Движение заряженных частиц в электрическом, магнитном и других силовых полях. Заряженные частицы. древнегреческий миф или современная реальность? Направление заряженных частиц

Пусть частица массой m и с зарядом e влетает со скоростью v в электрическое поле плоского конденсатора. Длина конденсатора x, напряженность поля равна Е. Смещаясь в электрическом поле вверх, электрон пролетит через конденсатор по криволинейной траектории и вылетит из него, отклонившись от первоначального направления на y. Под действием силы поля, F = eE = ma частица движется ускоренно по вертикали, поэтому . Время движения частицы вдоль оси ох с постоянной скоростью . Тогда . А это есть уравнение параболы. Т.о. заряженная частица движется в электрическом поле по параболе.

3. Движение заряженных частиц в магнитном поле .

Рассмотрим движение заряженной частицы в магнитном поле напряженностью Н. Силовые линии поля изображены точками и направлены перпендикулярно к плоскости рисунка (к нам).

Движущаяся заряженная частица представляет собой электрический ток. Поэтому магнитное поле отклоняет частицу вверх от ее первоначального направления движения (направление движения электрона противоположно направлению тока)

Согласно формуле Ампера сила, отклоняющая частицу на любом участке траектории равна , ток , где t - время, за которое заряд e проходит по участку l. Поэтому . Учитывая, что , получим

Сила F называется лоренцевой силой. Направления F, v и H взаимно перпендикулярны. Направление F можно определить по правилу левой руки.

Будучи перпендикулярна скорости , лоренцева сила изменяет только направление скорости движения частицы, не изменяя величины этой скорости. Отсюда следует, что:

1. Работа силы Лоренца равна нулю, т.е. постоянное магнитное поле не совершает работы над движущейся в нем заряженной частицей (не изменяет кинетической энергии частицы).

Напомним, что в отличие от магнитного поля электрическое поле изменяет энергию и величину скорости движущейся частицы.

2. Траектория частицы является окружностью, на которой частицу удерживает лоренцева сила, играющая роль центростремительной силы.

Радиус r этой окружности определим, приравнивая между собой лоренцеву и центростремительную силы:

Откуда .

Т.о. радиус окружности, по которой движется частица, пропорционален скорости частицы и обратно пропорционален напряженности магнитного поля.

Период обращения частицы T равен отношению длины окружности S к скорости частицы v: . Учитывая выражение для r, получим . Следовательно, период обращения частицы в магнитном поле не зависит от ее скорости.

Если в пространстве, где движется заряженная частица, создать магнитное поле, направленное под углом к ее скорости , то дальнейшее движение частицы представит собой геометрическую сумму двух одновременных движений: вращения по окружности со скоростью в плоскости, перпендикулярной силовым линиям, и перемещения вдоль поля со скоростью . Очевидно, что результирующая траектория частицы окажется винтовой линией.

4. Электромагнитные счетчики скорости крови.

Принцип действия электромагнитного счетчика основан на движении электрических зарядов в магнитном поле. В крови имеется значительное количество электрических зарядов в виде ионов.

Предположим, что некоторое количество однозарядных ионов движется внутри артерии со скоростью . Если артерию поместить между полюсами магнита, ионы будут двигаться в магнитном поле.

Для направлений и B, показанных на рис.1., магнитная сила , действующая на положительно заряженные ионы направлена вверх, а сила , действующая на отрицательно заряженные ионы, направлена вниз. Под влиянием этих сил ионы движутся к противоположным стенкам артерии. Эта поляризация артериальных ионов создает поле E (рис.2), эквивалентное однородному полю плоского конденсатора. Тогда разность потенциалов в артерии U диаметром d связан с Е формулой . Это электрическое поле, действуя на ионы, создает электрические силы и , направление которых противоположно направлению и , как показано на рис.2.

В экспериментах по исследованию структуры ядер и механизмов ядерных реакций почти всегда необходимо не только измерять энергию частиц, но и идентифицировать их. По мере роста энергии и массы бомбардирующих частиц растет число открывающихся каналов реакций, а соответственно и набор образующихся ядер. Проблема надежной идентификации продуктов реакций особенно остро стоит в физике тяжелых ионов. Рассмотрим различные методы идентификации частиц.

Идентификация на основе измерений удельных потерь энергии и полной энергии (ΔE-E-метод)

Этот метод является основным при исследовании реакций с легкими ионами (1 Н, 2 Н, 3 Н, 3 Нe, 4 Нe). В нем используется телескоп детекторов, состоящий из тонкого прострельного детектора ΔE и детектора полного поглощения энергии E. (В качестве ΔE -детектора используют тонкие кремниевые детекторы, а также ионизационные камеры и пропорциональные счетчики, в качестве детектора полного поглощения - кремниевые детекторы или детекторы из сверхчистого германия HpGe) Потери энергии в ΔE детекторе

где k - коэффициент, не зависящий от массового числа A и заряда Z частицы. AZ 2 носит название параметра идентификации. Величина сигнала ΔE - канала пропорциональна kAZ 2 /E, Е-канала - E - kAZ 2 /E. На плоскости ΔE -E распределение отображается семейством гипербол, каждая из которых соответствует частице (нуклиду) с определенным значением массового числа и заряда (см. рис.1). Толщина прострельного детектора определяет нижнюю и верхнюю границы измеряемого энергетического диапазона для данного нуклида. Если энергия мала, то частица оставит практически всю энергию в прострельном детекторе, а сигнал от детектора полного поглощения будет мал и "утонет" в шумах. Если энергия велика, наоборот. В экспериментальных ΔE -E распределениях гиперболы размыты. На рис. 2 показано как приблизительно выглядят проекции на ось ΔE сечения по энергии в Е-канале. Ширина распределений определяется не только шумами детекторов и электроники, но и другими факторами, среди которых следующие:

• Статистические флуктуации потерь в тонких детекторах.
• Неоднородность толщины ΔE-детектора, которая приводит к разбросу потерь энергии в нем и в Е детекторе.
• Разброс пробегов и потери энергии в мертвых слоях детекторов.
• Флуктуации величины заряда. Средний заряд иона Z эф при прохождении ΔE детектора совпадает с атомным номером Z только у самых легких ионов. По мере роста Z и/или уменьшения энергии различие между Z и Z эф возрастает. Для тяжелых ионов влияние этого эффекта на разрешение может быть заметно больше, чем влияние статистических флуктуаций потерь.

Чем тяжелее ионы, тем указанные факторы сильнее ограничивают возможности ΔE -E -метода. Относительное изменение параметра идентификации для двух соседних изотопов данного элемента
Δ A/A у протонов 1, у 20 Ne - 0.05, у изотопов аргона - 0.025, а у изотопов ксенона - <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.
При увеличении атомного номера может возникнуть ситуация, когда нейтроноизбыточные изотопы элемента Z и нейтронодефицитные изотопы элемента Z+1 будут иметь близкие параметры идентификации.
Все указанные факторы ограничивают применимость ΔE -E -метода для ионов с массовыми числами A более ~20. Разрешение по Z в два раза лучше, чем разрешение по A.

На рис. 3. показана примерная блок-схема электроники для идентификации частиц ΔE-E-методом.

ΔE- и E-каналы идентичны. С одного из выходов спектрометрического усилителя снимается биполярный сигнал, который поступает на временной одноканальный анализатор . Он служит для выделения нужного амплитудного (энергетического) диапазона и для получения временной метки. В данном случае она получается с помощью метода привязки по нулю биполярного сигнала . Сигналы с временных одноканальных анализаторов поступают на схему совпадений, которая управляет линейными воротами. Таким образом, линейные ворота пропускают только сигналы, которые находятся в интересующем энергетическом диапазоне и совпадают в пределах разрешающего времени. Сигналы с линейных ворот поступают в АЦП и далее в систему двумерного анализа. Теперь можно выделить области двумерного спектра, соответствующие определенным частицам, и спроецировать эту область на ось Е, получив, таким образом, амплитудные (энергетические) спектры для отдельных частиц. В полученных таким образом спектрах зависимость между энергией частицы Е и номером канала n нелинейная, так как в Е-канале регистрируется не вся энергия Е, а только оставшаяся после прохождения Δ E- детектора и n пропорциональна этой энергии,

n = k.

