарядов протона и электрона для атома водорода можно оценить электромагнитные силы, обеспечивающие устойчивость атома водорода.

В соответствии с модифицированным законом Кулона электрическая сила притяжения Fпр будет равна

Fпр = k (q 1 — q 2) 2 / r 2 , при q 1 ≠ q 2 ,

где q 1 – электрический заряд протона, q 2 – электрический заряд электрона, r – радиус атома.

Fпр = (1/4πε 0)(q 1 — q 2) 2 / r 2 = (1/4π 8,85418781762039·10 −12 Ф·м −1) ·

• (0,743∙10 -17 Кл — 0,157∙10 -19 Кл) 2 /(5,2917720859·10 −11 ) 2 = 0,1763·10 -3 Н.

В атоме водорода на электрон действует электрическая (кулоновская) сила притяжения равная 0,1763·10 -3 Н. Так как атом водорода находится в устойчивом состоянии, то магнитная сила отталкивания также равна 0,1763·10 -3 Н. Для сравнения вся научная и учебно-методическая литература приводят расчет силы электрического взаимодействия, например , который дает результат 0,923 ·10 -7 Н. Приведенный в литературе расчет некорректен, так как основан на ошибках, рассмотренных выше.

Современная физика утверждает, что минимальная энергия, необходимая для вырывания электрона из атома, называется энергией ионизации или энергией связи, которая для атома водорода равна 13,6 эВ . Оценим энергию связи протона и электрона в атоме водорода на основе полученных значений электрического заряда протона и электрона.

Е св. = F пр ·r н = 0,1763·10 -3 · 6,24151·10 18 эВ /м · 5,2917720859·10 −11 = 58271эВ .

Энергия связи протона и электрона в атоме водорода равна 58,271 КэВ .

Полученный результат указывает на некорректность понятия энергии ионизации и ошибочность второго постулата Бора : “излучение света происходит при переходе электрона из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излучённого фотона равна разности энергий стационарных состояний”. В процессе возбуждения протон-электронной пары под воздействием внешних факторов, электрон смещается (удаляется) от протона на некоторую величину, максимальное значение которой определяется энергией ионизации. После генерации фотонов протон-электронной парой электрон возвращается на прежнюю орбиту.

Оценим величину максимального смещения электрона при возбуждении атома водорода некоторым внешним фактором энергией 13,6 эВ.

Радиус атома водорода станет равным 5,29523·10 −11 , т. е. увеличится ориентировочно на 0,065%.

Электрический заряд фотона. Согласно эфиродинамической концепции фотон это : элементарная частица, представляющая собой замкнутый тороидальный вихрь уплотненного эфира с кольцевым движением тора (как колеса) и винтовым движением внутри него, осуществляющая поступательно-циклоидальное движение (по винтовой траектории), обусловленное гироскопическими моментами собственного вращения и вращения по круговой траектории и предназначенная для переноса энергии.

Исходя из структуры фотона, как тороидального вихревого тела, движущегося по винтовой траектории, где r γ λ внешний радиус, m γ λ – масса, ω γ λ — собственная частота вращения, электрический заряд фотона может быть представлен следующим образом.

Для упрощения расчетов примем длину потока эфира в теле фотона r =2π r γ λ ,

u = ω γ λ r γ λ , r 0 λ = 0.2 r γ λ — радиус сечения тела фотона.

q γ λ = (1/k) 1/2 ω γ λ r γ λ 2πr γ λ (m λ /V · V/2πr γ λ) 1/2 = (1/k) 1/2 ω γ λ r γ λ (m λ 2πr γ λ) 1/2 =

= (4πε 0) 1/2 ω γ λ r γ λ (m λ 2πr γ λ) 1/2 = 2π(2ε 0) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ) 1/2 ,

q γ λ = 2 π (2 ε 0 ) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ ) 1/2 . (4)

Выражение (4) представляет собственный электрический заряд фотона без учета движения по круговой траектории. Параметры ε 0 , m λ , r γ λ это квазипостоянные, т.е. переменные, значения которых меняются незначительно (доли %) во всей области существования фотона (от инфракрасного до гамма). Это значит, что собственный электрический заряд фотона это функция от частоты вращения вокруг собственной оси. Как показано в работе отношение частот гамма фотона ω γ λ Г к фотону инфракрасного диапазона ω γ λ И составляет порядка ω γ λ Г /ω γ λ И ≈ 1000, соответственно изменяется и величина собственного электрического заряда фотона. В современных условиях эта величина не может быть измерена, поэтому имеет только теоретическое значение.

Согласно определению фотона, он имеет сложное винтовое движение, которое можно разложить на движение по круговой траектории и прямолинейное. Для оценки полной величины электрического заряда фотона необходимо учитывать движение по круговой траектории. В этом случае собственный электрический заряд фотона оказывается распределенным по этой круговой траектории. Учитывая периодичность движения, у которого шаг винтовой траектории трактуется как длина волны фотона, можно говорить о зависимости величины полного электрического заряда фотона от его длины волны.

