ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Законы микромира из "Теоретическая химия" Законы микромира описаны в той последовательности, которая дает возможность проследить развитие идеи о непрерывности и дискретности свойств объектов микромира и о синтезе этих представлений. Квантово-механические законы изложены в представлении Шредингера. Следует обратить внимание на проявление дискретности при возникновении первых организаций, т. е. атомов, и на характерные черты пространственных образов волновых функций. [c.9] ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ И ИЗЛУЧЕНИЕ. [c.9] Электрические заряды являются составными частями атомов и молекул. Однако законы, которым подчиняется взаимодействие макроскопических зарядов, не исчерпывают полностью свойств объектов микромира, имеющих размеры порядка долей нанометра и заряды порядка заряда электрона. В области атомной физики классические законы электростатики и электродинамики должны быть дополнены или изменены для получения удовлетворительного согласия теории с данными опыта. [c.9] Пока у нас нет никаких данных для рещения вопроса о природе этих сил, попробуем на основании закона Кулона вычислить энергию системы из двух зарядов. Для химика сведения об энергии всегда важны, так как законы энергетики оказались исключительно плодотворными и надежными средствами изучения химических систем. Предположим, что начальное расстояние между зарядами равно Г[. Пусть оно возрастает до гг. Увеличение энергии системы АЕ равно работе соответствующей изменению расстояния от Г до Г2. [c.10] Будем считать работу, совершенную системой, положительной, а работу, соверщенную над системой, отрицательной. [c.10] Очевидно, знак этого выражения зависит от знака зарядов. Если заряды разноименные, то произведение е б2 имеет знак минус и для прироста энергии АЕ получаем знак минус. Иными словами, для удаления заряда, имеющего знак, противоположный данному (рассматриваемому как находящийся в начале координат), надо произвести работу над системой и увеличить запас ее энергии. [c.10] Наоборот, если заряды одноименные, то система сама может производить работу. В соответствии с равенством (1.3) такая работа считается положительной и приводит к убыли энергии. [c.10] Эти выводы получены на основании утверждений, выражаюш,их законы природы существуют два вида электрических зарядов, которые мы называем положительными и отрицательными между зарядами действуют силы, определяемые законом Кулона. [c.11] Электрические силы, действующие между зарядами, являются векторами, и их можно складывать по правилу параллелограмма. Рассматривая заряды и силы, обычно исходят из предположения, что размеры зарядов гораздо меньше расстояния между ними, т. е, прибегают к идеализации, представляя заряды точечными. Опыт показывает, что сила взаимодействия в общем случае зависит от свойств среды, поэтому для определения единицы заряда измеряют силу, действующую в вакууме между двумя одинаковыми зарядами, помещенными на расстоянии одного сантиметра друг от друга. Заряды считаются единичными, если сила взаимодействия между ними равна единице силы. Эти представления о свойствах покоящихся зарядов составляют основу той части учения об электричестве, которая называется электростатикой. Заметим, что вопрос о скорости распространения влияния данного заряда на другие решался по-разному в различные периоды истории науки. Первоначально полагали, что действие заряда, помещенного в данную точку пространства, мгновенно достигает других зарядов в окружающей среде. После исследований Дж. Максвелла было признано, что передача взаимодействий протекает в промежуточном пространстве с определенной скоростью. [c.11] Однако, как доказал Ирншоу, одни только электростатические силы не могут поддерживать устойчивое равновесное состояние системы зарядов. [c.11] Таким образом, сумма вторых производных энергии по координатам и в этом случае равна нулю. Следовательно, все эти производные одновременно не могут быть больше нуля — одна или две будут меньше нуля, а это означает, что система статических зарядов ие может быть устойчивой. [c.12] Из Предыдущего вытекает, что если в состав атомов и молекул входят электрические заряды, то заряды обязательно должны двигаться. Этот важнейщий вывод направляет внимание на динамические электрические системы. Но закона Кулона и теоремы Ирншоу недостаточно для описания явлений, связанных с движением электрического заряда. Опыт показывает, что движение заряда вызывает появление новых сил — вокруг электрического заряда возникает магнитное поле. [c.12] Рассмотрим законы электромагнетизма, с тем чтобы подготовить следующий шаг —попытаться понять смысл внутриатомных процессов, основываясь на законах электростатики и электродинамики. [c.13] Со времен работ В. Джильберта (1660), в течение более чем двухсот лет, электрические и магнитные явления рассматривали раздельно. В начале XIX в. Aparo исследовал случаи, когда удары молнии перемагничивали стрелки компасов, а в 