(3)

Коррекцию потерь в ΔE - детекторе несложно сделать, воспользовавшись таблицами удельных потерь.
Для увеличения диапазона энергий и регистрируемых частиц, например, если желательно одновременно снимать спектры 1 Н, 2 Н, 3 Н, 3 Нe, 4 Нe в широком энергетическом диапазоне, можно использовать телескоп из трех детекторов тонкого ΔE 1 , более толстого ΔE 2 и Е. Тогда для низких энергий и/или более тяжелых частиц в качестве прострельного детектора будет служить детектор ΔE 1 , а полное поглощение будет происходить в детекторах ΔE + Е. Для более высоких энергий и/или более легких частиц в качестве прострельного - ΔE 1 + ΔE 2 , а полное поглощение будет происходить в детекторе Е.

Идентификация на основе измерений энергии и времени пролета (E-t-метод)

Метод времени пролета является основным для измерения энергетических распределений нейтронов. Детектор используется в этом случае для того, чтобы получить информацию только о времени попадания в него нейтрона. В случае заряженных частиц нет проблем получения с детектора также и энергетической информации. Для нерелятивистских частиц время пролета связано с кинетической энергией соотношением

(4)

где t f - время пролета в наносекундах, d - пролетная база в метрах, A - массовое число частицы в атомных единицах массы, E - кинетическая энергия частицы в МэВ. Таким образом, одновременно измеряя энергию и время пролета можно провести идентификацию частиц по массам, измеряя двумерные распределения энергия - время пролета. Ионы, имеющие близкие массы, но разные заряды, естественно различаться не будут.
Разрешение по массам E-t-метода при использовании полупроводникового детектора практически полностью определяется временным разрешением

При гауссовом распределении и ΔА = 0.59 а.е.м. 95% частиц будут зарегистрированы в правильном массовом интервале. В табл. 1 приведены вычисленные по формуле (6) разрешения по массам для различных энергий и массовых чисел для установки с пролетной базой 1 м и временным разрешением 1 нс.

Таблица 1. Разрешение по массам для частиц различных энергий и масс.

Массовое число, а.е.м.	Энергия, МэВ
	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

На рис. 6 показана блок-схема электроники, которая может быть использована для идентификации по E-t-методу.

Импульсы детектора поступают в зарядочувствительный предусилитель . С зарядочувствительного предусилителя сигналы поступают как на быстрый , так и на спектрометрический усилитель. Сигналы быстрого усилителя поступают на быстрый дискриминатор , который служит для временной привязки. Стандартные таймирующие сигналы от быстрого дискриминатора поступают на стартовый вход ВАК а. На стоповый вход поступают сигналы от другого быстрого дискриминатора, который формирует таймирующие сигналы, используя периодические модуляции пучка (например, ВЧ циклотрона). Импульсы ВАКа, амплитуда которых пропорциональна времени пролета поступают в АЦП . В другой АЦП поступают сигналы со спектрометрического усилителя, амплитуда которых пропорциональна энергии. Сигналы АЦП поступают в систему двумерного анализа, как и в Δ E-E -методе.
Разрешение по времени и, соответствено, по массе можно улучшить по сравнению с рассмотренным вариантом, если для хронирования вместо ВЧ использовать поставленную на пути частицы тонкую пленку . При прохождении частиц через эту пленку из нее будут выбиваться вторичные электроны, регистрируемые микроканальной пластиной. Сигналы от микроканальной пластины поступают на зарядочувствительный предусилитель. С предусилителя - на быстрый усилитель + быстрый дискриминатор. В этом случае таймирующие сигналы микроканальной пластины поступают на стартовый вход ВАКа, а от детектора частиц - на стоповый.
Комбинация E-t и Δ E-E -методов позволяет продвинуться в разделении нуклидов по Z до ~28, а по А до ~60.

Идентификация с помощью магнитного анализа

Из уравнения магнитного анализа

где А - массовое число иона, q - его заряд, Е - кинетическая энергия иона, В - напряженность магнитного поля, R - радиус кривизны иона в магнитном поле, следует, что фиксируя B и R в магнитном спектрометре и одновременно измеряя кинетическую энергию E, можно определять отношение массового числа к квадрату ионного заряда, т.е. производить идентификацию.
Недостатком такой системы является ее низкая эффективность. В детектор попадают частицы из очень узкого энергетического диапазона. Для того чтобы снять весь спектр, необходимо неоднократно менять напряженность магнитного поля. Этот недостаток можно частично преодолеть, поставив в фокальную плоскость позиционно-чувствительные детекторы. Другой недостаток заключается в том, что не происходит разделения изотопов с близкими значениями A/q 2 , например изобар соседних элементов, находящихся в одинаковых зарядовых состояниях.
Преодолеть этот недостаток позволяет объединение магнитного анализа с ΔE-E-методом. Вырождение по изобарам с одинаковыми ионными состояниями здесь снимается, т.к. величина удельной ионизации зависит не от ионного заряда, а от среднего заряда иона Z эф.

Объединение методов идентификации

Для надежной идентификации нуклидов в широком диапазоне массовых чисел А и атомных номеров Z созданы установки, в которых используются все три метода идентификации. Запишем уравнения идентификации в следующем виде

Использование кривой Брегга для идентификации частиц

Кривая зависимости удельных ионизационных потерь энергии от пробега (кривая Брегга) - "визитная карточка" для заряженной частицы. В начале 80-х было предложено использовать ее для идентификации частиц . Для реализации этой идеи были созданы соответствующие ионизационные камеры.
Измерения кривой Брегга в газовой среде позволяют получить следующие характеристики частицы: ее энергию Е, пробег R, удельные потери dE/dx и амплитуду брегговского пика A BP (удельные потери в максимуме кривой Брегга). Существует два способа идентификации частиц, основанных на измерениях характеристик кривой Брегга. В первом траектория частиц перпендикулярна электродам ионизационной камеры, во втором - параллельна.

Идентификация частиц с помощью ионизационной камеры с электродами, перпендикулярными траектории частицы
Bragg Curve Spectroscopy (BCS)

Рис. 9. Схемы ионизационной камеры и BCS-метода.

На рис. 9 показана схема ионизационной камеры с электродами перпендикулярными траектории частицы. Расстояние между катодом и сеткой Фриша больше, чем максимальный пробег идентифицируемых частиц, расстояние между сеткой Фриша и анодом меньше, чем минимальный пробег идентифицируемых частиц. Детектируемые частицы через тонкое входное окно попадают в камеру, заполненную газом. (Входное окно - тонкая пластиковая пленка, расположенная максимально близко к катоду, катод в этом случае представляет собой сетку. Катод или часть его можно сделать из металлизированной пленки, тогда одновременно он будет служить и входным окном. ) Заряженная частица вызывает ионизацию газа. Распределение электронной плотности вдоль трека частицы соответствует кривой Брегга. Возникающие в результате ионизации электроны с постоянной скоростью движутся в однородном электрическом поле по направлению к сетке Фриша. (Однородность электрического поля обеспечивается формирующими электродами, напряжение на которые подается от делителя напряжения. ) Сетка Фриша экранирует анод от зарядов, которые находятся между ней и катодом. (Для того чтобы не допустить сбора электронов на сетке Фриша, электрическое поле между сеткой и анодом должно быть больше, чем между катодом и сеткой. ) Таким образом, собираемый на аноде заряд определяется только электронами, движущимися между сеткой Фриша и анодом. Это означает, что форма токового сигнала на аноде - зеркальное отражение кривой Брегга. Для извлечения полезной информации, содержащейся в токовом сигнале с анода, применяется как аналоговая, так и цифровая обработка сигналов.

При аналоговой обработке сигнал с анода поступает на зарядочувствительный предусилитель. С предусилителя сигнал подается на два усилителя. Один из них имеет большую постоянную времени (~6-8 мкс) так что происходит интегрирование всего сигнала и амплитуда выходного сигнала пропорциональна энергии частицы. Другой усилитель имеет заметно меньшую постоянную времени, приблизительно равную времени пролета электронов от брегговского пика между сеткой Фриша и анодом (~0.1-0.5 мкс), его амплитуда пропорциональна амплитуде токового сигнала A BP и, соответственно, заряду иона. Ионы, с разными энергиями, но с одинаковыми зарядами, испытывают приблизительно одинаковые удельные потери в области брегговского пика. На рис. 10 показано распределение Е-A BP . Область A BP = const определяется расстоянием между сеткой Фриша и анодом и соответственно связанной с ним постоянной времени формирующих цепей усилителя. Когда пробег иона меньше этого расстояния, в обоих усилителях интегрируется весь сигнал и идентификация оказывается невозможной.

При цифровой обработке сигнала используются быстрые параллельные АЦП, позволяющие зафиксировать форму сигнала и провести идентификацию не только по Z, но и по массовому числу А, по крайней мере, для легких элементов. Это можно сделать, например, используя эталонные сигналы, полученные для различных изотопов, и сравнивая форму измеренного сигнала с эталонными (см. рис. 11).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19.

Цель работы: изучить треки заряженных частиц по готовым фотографиям.

Теория: При помощи камеры Вильсона наблюдают и фотографируют треки (следы) движущихся заряженных частиц. Трек частицы представляет собой цепочку из микроскопических капелек воды или спирта, образовавшихся вследствие конденсации пересыщенных паров этих жидкостей на ионах. Ионы же образуются в результате взаимодействия заряженной частицы с атомами и молекулами паров и газов, находящихся в камере.

Рисунок 1.

Пусть частица с зарядом Ze движется со скоростью V на расстоянии r от электрона атома (рис. 1). Вследствие кулоновского взаимодействия с этой частицей электрон получает некоторый импульс в направлении, перпендикулярном к линии движения частицы. Взаимодействие частицы и электрона наиболее эффективно во время прохождения ее по отрезку траектории, ближайшему к электрону и сравнимому с расстоянием r, например равному 2r. Тогда в формуле , где - время за которое частица проходит отрезок траектории 2r,т.е. ,a F - средняя сила взаимодействия частицы и электрона за это время.

Сила F по закону Кулона прямо пропорциональна зарядам частицы (Ze) и электрона (e ) и обратно про­порциональна квадрату расстояния между ними. Следовательно, сила взаимодействия частицы с электроном примерно равна:

(примерно, так как в наших расчетах не учитывалось влияние ядра атома других электронов и атомов среды):

Итак, импульс, полученный электроном, находится в прямой зависимости от заряда проходящей около него частицы и в обратной зависимости от ее скорости.

При некотором достаточно большом импульсе электрон отрывается от атома и последний превращается в ион. На каждой единице пути частицы образуется тем больше ионов

(а следовательно, и капелек жидкости), чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость. Отсюда следуют выводы, которые необходимо знать, чтобы уметь «прочесть» фотографию треков частицы:

1. При прочих одинаковых условиях трек толще у той частицы, которая имеет больший заряд. Например, при одинаковых скоростях трек - частицы толще, чем трек протона и электрона.

2. Если частицы имеют одинаковые заряды, то трек толще у той, которая имеет меньшую скорость, движется медленнее, отсюда очевидно, что к концу движения трек частицы толще, чем вначале, так как скорость частицы уменьшается вследствие потери энергии на ионизацию атомов среды.

3. Исследуя излучение на разных расстояниях от радиоактивного препарата, обнаружили, что ионизи­рующие и другие действия - излучения резко обрываются на некотором характерном для каждого ра­диоактивного вещества расстоянии. Это расстояние называют пробегом частицы. Очевидно, пробег зависит от энергии частицы и плотности среды. Например, в воздухе при температуре 15 0 С и нормальном давлении пробег - частицы, имеющей начальную энергию 4,8 МэВ, равен 3,3 см, а пробег - частицы с начальной энергией 8,8 МэВ - 8,5см. В твердом же теле. например в фотоэмульсии, пробег - частиц с такой энергией равен нескольким десяткам микрометра.

Если камера Вильсона помещена в магнитное поле, то на движущиеся в ней заряженные частицы действует сила Лоренца, которая равна (для случая, когда скорость частицы перпендикулярна линиям поля):

Где Ze - заряд частицы, - скорость и В - индукция магнитного поля. Правило левой руки позволяет показать, что сила Лоренца направлена всегда перпендикулярно скорости частицы и, следовательно, является центростремительной силой:

Где т - масса частицы, r - радиус кривизны ее трека. Отсюда (1).

Если частица имеет скорость, много меньшую скорости света (т.е. частица не релятивистская), то соотношение между кинетической энергией и радиусом ее кривизны имеет вид: (2)

Из полученных формул можно сделать выводы, которые также необходимо использовать для анализа фотографий треков частиц.

1. Радиус кривизны трека зависит от массы, скорости и заряда частицы. Радиус тем меньше (т е. отклонение частицы от прямолинейного движения больше), чем меньше масса и скорость частицы и чем больше ее заряд. Например, в одном и том же магнитном поле при одинаковых начальных скоростях отклонение электрона будет больше отклонения протона, а на фотографии будет видно, что трек электрона - окружность с меньшим радиусом, чем радиус трека протона. Быстрый электрон отклонится меньше, чем медленный. Атом гелия, у которого недостает электрона (ион Не +), отклонится слабее - частицы, так как при одинаковых массах заряд - частицы больше заряда однократно ионизированного атома гелия. Из соотношения между энергией частицы и радиусом кривизны ее трека видно, что отклонение от прямолинейного движения больше в том слу­чае, когда энергия частицы меньше.

2. Так как скорость частицы к концу пробега уменьшается, то уменьшается и радиус кривизны трека(увеличивается отклонение от прямолинейного движения). По изменению радиуса кривизны можно определить направление движения частицы - начало ее движения там, где кривизна трека меньше.

3. Измерив радиус кривизны трека и зная некоторые другие величины, можно для частицы вычислить отношение ее заряда к массе:

Это отношение служит важнейшей характеристикой частицы и позволяет определить, что это за частица, или, как говорят, идентифицировать частицу, т.е. установить ее идентичность (отождествление, подобие) известной частице

Если в камере Вильсона произошла реакция распада ядра атома, то по трекам частиц - продуктов распада можно установить, какое ядро распалось. Для этого нужно вспомнить, что в ядерных реакциях выполняются законы сохранения полного электрического заряда и полного числа нуклонов. Например, в реакции: суммарный заряд частиц, вступающих в реакцию, равен 8(8+0) и заряд частиц-продуктов реакции также равен 8 (4* 2+0). Полное число нуклонов слева равно 17 (16+1) и справа также равно 17 (4 *4+1). Если не было известно, ядро какого элемента распалось, то можно вычислить его заряд с помощью простых арифметических расчетов, а затем по таблице Д.И. Менделеева узнать название элемента. Закон сохранения полного числа нуклонов позволит установить, какому изотопу этого элемента принадлежит ядро. Например, в реакции:

Z = 4 – 1 = 3 и А = 8 – 1 = 7, следовательно - есть изотоп лития.

Приборы и принадлежности: фотографии треков, прозрачная бумага, угольник, циркуль, карандаш.

Порядок проведения работы:

На фотографии (рис. 2) видны треки ядер легкихэлементов (последние 22 см их пробега). Ядра двигались в магнитном поле индукцией В = 2,17 Тл, направленной перпендикулярно фотографии. Начальные скорости всех ядер одинаковы и перпендикулярны линиям поля.

Рисунок 2.

1. Изучение треков заряженных частиц (теоретический материал).

1.1. Определите направление вектора индукции магнитного поля и сделайте пояснительный рисунок, учитывая то, что направление скорости движения частиц определяются по изменению радиуса кривизны трека заряженной частицы (начало ее движения там, где кривизна трека меньше).

1.2. Объясните, почему траектории частиц представляют собой окружности, используя теорию к лабораторной работе.

1.3. Какова причина различия в кривизне траекторий разных ядер и почему кривизна каждой траектории изменяется от начала к концу пробега частицы? Ответить на данные вопросы, используя теорию к лабораторной работе.

2. Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям (рис. 2.).

2.1. Наложите на фотографию лист прозрачной бумаги (можно использовать кальку) и осторожно переведите на нее трек 1 и правый край фотографии.

2.2. Измерьте радиус кривизны R трека частицы 1 примерно в начале и в конце пробега, для этого нужно сделать следующие построения:

а) из начала трека провести 2 различные хорды;

б) найти середину хорды 1, а затем 2 с помощью циркуля и угольника;

в) затем провести линии через середины отрезков хорд;) ;

в) полученное число будет являться порядковым номером элемента;

г) используя периодическую систему химических элементов, определить, ядром какого элемента является частица III.

3. Сделать вывод о проделанной работе.

4. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

Какому именно ядру – дейтерия или трития – принадлежат треки II и IV(используя для ответа фотографии треков заряженных частиц и соответственно им построения)?

«Физика - 10 класс»

Вначале рассмотрим наиболее простой случай, когда электрически заряженные тела находятся в покое.

Раздел электродинамики, посвящённый изучению условий равновесия электрически заряженных тел, называют электростатикой .

Что такое электрический заряд?
Какие существуют заряды?

Со словами электричество, электрический заряд, электрический ток вы встречались много раз и успели к ним привыкнуть. Но попробуйте ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» Само понятие заряд - это основное, первичное понятие, которое не сводится на современном уровне развития наших знаний к каким-либо более простым, элементарным понятиям.

Попытаемся сначала выяснить, что понимают под утверждением: «Данное тело или частица имеет электрический заряд».

Все тела построены из мельчайших частиц, которые неделимы на более простые и поэтому называются элементарными .

Элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения. С увеличением расстояния между частицами сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Большинство элементарных частиц, хотя и не все, кроме того, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила во много раз превосходит силу тяготения.

Так в атоме водорода, изображённом схематически на рисунке 14.1, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 10 39 раз превышающей силу гравитационного притяжения.

Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными .

Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.

Взаимодействие заряженных частиц называется электромагнитным .

Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.

Электрический заряд элементарной частицы - это не особый механизм в частице, который можно было бы снять с неё, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование определённых силовых взаимодействий между ними.

Мы, в сущности, ничего не знаем о заряде, если не знаем законов этих взаимодействий. Знание законов взаимодействий должно входить в наши представления о заряде. Эти законы непросты, и изложить их в нескольких словах невозможно. Поэтому нельзя дать достаточно удовлетворительное краткое определение понятию электрический заряд .

Два знака электрических зарядов.

Все тела обладают массой и поэтому притягиваются друг к другу. Заряженные же тела могут как притягивать, так и отталкивать друг друга. Этот важнейший факт, знакомый вам, означает, что в природе есть частицы с электрическими зарядами противоположных знаков; в случае зарядов одинаковых знаков частицы отталкиваются, а в случае разных притягиваются.

Заряд элементарных частиц - протонов , входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов - отрицательным. Между положительными и отрицательными зарядами внутренних различий нет. Если бы знаки зарядов частиц поменялись местами, то от этого характер электромагнитных взаимодействий нисколько бы не изменился.

Элементарный заряд.

Кроме электронов и протонов, есть ещё несколько типов заряженных элементарных частиц. Но только электроны и протоны могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Остальные же заряженные частицы живут менее миллионных долей секунды. Они рождаются при столкновениях быстрых элементарных частиц и, просуществовав ничтожно малое время, распадаются, превращаясь в другие частицы. С этими частицами вы познакомитесь в 11 классе.

К частицам, не имеющим электрического заряда, относится нейтрон . Его масса лишь незначительно превышает массу протона. Нейтроны вместе с протонами входят в состав атомного ядра. Если элементарная частица имеет заряд, то его значение строго определено.

Заряженные тела Электромагнитные силы в природе играют огромную роль благодаря тому, что в состав всех тел входят электрически заряженные частицы. Составные части атомов - ядра и электроны - обладают электрическим зарядом.

Непосредственно действие электромагнитных сил между телами не обнаруживается, так как тела в обычном состоянии электрически нейтральны.

Атом любого вещества нейтрален, так как число электронов в нём равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.

Макроскопическое тело заряжено электрически в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком заряда. Так, отрицательный заряд тела обусловлен избытком числа электронов по сравнению с числом протонов, а положительный - недостатком электронов.

Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, т. е. наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного или перенести на нейтральное тело отрицательный заряд.

Это можно сделать с помощью трения. Если провести расчёской по сухим волосам, то небольшая часть самых подвижных заряженных частиц - электронов перейдёт с волос на расчёску и зарядит её отрицательно, а волосы зарядятся положительно.

Равенство зарядов при электризации

С помощью опыта можно доказать, что при электризации трением оба тела приобретают заряды, противоположные по знаку, но одинаковые по модулю.

Возьмём электрометр, на стержне которого укреплена металлическая сфера с отверстием, и две пластины на длинных рукоятках: одна из эбонита, а другая из плексигласа. При трении друг о друга пластины электризуются.

Внесём одну из пластин внутрь сферы, не касаясь её стенок. Если пластина заряжена положительно, то часть электронов со стрелки и стержня электрометра притянется к пластине и соберётся на внутренней поверхности сферы. Стрелка при этом зарядится положительно и оттолкнётся от стержня электрометра (рис. 14.2, а).

Если внести внутрь сферы другую пластину, вынув предварительно первую, то электроны сферы и стержня будут отталкиваться от пластины и соберутся в избытке на стрелке. Это вызовет отклонение стрелки от стержня, причём на тот же угол, что и в первом опыте.

Опустив обе пластины внутрь сферы, мы вообще не обнаружим отклонения стрелки (рис. 14.2, б). Это доказывает, что заряды пластин равны по модулю и противоположны по знаку.

Электризация тел и её проявления. Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей. Снимая с себя рубашку из синтетического материала в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескивание. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькие искорки.

В типографиях происходит электризация бумаги при печати, и листы слипаются. Чтобы это не происходило, применяют специальные устройства для стекания заряда. Однако электризация тел при тесном контакте иногда используется, например, в различных электрокопировальных установках и др.

Закон сохранения электрического заряда.

Опыт с электризацией пластин доказывает, что при электризации трением происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, до этого нейтральными. Небольшая часть электронов переходит с одного тела на другое. При этом новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда . Этот закон справедлив для системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы, т. е. для изолированной системы .

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется.

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

где q 1 , q 2 и т. д. - заряды отдельных заряженных тел.

Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Если число заряженных элементарных частиц не меняется, то выполнение закона сохранения заряда очевидно. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая жизнь новым частицам.

Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами; исчезают заряженные частицы тоже только парами, превращаясь в нейтральные. И во всех этих случаях алгебраическая сумма зарядов остаётся одной и той же.

Справедливость закона сохранения заряда подтверждают наблюдения над огромным числом превращений элементарных частиц. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина сохранения заряда до сих пор неизвестна.

/ Заряженные частицы. Древнегреческий миф или современная реальность?

ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ.
ДРЕВНЕГРЕЧЕСКИЙ МИФ ИЛИ СОВРЕМЕННАЯ РЕАЛЬНОСТЬ?

Большинство современных научных теорий в той или иной степени связываются, или уже давно и крепко связаны, с идеями о существовании заряженных частиц. Эти идеи настолько прочно обосновались в умах научного мира, что не наблюдается в мировой прессе ни одной аргументированной и доказательной попытки с какой-то другой позиции истолковать и понять причины возникновения сил взаимодействия на расстоянии. В Интернете и в частной прессе есть достаточно много высказываний по поводу сомнений в существовании электронов, но и не предлагается никаких других версий, объясняющих возникновения сил взаимодействия.

До сих пор одним из самых применяемых и надёжных инструментов в познании микромира является камера Вильсона, изобретённая почти сто лет назад. По наблюдениям за процессами, происходящими как в этой камере, так и в других подобных установках, сделаны и делаются основные выводы об устройстве микромира, об энергиях, массах и скоростях микрочастиц, создана теория устройства атомов.

В этой статье предлагается с несколько других позиций посмотреть на процессы, происходящие в камерах за наблюдением заряженных частиц, и создать некоторые предпосылки для частичного переосмысления наших устоявшихся взглядов на устройство микромира.

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕКОВ В КАМЕРАХ ЗА НАБЛЮДЕНИЕМ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Краткое описание физических процессов по образованию видимых следов-треков, происходящих в камере Вильсона, возьмём из описания в учебнике для старших классов средней школы. Это краткое и вполне доступное для понимания толкование образования треков закладывается в наше сознание в юном возрасте и в дальнейшем к нему больше научная пресса не возвращается.

«Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению. При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под поршнем, газ в камере адиабатически расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение и пар становится пересыщенным. Если частица проникает в камеру непосредственно перед расширением или сразу после него, то ионы, которые она образует, будут действовать как центры конденсации. Возникающие на них капельки воды образуют след пролетевшей частицы-трека. Затем камера возвращается в исходное состояние и особое „очищающее“ поле удаляет ионы».

Вот такая удивительно простая и доступная для широкого читателя картина образования треков из заряженных частиц-ионов представляется всем нам.

Когда формировались такие взгляды на образование треков, то в науке ещё ничего не знали об устройстве атомов и количественных оценках частиц, входящих в эти атомы. На сегодняшний день достаточно точно, как считается, известны размеры ядер атомов, размеры самих атомов и электронов. С учётом этих размеров и попытаемся оценить правильность наших суждений о предлагаемых условиях возникновения треков.

Размер ядер атомов оценивается в 10 -12 см, усреднённый размер самих атомов равен приблизительно 10 -8 см. Видимый диаметр трека составляет ориентировочно около одного миллиметра, то есть 10 -1 см. Сравнивая размеры самого ядра с поперечными размерами трека, нетрудно заметить, что соотношения этих величин составляет одиннадцать десятичных разрядов.

Теория устройства атома утверждает, что энергетическая зона действия ядра, как заряженной частицы, не может превышать размера атома, так как атом является электрически нейтральным образованием. Если такое условие считать верным, то становиться совершенно непонятными два момента в процессе образования трека:

Во-первых, каким образом пролетающая частица может из молекул воды образовывать ионы на таком громадном от себя расстоянии?

Во-вторых, какой физический процесс происходит при образовании ионов?

Допустим, что летящая с очень большой скоростью (около 0,15 от скорости света) частица является ядром атома урана. Ядро урана имеет строго определённый положительный заряд, и, скорее всего, должно образовать настолько же строго определённое количество заряженных ионов. Можно предположить, на первый случай, что положительно заряженная частица выбивает из молекулы воды один электрон, который должен или присоединиться к частице, или куда-то улететь. Если частица захватила электрон, то она может образовать столько ионов воды, каков её заряд, то есть 238. Но в любом треке находится десятки и сотни миллиардов молекул воды, при самых скромных расчётах. Получается, что энергетическая мощность заряженной частицы по образованию ионов практически безгранична? Если образование ионов пролетающей частицей происходит на каких-то других физических законах, то необходимо этот очень важный момент объяснить.

В камере Вильсона была открыта и самая маленькая, отрицательно заряженная, частица, электрон. Каким образом электрон может создать хотя бы из одной молекулы воды ион, представляет ещё больший интерес. Если электрон внедрился в молекулу воды, то получится только один отрицательно заряженный ион. Но ведь этот электрон оставил после своего полёта также большое количество ионов.

Не менее интересен и сам предлагаемый процесс конденсации водяного пара, который осуществляется возникающими ионами. По каким законам физики заряженная частица вызывает конденсацию водяного пара?

До сих пор в учении о преобразовании воды из одного агрегатного состояния в другое предлагались только влияния на пары воды факторов тепла. Эти факторы известны уже многие сотни лет, и говорят они о том, что если водяные пары, растворённые в воздухе, заставить выпасть в туман, то нужно данный объём воздуха охладить, что и делается в камере при резком опускании поршня. Но поршень должен опускаться только до того момента, когда понижение температуры в камере не должно достигнуть точки выпадения росы, а быть близким к этой точке. В противном случае выпавший туман не позволит наблюдать возникающие треки. Концентрация молекул воды в мелкие капли уже происходит, но эти капли не препятствуют ещё прозрачности камеры.

Дальнейшая конденсация водяного пара под действием возникающих ионов, как это преподносится в описании образования треков, совершенно непонятный и неоправданный технический процесс. Согласно действующим законам классической физики, чтобы добиться образования тумана в зоне трека, необходимо дальнейшее охлаждение смеси воздуха и паров воды в этой зоне. Но что же может принести сюда этот холод? Сама пролетающая частица с такой громадной скоростью не может в принципе охлаждать зону трека, как из-за незначительного времени взаимодействия с любой из молекул воды, так и по причине того, что её температура может только намного превосходить температуру самой камеры. Так как атомные реакции проходят всегда с большим выделением тепла, то и вылетевшая из этой среды частица должна иметь намного более высокую температуру относительно температуры камеры.

Конденсацию водяного пара возникающими ионами в зоне трека нельзя объяснять такими примитивными и бездоказательными предположениями. Если такие физические процессы действительно могут происходить в природе, то их обязательно необходимо подтверждать другими опытами и более углублёнными доказательствами. Так есть ли такие доказательства?

Ни образованием ионов, ни конденсацией водяного пара на образованных ионах объяснить происхождение треков с такой поверхностной, далеко не научной, аргументацией, невозможно.

Но есть ещё и третий, может быть самый важный фактор образования треков, это возникающее свечение самих треков. Отчего водяной пар в зоне трека начинает излучать свет?

Допустим, что ионы всё же образовываются и начинают светиться. Но в этом случае необходимо обосновать, почему только в камерах за наблюдением заряженных частиц ионы излучают свет. Многие физические и химические процессы объясняются возникновением заряженных образований, но нигде не отмечается, что эти образования светятся. И в этом случае обоснованных доказательств нет.

Итогом проведённых рассуждений можно считать тот факт, что ни одним из предложенных объяснений возникновения треков в камерах за наблюдением заряженных частиц удовлетвориться невозможно. Все предложенные обоснования возникающих треков возникли в умах исследователей потому, что треки начинают взаимодействовать с магнитными и электрическими полями, а наше современное человеческое мышление работает только в одном направлении: начинаются поиски заряженных частиц, зарядов и заряженных образований. Выработать же другие представления о процессах, происходящих в различных камерах за наблюдением частиц, можно только в том случае, если мы сможем несколько изменить наши установившиеся мнения об окружающем мире.

Возникновение треков намного проще можно обосновать, сделав одно существенное допущение: радиоактивные препараты при атомных реакциях выбрасывают в окружающее пространство только излучения различной частоты и мощности, доступные для наблюдений. Ни о каких выбрасываемых заряженных частицах речь пока идти не может. Понятно, что такое предположение может показаться слишком примитивным, и всё же попытаемся рассмотреть процессы образования треков именно с этой позиции.

Опускание поршня в камере Вильсона приводит к состоянию, близкому к состоянию выпадения тумана, но конденсация мелких капель воды или спирта уже происходит. Узконаправленное частотное излучение с радиоактивного препарата возбуждает образовавшиеся мелкодисперсные капли конденсата на видимой глазом частоте, отчего и наблюдается светящийся трек. Точно на таких же природных принципах происходит и свечение различных фосфорных соединений, люминофоров, когда белый свет попадает на поверхности этих тел и заставляет их излучать световые потоки видимых частот. В этих случаях действует один универсальный закон, закон преобразования одних видов энергии в другие виды. Для возбуждения энергии какой-то частоты в любом физическом теле необходимо, чтобы частотный спектр тела содержал эту частоту.

Реагенты всех камер начинают излучать свет тогда, когда частота излучения равна или кратна частоте возбуждения реагента. При равенстве частот излучения и возбуждения материальных тел происходит наибольшее поглощение энергии излучения. Это резонансные взаимодействия излучателя энергии с потребителем.

Радиоактивные вещества излучают не только те частоты, которые можно наблюдать в этих камерах. Частоты излучений, неспособные возбудить любые реагенты камер (пары воды, спирта и др.) на видимой частоте, являются также обычными частотными излучениями, но пока называются полетами частиц под названием «нейтрино».

На все живые организмы радиоактивные излучения действуют в основном негативно, точно так же, как и рентгеновские излучения, и ультрафиолетовые. Но всё это частотные излучения, без всяких полётов частиц с большими скоростями. Частицы служат лишь упругой средой, в которой происходит передача волновой частотной энергии. Как при передаче звуковой энергии из одной точки пространства в другую масса из частиц воздуха является только посредником, так и при передаче других частотных энергий некая упругая среда из каких-то других частиц обеспечивает перемещение этих энергий.

Изобретение современной модели устройства атома происходило по мере изучения процессов в микромире не только при помощи камер за наблюдением микрочастиц, но и при помощи других приспособлений. Так Резерфорд при помощи изобретённого им устройства исследовал поведение положительно заряженных альфа-частиц по световым сцинтилляциям на экране при помощи микроскопа. На эти опыты и выводы из них предлагается обратить также особое внимание.

ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА

Изобретение планетарной модели атома является одним из самых значительных открытий теоретической физики двадцатого столетия. На предполагаемом действии этой модели основаны целые теоретические науки, особенно квантовая механика. Поэтому интересно посмотреть и на процессы, происходящие в устройстве Резерфорда, с несколько других, более критических, позиций.

В том же учебнике по физике об опытах Резерфорда сказано: «Испускаемый радиоактивным препаратом пучок альфа-частиц выделялся диафрагмой и после этого падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (золото, медь и др.)». Вот такой, довольно узкий, перечень исследованных материалов нам предлагается, без указания, что же имеется в виду под примечанием «и др.». В данном случае это достаточно важно, так как в этом же учебнике, но в другом разделе сказано: «Наименьшей проникающей способностью обладают альфа-лучи. Слой бумаги около 0,1мм для них уже непрозрачен».

На опытах с использованием тонкой золотой пластинки в качестве преграды для прохождения альфа-частиц Резерфордом и были сделаны выводы о планетарной модели устройства атомов. Притом выводы эти были сделаны на все без исключения элементы периодической системы. Невозможно допустить, что он мог не знать о почти полном непрохождении этих лучей через тонкий слой бумаги.

Все химические элементы состава бумаги имеют точно такую же планетарную структуру, как и золото, но пропускать быстролетящие частицы через себя они не могут. Чем можно объяснить такую беспомощность альфа-лучей в преодолении обычной бумаги?