Из физической сущности электрического заряда следует пропорциональность величины электрического заряда его массе, следовательно и его объему. Таким образом собственный электрический заряд фотона пропорционален собственному объему тела фотона (V γ λ). Аналогично, полный электрический заряд фотона с учетом движения по круговой траектории будет пропорционален объему (V λ), который сформирует фотон, движущийся по круговой траектории.

q λ = q γ λ V λ /V γ λ = q γ λ 2π 2 R λ r 2 γ λ /2π 2 Lr 3 γ λ = q γ λ R λ / L 2 r γ λ ,

q λ = q γ λ R λ / L 2 r γ λ . (5)

где L = r 0γλ /r γλ — параметр структуры фотона, равный отношению радиуса сечения к внешнему радиусу тела фотона (≈ 0,2), V Т = 2π 2 R r 2 – объем тора , R - радиус окружности вращения образующей окружности тора; r - радиус образующей окружности тора.

q λ = q γ λ R λ / L 2 r γ λ = 2π(2ε 0) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ) 1/2 R λ / L 2 r γ λ ,

q λ = 2 π (2 ε 0 ) 1/2 ω γ λ (m λ r γ λ ) 1/2 R λ / L 2 . (6)

Выражение (6) представляет полный электрический заряд фотона. Ввиду зависимости полного электрического заряда от геометрических параметров фотона, значения которых в настоящее время известны с большой погрешностью, получить точное значение величины электрического заряда расчетным путем не представляется возможным. Однако его оценка позволяет сделать ряд существенных теоретических и практических выводов.

Для данных из работы , т.е. при λ = 225 нм, ω γ λ ≈ 6,6641·10 30 об/с,

m λ ≈ 10 -40 кг, r γ λ ≈ 10 -20 м, R λ ≈ 0,179·10 -16 м, L ≈ 0,2, получим величину полного электрического заряда фотона:

q λ = 0, 786137 ·10 -19 Кл.

Полученное значение полного электрического заряда фотона длиной волны 225 нм хорошо согласуется с величиной измеренной Р. Милликеном (1,592·10 -19 Кл) , позднее ставшей фундаментальной постоянной, с учетом того, что его значение соответствует электрическому заряду двух фотонов. Удвоенное значение рассчитанного электрического заряда фотона:

2q λ = 1,57227·10 -19 Кл,

в Международной системе единиц (СИ) элементарный электрический заряд равен 1,602 176 6208(98)·10 −19 Кл . Удвоенное значение элементарного электрического заряда обусловлено тем, что протон-электронная пара, в силу своей симметрии, всегда генерирует два фотона. Это обстоятельство экспериментально подтверждается существованием такого процесса как аннигиляция электрон – позитронной пары, т.е. в процессе взаимоуничтожения электрона и позитрона успевают сгенерироваться два фотона, а также существованием таких известных приборов, как фотоэлектронные умножители и лазеры.

Выводы. Итак, в данной работе показано, что электрический заряд является фундаментальным свойством природы, играющим важную роль в понимании сущности элементарных частиц, атомов и других структур микромира.

Эфиродинамическая сущность электрического заряда позволяет дать обоснование интерпретации структур, свойств и параметров элементарных частиц, отличающихся от известных современной физике.

На основе эфиродинамической модели атома водорода и физической сущности электрического заряда даны расчетные оценки электрических зарядов протона, электрона и фотона.

Данные для протона и электрона, в виду отсутствия экспериментального подтверждения на данный момент, носят теоретический характер, однако с учетом погрешности могут быть использованы как в теории, так и на практике.

Данные для фотона хорошо согласуются с результатами известных экспериментов по измерению величины электрического заряда и обосновывают ошибочное представление элементарного электрического заряда.

Литература:

1. Лямин В. С., Лямин Д. В. Физическая сущность электрического заряда.
2. Кастерин Н. П. Обобщение основных уравнений аэродинамики и электродинамики
   (Аэродинамическая часть) . Проблемы физической гидродинамики / Сборник статей под ред. академика АН БССР А.В. Лыкова. – Минск: Институт тепло- и массообмена АН БССР, 1971, с. 268 – 308.
3. Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире. Издание второе. М.: Энергоатомиздат, 2003. 584 с.
4. Емельянов В. М. Стандартная модель и её расширения. - М.: Физматлит, 2007. - 584 с.
5. Клоуз Ф. Введение в кварки и партоны. - М.: Мир , 1982. - 438 с.
6. Ахиезер А И, Рекало М П «Электрический заряд элементарных частиц» УФН 114 487–508 (1974).
.
7. Физическаяэнциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов