МЕНЮ

Об электрическом заряде и его свойствах

В данной статье на основе представления о физической материи обосновывается понятие квантованности и ошибочность понятия дискретности электрического заряда.

Введение.  Электрический заряд — одно из основных понятий учения об электричестве. Вся совокупность электрических явлений есть проявление существования, движения и взаимодействия электрических зарядов[1].

В 1729 году Ш. Дюфе установил, что существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным». Б. Франклин ввел понятие положительного и отрицательного зарядов:  положительный заряд — это заряд тела, которое накапливает электричество, отрицательный — это заряд тела, теряющего электричество [2].

В 1870-80 г.г. ряд ученых (В. Вебер, Дж. К. Максвелл, Дж. Стони (Стоней), Г. Гельмгольц ) на основе анализа явления электролиза пришли к выводу о квантовании электрического заряда[3,4].

В 1874 году ирландский физик Дж. Стони выступил в Белфасте с докладом, в котором использовал законы электролиза Фарадея как основу для атомарной теории электричества. По величине полного заряда, прошедшего через электролит, и довольно грубой оценке числа выделившихся на катоде атомов водорода Дж. Стони получил для элементарного заряда число порядка 10-20 Кл (в современных единицах). Этот доклад не был полностью опубликован  вплоть до 1881 года, когда немецкий ученый Г. Гельмгольц в одной из лекций в Лондоне отметил, что если принять гипотезу атомной структуры элементов, нельзя не прийти к выводу, что электричество также разделяется на элементарные порции или «атомы электричества». Этот вывод Гельмгольца, по существу, вытекал из результатов Фарадея по электролизу и напоминал высказывание самого Фарадея.

В 1891 году  Дж. Стони, который поддерживал идею, что законы электролиза

Фарадея означают существование естественной единицы заряда, ввел термин – «электрон» следующим образом [5] : «При  электролизе каждой химической связи, которая разрывается, присуще  определенное количество электричества, одинаковое во всех случаях… Заряд такой величины связан в химическом атоме с каждой связью… Эти заряды, которые будет удобно называть «электронами», не могут быть отделены от атома; они не проявляют себя, если атомы находятся в химическом соединении».

Далее последовали открытия конца XIX в. — фотоэффекта ( изучался в 1887 году Г. Герцем), естественной радиоактивности (Беккерель, 1896), электрона (Э. Вихерт,  Дж. Томсон, 1897), планетарной модели атома (Э. Резерфорд , 1911) , которые изменили представления о носителе и сущности электрического заряда, введенные Дж. Стони [6].

В современной физике все понятия атомарного электричества конца ХIХ века были обобщены с понятиями атомарности материи (вещества) и концентрированно выражены в понятии  электрон. Электрон это структурная единица  атома вещества, носитель элементарного электрического заряда, а заряд электрона неделим и равен −1,6021766208(98)·10−19 Кл (или −4,80320427(13)·10−10 ед. заряда СГСЭ в системе СГСЭ) [3].

В начале XX века американский физик Р. Милликен опытным путём показал, что электрический заряд дискретен, то есть заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда.

Таким образом были введены в научный обиход понятия элементарный электрический заряд, квантованность  и дискретность электрического заряда, взаимосвязанные друг с другом, однако, и в настоящее время носящие характер предположения.

 

Свойства электрического заряда. Учитывая важнейший методологический фактор элементарного электрического заряда в теоретической физике (элементарный электрический заряд [4] — фундаментальная физическая постоянная, минимальная порция (квантэлектрического заряда), все понятия, связанные с его представлением, должны были бы быть определены на соответствующей экспериментальной базе. Однако, тот факт, что электрический заряд в природе квантуется, т. е. переносится определенными порциями (квантами) и имеет дискретный характер, т. е. электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, пока еще носит характер предположения, поскольку удовлетворительного объяснения не найдено и в настоящее время [4]. Это обусловлено также тем, что решение проблемы квантования и дискретности электрического заряда традиционная физика ищет в мифологии.  Основу таких мифов составляют представления о гипотетической элементарной частице – магнитный монополь [7], кварковая модель строения элементарных частиц [8], бинарная динамика структурогенеза и фрактальность внутренней структуры элементарных частиц [9],  и др. [3, 4].

Исходя из вышеизложенного очевидно, что проблему квантования электрических зарядов необходимо искать в физической сущности электрического заряда и  механизмов, в частности,  процесса электролиза, где эта проблема проявляется.