Допустим, что альфа-лучи являются действительно альфа-частицами, которые Резерфорд называл даже альфа-снарядами. Эти частицы достаточно свободно преодолевают тонкую пластинку из золота с редкими отклонениями от прямого пути.

Физикам хорошо известно, что наибольшее препятствие для прохождения всех радиационных излучений оказывает свинец, металл, который очень близко расположен к золоту в периодической системе элементов Менделеева. Атомный вес золота составляет 196, а свинца 207, порядковый номер золота равен 79, свинца 82. По этим показателям можно смело предполагать, что если вместо золотой пластинки в устройство Резерфорда поместить пластинку из свинца точно таких же размеров, то через свинец альфа-частицы должны проникать точно с такими же показателями, как и через золото. Так почему бы с настоящее время не повторить опыты по преодолению альфа-частицами пластинок и из свинца, и окончательно доказать планетарное устройство атомов? Если же свинец не станет пропускать через себя эти предполагаемые частицы, как и бумага, то это совсем не частицы, и вопрос об устройстве атомов окажется полностью открытым.

Вызывает удивление сам метод появления мирового открытия, когда одним исследователем при работе только с одним материалом удалось очаровать весь научный мир своими выводами, и распространить эти выводы на все остальные химические элементы, а значит и материалы. Ведь Резерфорд работал только с золотом. Опыты с медью и некоторыми другими материалами проводились намного позже. Почему же опыты по преодолению альфа-частицами золота не проводились со многими другими элементами и материалами, особенно с бумагой и свинцом?

Допустим, что атомный мир действительно подобен устройству солнечной системы, но тогда через огромные пространства между ядрами и электронами световые фотоны должны проникать без всяких препятствий, то есть быть прозрачными для света! Но ведь это парадокс.

С точки зрения возможности прохождения альфа-частиц через различные среды вызывает интерес преодоление этими частицами и стекла. Ведь может оказаться, что стекло поведёт себя так же, как и бумага.

В итоге проведённых рассуждений достаточно просто можно прийти к выводу, что никаких летающих с большими скоростями альфа-частиц не существует, а есть волновые альфа-излучения определённой частоты. Эти излучения достаточно свободно преодолевают некоторые вещества по тем же причинам, по каким и световые лучи преодолевают многие материальные среды (стекло, вода, алмазы).

Стекло создаётся из непрозрачных для света компонентов, но как только эти компоненты объединяются по определённой технологии в стекло, то свет свободно проникает через эту преграду. С технической точки зрения объяснить такое явление можно тем, что образованные молекулы стекольной массы приобрели другие спектральные характеристики относительно исходных компонентов. Частота света равна или кратна основной резонансной частоте возбуждения стекла, отчего световые волны достаточно свободно преодолевают эту твёрдую преграду. Но как бы тщательно не обрабатывались оптические материалы, незначительные световые потоки всегда отражаются от поверхности стекла и преломляются под какими-то углами. Альфа-лучи ведут себя точно так же, преодолевая препятствия из золота, меди и некоторых других веществ или материалов.

Уважаемые читатели, если предлагаемые выше рассуждения заставят вас задуматься и посомневаться в правильности наших современных представлений об устройстве микромира, то это самый прямой путь к переосмыслению некоторых устоев современной науки. В первую очередь необходимо понять, почему при анализе причин появления треков, при анализе причин преодоления радиационными излучениями отдельных материалов учёными в прошлом веке принимались такие, достаточно неоправданные, решения. Основной причиной таких физически неоправданных решений можно считать только то обстоятельство, что наше человеческое сознание находится под властью мифа о существовании заряженных частиц. Древние греки дали нам простую идею для понимания возникновения сил взаимодействия на расстоянии наэлектризованных тел, и эту идею наука эксплуатирует около трёхсот лет без всякого стремления изобрести что-то более похожее на истину. Может быть, нашему поколению нужно почаще вспоминать, что древние греки были самыми изобретательными создателями большого количества разных мифов, но ведь мы им не совсем верим.

За прошедшие века своего развития теория заряженных частиц обросла огромным математическим багажом. С каждым присвоением одному только электрону всё новых и новых качеств, неизмеримо растёт и математический аппарат, призванный оправдывать эти качества. Электрон летает с одного тела на другое, вертится вокруг собственной оси и вокруг ядра, является одновременно и частицей и волной, но никто ещё в самых общих чертах не объяснил, почему эта уникальная частица отталкивается от себе подобных, и притягивается к положительно заряженным частицам.

Из истории развития науки видно, что человеческое мышление стремится объяснить многие непонятные физические явления первоначально с помощью каких-либо материальных частиц. Процессы передачи тепла, процессы горения многие годы объяснялись действиями различных частиц, так, может быть, и на процессы взаимодействия тел на расстоянии пришло время посмотреть совсем с других позиций?

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Электрические взаимодействия тел приписаны существованию в природных элементах заряженных частиц, которые и обладают какими-то необъяснимыми до сих пор возможностями к притяжению и отталкиванию друг от друга. Причины магнитных взаимодействий объясняются присутствием в телах тех же электронов. Вращение электрона вокруг собственной оси превращает эту универсальную по своим возможностям частицу в элементарный магнитный диполь, но и здесь также непонятно, каким же образом эти диполи воздействуют друг на друга. Такие теоретические рассуждения могут претендовать на реальность существования только тогда, когда будут обоснованы физические причины взаимодействий заряженных частиц. Пока же это дольно слабая научная гипотеза.

Рассмотрим некоторые физические явления, связанные с получением так называемого статического электричества, которые предлагаются учебниками для средних учебных заведений. Наиболее простой и доступный метод получения статического электричества возникает при трении двух определённых материалов друг о друга. Эти материалы всегда должны обладать хорошими изоляционными качествами и иметь аморфную структуру тела. В качестве доступных материалов для иллюстрации возникновения статического электричества в большинстве школьных учебников берутся пластмассовые расчёски и волосы учеников. В этих учебниках утверждается, что при трении расчёски о волосы «незначительная часть» электронов перейдёт из волос на расчёску и зарядит её отрицательным зарядом. Всё очень просто и оригинально, но это слишком обманчивая простота.

Из того же курса физики известно, что атом представляет собой очень устойчивую структуру, которую не способны разрушить ни большие земные давления, ни высокие температуры, а вот лёгкое прикосновение расчёски к волосам по существу привело к разрушению этой структуры атома. Потеря одного электрона, притом валентного, обязательно должно привести к изменению химических и физических свойств молекулы, в которую входит данный атом. Таких молекул может быть не «незначительная часть», а очень даже значительная. Поэтому остановимся на анализе ещё одного школьного опыта.

Электростатическая машина с ручным приводом знакома всем школьникам. Вращение рукоятки этой машины через редуктор передаётся на вращение диска из органического стекла. С диском соприкасаются тонкие листочки из станиоля или бумаги. Силы трения листочков о вращающийся диск и создаёт эффект возникновения электрического напряжения, от которого и заряжается конденсатор, так называемая лейденская банка. Энергия заряда конденсатора может достигать одного Кулона, что составляет 1024 электрон-вольт. Получается, что такое же количество электронов возникло от трения листочков бумаги о вращающийся диск, которые через проводники перебрались на одну из обкладок конденсатора. Как видим, количество возникших электронов от такого трения никак нельзя назвать «незначительная часть».

Трущиеся части листочков бумаги о поверхность диска, с учётом толщины листочков, составляют примерно около одного кубического сантиметра. Условно примем, что число молекул в этом объёме бумаги равно числу молекул воды такого же объёма, и это будет также 1024, так как размер одной молекулы воды принимается равным приблизительно в 10-8см. На самом деле размер одной молекулы бумаги значительно больше размера одной молекулы воды.

В итоге проделанных простейших расчетов и допущений получаем, что каждая молекула бумаги должна потерять, как минимум, по одному электрону, чтобы обеспечить величину заряда конденсатора в один Кулон. Но вопреки этому, никаких своих физических качеств бумага не теряет и ничего не приобретает.

Эффект от проведённых рассуждений можно намного усилить, если допустить возможность некоторой модернизации самой машины. Можно без всякого ущерба для функционирования машины сделать подсоединения конденсатора через разъёмное соединение. Зарядили один конденсатор, отсоединили от машины, поставили следующий, и так далее. Каждый раз величину заряда на каждом конденсаторе контролировать. Величина общей суммы упорхнувших с листочков бумаги электронов достигнет астрономического числа. Заряжать очередные конденсаторы можно до полного износа бумажных листочков, то есть до превращения их трущихся поверхностей в пыль. В конце такого эксперимента останется задать себе вопрос о происхождении такого количества электронов. Все появившиеся электроны мы загнали в лейденские банки, держим их там в изолированном состоянии, но в самой машине никаких изменений не произошло.