1820 г. Эрстед обнаружил влияние электрического тока, протекавшего по проводу, на движения стрелки компаса, случайно оказавшегося рядом. Блестящие работы Ампера показали, что магнитными свойствами обладают именно движущиеся заряды — связь между электричеством и магнетизмом была установлена. Ампер обогнал свое время, сделав попытку распространить законы электромагнетизма на микромир. По его мнению, явления намагничивания объясняются круговыми токами внутри молекул. Развитие идей Ампера привело М. Фарадея к важнейшему открытию он установил, что движение магнита, вводимого в проволочную катушку, возбуждает в ней ток. Так было окончательно доказано, что движения электрических зарядов и магнитных полюсов неразрывно связаны друг с другом. [c.13] Использование ротора позволяет применить закон Фарадея к любой точке поля. Понятие поля, сыгравшее в дальнейшем развитии электродинамики фундаментальную роль, легло в основу теории Максвелла. [c.14] Еще ранее опыты Ампера показали, что прн движении электрических зарядов по проволоке в пространстве, окружающем проволоку, появляются силы, действующие на магнитную стрелку, т. е. возникает магнитное поле. Идея Максвелла заключалась в утверждении, что для появления магнитного поля важен не ток сам по себе, а изменение электрического поля. Следовательно, если, например, соединить пластины заряженного конденсатора проволокой, по которой течет ток, то магнитное поле возникает не только вокруг проволоки, но и между пластинами конденсатора в зазоре, в котором может и не быть вещества. Изменение со временем электрического поля в зазоре называют током смещения этот ток окружен кольцевыми линиями магнитного поля. Ток смещения замыкает ток в проволоке так, что получается два кольца одно представляет электрическое, а другое — магнитное поля. [c.14] Появление излучения при ускоренном движении электрического заряда можно наглядно представить на рисунке, изобразив силовые линии покоящегося заряда и заряда, движущегося равномерно и ускоренно (рис. 1.1). Силовые линии покоящегося заряда направлены радиально если заряд движется с постоянной скоростью,, силовые линии движутся вместе с ним. Представим, что движение ускорилось. На распространение происшедшего возмущения требуется определенное время. Это важнейшее обстоятельство есть следствие принципа близкодействия оно приводит к изгибу силовых линий в области, близкой к заряду, в то время как в более далеких областях они еще сохраняют прежний вид. Искривление выражается в изменении числа силовых линий, проходящих через элементарную площадку, выделенную на поверхности сферы, описанной вокруг заряда, а именно это должно приводить к возникновению электромагнитного импульса, т. е. к излучению. [c.14] Представим себе, что заряды сосредоточены каждый в середине своей половины проводника — в центре тяжести зарядов. Получится система, называемая диполем. Колебания зарядов выражаются в изменении расстояния между ними. На рис. 1.3 показано, как возникают электромагнитные волны вокруг диполя и как периодическое синусоидальное движение зарядов приводит к от-шнуровыванию волн, распространяющихся в пространстве. Каждую линию электрического поля окружает замкнутая линия магнитного поля. Их совокупность и есть электромагнитная волна. Продолжающееся смещение (колебание) зарядов приводит к новому нарастанию электрического и, соответственно, магнитного полей. [c.15] Полученные уравнения относятся к строго гармоническим колебаниям осциллятора (диполя). Такие колебания являются идеализацией. Все реальные системы в той или иной мере отклоняются от гармоничности. В этом отношении между электромагнитными колебаниями и колебаниями чисто механическими наблюдается глубокое сходство. Можно доказать, что реальное негармоническое колебание поддается разложению на сумму членов, каждый из которых представляет гармоническое излучение с частотами соо, 2то, 3(йо. так что весь спектр электромагнитных частот содержит те же частоты, что и механический спектр. [c.16] Милликен в 1911 г. измерил заряд электрона, исследуя состояние заряженной капельки масла, помещенной между пластинами конденсатора. Заряженная отрицательно капелька притягивалась к положительно заряженной пластине, находившейся сверху если заряд на капле отсутствовал, она опускалась измеряя скорость ее движения в известном поле, можно было вычислить и значение заряда. Время от времени значение заряда менялось, так как капля поглощала ионы, возникавшие в окружающем пространстве под влиянием облучения рентгеновскими лучами. Тогда производилось повторное измерение. Эти опыты дали удивительный результат. Было установлено, что в природе существует минимальный электрический заряд, равный заряду электрона. Количество электричества в любом теле может увеличиваться или уменьшаться толькс на число, кратное этому заряду. В опытах Милликена количество электричества в капле масла никогда не изменялось на значение,, меньшее, чем заряд одного электрона. [c.17] Вернуться к основной статье