К большому сожалению, подобные уникальные действия приписываются заряженным частицам во многих случаях при изучении статического электричества. Возьмите, хотя бы, описываемые поведения заряженных частиц в наэлектризованных телах. Оказывается, что как положительные, так и отрицательные заряды скапливаются на выступах и заострённых частях этих тел. Одноимённо заряженные частицы благодаря приписываемым им свойствам отталкивания должны поступать полностью наоборот. Они должны разбегаться с этих ограниченных мест для их существования. Почему же наше сознание столь упорно приписывает заряженным частицам такие фантастические действия?

В наэлектризованных телах электрическая энергия действительно концентрируется на их заострённых выступах и неровностях. Такую концентрацию энергии можно наблюдать как визуально, при проведении определённых опытов, так и замерять электростатическими приборами. Только электризация зависит совсем не от того, что при этом процессе происходит разделение зарядов и осуществляется их переход из одного тела в другое. Пока наше человеческое сознание не освободится от этих древнегреческих и средневековых воззрений на устройство микромира, до тех пор мы будем придумывать всё новые и новые фантастические особенности поведения заряженных частиц и губить наш интеллектуальный потенциал на бесплодные идеи.

Окружающий нас мир устроен просто, и в этой простоте нужно искать отгадки мирового устройства. Такие мысли высказывали некоторые великие мыслители прошлого.

Исследование физической природы электрической энергии начиналось с работ по статическому электричеству. С этой же отправной точки попытаемся мы и сейчас осмыслить некоторые законы появления этого вида электричества.

Взаимное перемещение поверхностей двух твёрдых тел друг относительно друга всегда вызывает нагревание обоих тел. Выделение тепла происходит по причине возникающих сил трения, и чем больше эти силы, тем больше выделение тепла. Тепловая энергия представляет собой достаточно высокочастотное излучение, и здесь можно задуматься о том, каким образом не слишком большая скорость перемещения соприкасающихся тел порождает столь высокую частоту тепловой энергии. Пока что, предполагаемую версию этого явления можно сформулировать следующим образом: благодаря силам трения упругие связи молекул, расположенных на поверхностях этих тел, с другими молекулами подвергаются деформации, и эти связи возбуждаются с определённой частотой. Процесс возбуждения частотной энергии в телах при трении происходит, скорее всего, именно в межмолекулярных связях. Этот эффект напоминает возбуждение натянутой струны при ударе по ней.

Многообразие существования твёрдых тел говорит о том, что связи различных молекул друг с другом также многообразны. Одни тела при трении больше разогреваются, а в других телах возбуждение от сил трения может происходить совсем на других частотах, или даже на некоторой сумме частот. В телах с аморфной структурой возбуждение тепла от сил трения происходит незначительно, преимущественно же возникает электростатическая энергия, которая также является такой же частотной энергией. Наиболее вероятно, что и в кристаллических телах при трении возникает электрическая энергия, но здесь она будет замыкаться по кристаллам внутри тела и превращаться в тепло через так называемые токи Фуко.

Допустим, что электрическая энергия действительно только обычное частотное излучение, но без обоснования взаимодействий на расстоянии наэлектризованных тел, такое заявление не может заслуживать никакого внимания. В таком случае попытаемся до какой-то степени обосновать это решение через широко известные физические явления и законы.

Явление броуновского движения открыто давно, считается хорошо изученным, и всё же из него можно извлечь ещё некоторые выводы. Понятна основная суть движения броуновских частиц. Эти частицы движутся потому, что движутся под действием тепловых излучений молекулы воды. Причина ясна, но совсем не ясно, каким образом тепловое излучение заставляет эту молекулу двигаться, и двигаться определённое время в строго определённом направлении. Каков же природный механизм, заставляющий молекулу воды преобразовывать относительно высокочастотную энергию тепла в энергию поступательного механического движения. Нам совсем непонятны и причины формирования кристаллов. Пока что о строении кристаллов известно только то, что молекулы в кристалле уложены в строго определённом порядке.

В жидкостях движение молекул можно наблюдать визуально, но и в твёрдых телах молекулы испытывают постоянное стремление к движению. Явления испарений, диффузий указывают на возбуждение в любых молекулах энергий к поступательному механическому движению, и эти энергии движения пропорционально зависят от величины частотных энергий, сосредоточенных в телах.

Броуновское движение молекул в жидкостях зависит от величины тепловой энергии. На этом примере уже ясно прослеживается определённая закономерность: энергией механического движения создали энергию тепловую, которая затем снова превращается в механическую энергию движения молекул. Процесс этот полностью соответствует всеобщему закону о преобразовании одного вида энергий в другие виды.

Все виды излучаемых энергий, известных нам в настоящее время, распространяются в окружающее пространство по своим законам. Пока что можно с достаточным основанием утверждать, что условия распространения различных излучений зависят во многом от частоты излучений. Дальность и прямолинейность излучений тем выше, чем ближе эти излучения приближаются по частоте к световым излучениям. Радиочастотные излучения подтверждают, в какой-то степени, этот принцип.

Для того чтобы понять природу возникновения сил взаимодействия тел на расстоянии, предположим, что тепловое движение большинства молекул воды мы смогли каким-то образом направить в одну сторону. В этом случае весь объём воды начнёт передвигаться в пространстве без всяких видимых материальных связей с источником этого направленного тепла. Возникнет эффект взаимодействия между телом источника тепла и телом сосуда с водой. Для связки «тепло-вода» это пример нереальный, но электрические и магнитные взаимодействия могут происходить именно по этому сценарию. Если тепловая энергия в окружающем пространстве не может распространяться в строго определённом направлении, то электрическая энергия имеет такую строгую направленность, что видно из образования наблюдаемых электрических силовых линий.

Электрическая энергия возникает всегда из механической энергии движения. Взаимные движения трущихся поверхностей твёрдых тел, движения проводников в магнитном поле и движения воздушных масс в окружающем пространстве порождает возникновение электрической энергии. В свою очередь, распространение электрической энергии в окружающем пространстве порождает механическое взаимное движение тел.

Возбуждённая трением электрическая частота в каком-либо теле излучается в окружающее пространство на незначительные расстояния, и образует замкнутые в кольцо (зацикленные) энергетические связи. Как отмечалось выше, такими телами могут быть только тела с большим электрическим сопротивлением. Генератором излучения в пространство электрических потоков энергии служат возбуждённые силами трения группы молекул. Такую электрическую энергию мы называем электростатической, хотя на самом деле никакой статики здесь нет. Это обычная волновая частотная, а значит динамическая, энергия, но для упрощения дальнейших рассуждений пока будем применять термин «электростатическая энергия».

Электростатическая энергия в отдельных телах может существовать очень продолжительное время из-за незначительных электрических токов, протекающих в таком замкнутом частотном контуре. В электрических конденсаторах энергия продолжительное время сохраняется также в диэлектрическом слое между обкладками конденсатора. Обкладки конденсатора служат только для доставки электрического потока энергии к диэлектрическому слою.

Световые лучи распространяются в окружающем пространстве прямолинейно и на большие расстояния, но разум учёных пришёл к выводу о возможности искусственного зацикливания световых волн аппаратными средствами, в результате чего и получилось устройство, названное лазером или квантовым генератором. В результате зацикливания световой волны и получается некий удивительный процесс, далеко ещё не понятый нами, но этот процесс очень похож на процесс бурного преобразования энергии в замкнутом электрическом контуре с небольшим омическим сопротивлением. В таких замкнутых энергетических контурах происходит бурная раскачка межмолекулярных или внутримолекулярных связей, что и наблюдается в выбросах энергии. В природе зацикливание электрических волн происходит естественным образом, и происходит это из-за их частотных особенностей. Искусственный процесс зацикливания световых волн и естественный процесс зацикливания электрических волн напоминают эффект падающего домино, замкнутого в кольцо и обладающего упругими связями.

Когда в зону распространения силовых электрических линий попадает другое тело, то происходит перераспределение электрических потоков в окружающем пространстве. Если такое тело является диэлектриком, то под действием электрического поля это тело электризуется. Такая электризация и называется электризацией через влияние.

Радиационные излучения, подобно электрическим, вызывают в некоторых химических элементах какие-то структурные изменения, отчего эти элементы и становятся также радиоактивными, или радиоактивными изотопами, что также является воздействием через влияние.

Магнитная энергия очень тесно связана с электрической энергией, отчего основной первооткрыватель этой взаимосвязи Фарадей и назвал этот процесс индукцией, то есть преобразованием одного вида энергии в другой. Так что же это за энергия, как она возникает и как существует?

Не столь давнее открытие американских учёных о поведении постоянных магнитов в тепловой изоляции от окружающей среды может сказать об очень многом, но только выводы будут зависеть от того, с какой позиции смотреть на результаты такого опыта. Проведённые опыты показали, что если постоянный магнит поместить в термостат, то температура в нём начинает падать. Простой, скорее житейский, вывод из такого опыта напрашивается только один: температура воздуха в термостате падает из-за того, что тепловая энергия расходуется на поддержание определённого уровня магнитного поля. Падает температура в термостате и снижается уровень магнитного поля. Оказывается, что таким опытом можно достичь времени, когда магнитное поле постоянного магнита перестанет существовать. С этих позиций и попытаемся посмотреть на физическую сущность магнитной энергии.

В ферромагнетиках можно наблюдать существование микроскопических областей с явными признаками наличия магнетизма при полном отсутствии магнитного поля в самом теле ферромагнетика. Такие мелкие области магнитных полей были названы доменами, которые и могут существенно прояснить возникновение общего магнитного поля ферромагнетика. Как хорошо известно, распространение магнитного поля в теле магнитных материалов носит явно неравномерный характер по разным координатам, то есть наблюдается ярко выраженная анизотропия. Такое явление возникает из-за того, что магнитное поле в теле ферромагнетика распространяется преимущественно по телу кристалла. Там, где происходит однонаправленное формирование кристаллических образований из расплавов, и возникает наиболее лёгкое продвижение магнитного потока. Такие явления характерны и для тепловых полей, и, возможно, для электрических, но это надо ещё доказать.

Из всего выше изложенного, что касается магнитной энергии, можно сделать достаточно реальное предположение, что магнитная энергия всегда существует в ферромагнитных телах в зоне определённого температурного диапазона. Возникает эта энергия из тепловой и является такой же частотной волновой энергией, как и многие другие, способные распространятся в окружающей среде. Кристаллы ферромагнитных материалов возбуждаются на частоте магнитной энергии и являются носителями этой энергии. Видимые магнитные образования-домены, возникают из-за того, что магнитным полям отдельных кристаллов наиболее просто замкнуться по близлежащим кристаллам, и образовывать замкнутые магнитные спирали, то есть образовать домены. Разорвать поля магнитных доменов можно только внешними воздействиями на ферромагнетики, что и достигается внешним магнитным полем земли в реальных природных условиях, или искусственно, с помощью электрических полей.

Подобно возникновению магнитной энергии в телах ферромагнетиков в других металлических средах возникает и электрическая энергия из тепловой. Получение термо-ЭДС при сплавлении в узкой зоне контакта двух разных металлов достаточно убедительно доказывают такое преобразование одного вида энергии в другой вид. Можно, конечно же, и в этом случае строить фантастические гипотезы о перелётах заряженных частиц из одной среды в другую, но можно предложить и более простую.

В зоне соединения двух разных металлов при их сваривании с последующим остыванием происходит особое формирование кристаллической среды. Каждый тип металла имеет свои особенности по многим физическим параметрам (теплоёмкости, теплопроводности и другим). Эти разные параметры металлов приводят к тому, что в зоне соединения формируется кристаллическая среда с преимущественным направлением образующихся кристаллов из расплава в сторону одного из металлов. Такой процесс формирования кристаллов аналогичен искусственному формированию монокристаллов для полупроводниковой техники. Другими словами можно сказать, что в зоне сваривания двух металлических сред должна существовать ярко выраженная односторонняя тепловая и электрическая проводимость.

В среде металлов постоянно происходит преобразование тепловой энергии в электрическую, только эта энергия, замыкаясь через соседние кристаллы подобно магнитной энергии в ферромагнетиках, снова превращается в тепловую благодаря возникающим токам Фуко. В зоне же сваривания сформированные кристаллы одного направления образуют область направленного продвижения возникающей электрической энергии, откуда и появляется разность потенциалов на концах сваренных проводников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В предлагаемой статье проведён некоторый критический анализ существующих на данный период времени воззрений на окружающий нас микромир. Основным выводом этого анализа является тот факт, что в современной науке сформировано устойчивое убеждение о господстве в микромире заряженных частиц. Никаких альтернативных воззрений на устройство микромира не существует, несмотря на то, что в трактовке поведения заряженных частиц большое количество явно недоказанных утверждений и фантастических вольностей в рассуждениях. До тех пор, пока представители высшей технической науки будут упорно продвигать, и развивать идеи заряженных частиц, никогда не появятся и не разовьются другие воззрения на причины возникновения сил взаимодействия между телами на расстоянии. Попытаться же заставить человеческий разум думать по-другому в массовом сознании можно в том случае, когда представители этой высокой науки заставят себя хотя бы на очень короткое время вернуться в своё школьное детство, и попытаться переосмыслить многие фундаментальные установки, заложенные в учебники по физике.

Как было отмечено выше, изучение электричества начинается с явления электризации расчёски при трении о волосы. Обнаружить появление статического электричества на расчёске по притягиваемым бумажкам действительно очень просто, но кто и каким образом обнаружил другой знак электрического потенциала в волосах нашей головы, совершенно непонятно. Видимо, это какой-то технический трюк, неопубликованный в печати. Для определения противоположных знаков возникающего при трении электричества можно использовать наиболее близкие замены материалов: вместо волос использовать обычную шерстяную ткань, а вместо расчёски пластмассовую линейку. В натёртой тканью линейке по десяткам притянутых мелких бумажек к ней обнаружить электрический потенциал очень просто, но в ткани ничего обнаружить не удаётся. Ни одна, даже самая маленькая бумажка, не желает притянуться к шерстяной или синтетической ткани. Так куда же делся положительный электрический потенциал, если отрицательно заряженные электроны перелетели в линейку?

Натирать небольшим кусочком ткани можно поочерёдно десятки заготовленных линеек, в каждой из них выявлять наличие возбуждённой энергии, но в ткани по-прежнему отыскать ничего не удаётся. Откуда же возникли тогда эти отряды электронов, которые внедрились в тела линеек и могут в них существовать в течение многих часов.

Этот элементарный опыт аналогичен предложенному выше опыту с электростатической машиной, но очень прост в реализации.

Если уважаемые мэтры современной науки найдут немного времени, повторят ряд самых простых опытов из теории заряженных частиц, и смогут убедиться в значительном количестве формальных и недоказанных обстоятельств существования этих частиц, то могут появиться и другие пути в развитии физической науки. Самым первым законом, определившим количественные соотношения положительных и отрицательных зарядов, стал закон о равенстве этих зарядов в телах. Этот закон определил во многом и предположенное устройство атомов. Атом существует на электрических силах взаимодействия, но благодаря равенству количества противоположных зарядов сам атом считается электрически нейтральным. В таком случае необходимо доказать каким-то экспериментом правомочность существования такого закона, но ведь таких доказательств до сих пор не существует.

Самая большая ставка в развитии современной фундаментальной науки делается на получение данных от работы ускорителей заряженных частиц. Так, может быть, стоит сначала стопроцентно убедиться, что заряженные частицы действительно существуют, а не являются фантастическим плодом человеческого воображения. Громадные материальные средства, закладываемые в строительство всё новых ускорителей придуманных заряженных частиц, вполне могут оказаться той мифической пушкой, которая предназначена для стрельбы по воробьям. В дорогостоящих ускорителях, вероятнее всего, не разгоняются заряженные частицы, а возбуждаются частотные излучения примерно таких же параметров, какие возникают при радиоактивных реакциях.

В январе месяце 2013-го года в средствах массовой информации прошло сообщение, что российскими учёными на каком-то ускорителе открыт новый, 117-й, химический элемент периодической системы, время жизни которого составляет несколько миллионных долей секунды. Так неужели снова возвращаются годы середины двадцатого столетия, когда беспрерывно открывались всё новые и новые частицы и химические элементы. Когда общее число открытых частиц стало приближаться к трём сотням, то было принято решение больше частиц не открывать. Сейчас же научному миру приходится, скорее всего, каким-то образом оправдывать заложенные средства в современные ускорители заряженных частиц, и начинается очередной виток открытий новых частиц и элементов?

Наука последних веков начала бороться с изобретательством вечных двигателей, но при этом сама же изобрела настоящий вечный двигатель в образе устройства атома. В стационарном режиме, без обмена энергией с другими атомами, энергия взаимодействия электронов с протонами ядра является неисчерпаемой величиной, значит это вечный двигатель.