В работе [10], в которой понятия квантования и дискретности обобщены,  проведен  “анализ обоснованности использования зарядовых чисел ионов и чисел электронов в уравнениях и формулах химии”, который  “показывает, что дискретность электрических зарядов не следует из электрохимических экспериментов и законов электролиза и можно обойтись без привлечения в химию элементарных электрических зарядов”. Вывод из данной работы хорошо согласуется с представлениями Дж. Стони об электроне, в которых энергия, обусловленная электрическим зарядом, идет только на разрыв химической связи. Это означает, что движение носителей электрического заряда (электрический ток) заканчивается разрывом химической связи и все остальные процессы электролиза носят чисто химический характер. Носителем электрического заряда являются только элементарные частицы: “электрический заряд — … внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая ее электромагнитные взаимодействия” [1].  Каждая элементарная частица характеризуется определенным набором параметров, имеющих определенное значение. Электрический заряд, как характеристика элементарной частицы, также имеет определенное значение, которое можно назвать порцией или квантом электричества. Иначе, элементарная частица это носитель кванта электричества. Таким образом, квантование электрического заряда это следствие прежде всего структурно-уровневой организации физической материи [11], согласно которой элементарные частицы составляют один из структурных уровней организации физической материи и представляют собой   “материальные объекты, которые нельзя разделить на составные части” [12].

Что касается понятия дискретности электрического заряда, то его обоснование следует рассмотреть в историческом аспекте процесса измерения величины элементарного электрического заряда.

История измерения ведётся с опытов Дж. Дж. Томсона с катодными лучами [13].   в конце XX века. Ему удалось измерить отношение заряда к массе, значение которого было порядка 107 СГСЭ.  Аналогичное отношение е/m было уже подсчитано для иона водорода из данных по электролизу; оно оказалось равным 104 СГСЭ. На основании чего Дж. Дж. Томсон высказывает мнение, что катодные лучи представляют собой поток весьма малых частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, несущими такой же заряд, как и ионы Фарадея и это измеренное значение е/m имеет универсальный характер [13].     Для достоверного вывода необходимо было прямое измерение электрического заряда. Важность проблемы заставляет взяться за измерение электрического заряда  ряд известных ученых. Эксперименты Дж. Дж. Томсона дали среднее значение электрического заряда газового иона, равное (6,5 – 6,7) x 10-10 СГСЭ [13],  М.  Планка в 1900 г. – 4,69 х 10-10 СГСЭ ,  Ч. Вильсона в 1903 г.- 3,1 × 10 –10 СГСЭ.  Измерения, проведенные Дж. Дж. Томсоном, М. Планком и  Ч. Вильсоном значительно отличались друг от друга и не давали ответа на вопрос об величине электрического заряда. В этих условиях к прямому измерению электрического заряда подключились Р. Милликен в 1906 г., Ф. Эренгафт в 1907 г.  и А. И. Иоффе 1910 г. Результаты и условия проведения опытов этих ученых хорошо изучены [13 — 15] и не подвергаются сомнениям. Результат полученный Р. Милликеном  в 1913 г. – 4,774 х 10-10 СГСЭ, незначительно измененный позже до значения – 4,80320440(15) х10-10 СГСЭ стал значением элементарного электрического заряда. Результатами своих опытов Р. Милликен также показал кратность измеряемых им величин значению элементарного электрического заряда, чем определил дискретность электрического заряда.

Несмотря на то, что опыты все трое (Р. Милликен,  Ф. Эренгафт, А. И. Иоффе ) проводили по одной методике (отличие только в материале образцов: у Милликена – масляные капли, у Эренгафта и Иоффе – металлические пылинки) результат получился отличным друг от друга. Эренгафт получил большой разброс в значениях данных, а некоторые  из них по величине отличалась от данных Милликена на два порядка [14] . Уточнив еще раз результаты своих опытов  в 1914 -15 г.г. Эренгафт опубликовал результаты экспериментов, которые говорили в пользу существования субэлектронов, имевших заряд меньше заряда электрона [3]. В дальнейшем результаты опытов Эренгафта были подвергнуты критике и опровергнуты самим Милликеном [16]. В этой связи очень интересным выглядит результат Иоффе, который также имеет разброс значений результатов, хотя и в меньших размерах – (4,6 – 4,8) х 10-10 СГСЭ. Результат можно объяснить тем, что в отличие от опытов Эренгафта, в опытах Иоффе использовались только пылинки цинка и один источник ультрафиолетового диапазона излучения.  В дальнейшем измерения элементарного электрического заряда по условиям и методике Милликена проводились неднократно, однако, повторить результат Милликена никому не удалось [13]. Тем не менее, именно уточненный позднее результат Милликена стал той константой, которая  находится в фундаменте современной физики.

Ввиду исключительной важности опытов Милликена его исследования неоднократно анализировались и комментировались историками науки [17]. На основании чего был окончательно сделан вывод, что “Милликен согрешил”: представил не все экспериментальные данные, хотя написал в итоговой работе , что представил все. В действительности, из 140 проведенных экспериментов была сделана выборка 58, из которых в итоговый отчет попали 16 экспериментов [17]. В связи с чем закономерно появление вопроса: почему результат Милликена, в отличие от результатов Эренгафта и Иоффе, получил признание и вошел в историю физики. Аргументированного ответа на данный вопрос традиционная физика не дает. Однако это объяснимо только с одной точки зрения.

Процесс измерения и обоснования результатов опытов проходил во время становления теории квантов, глубоко проникших во все области современной физики (имеется ввиду начало ХХ века) и переживавшей тяжелый кризис в начале ХХ века [18]. Результат Милликена хорошо согласовывался с результатом, полученным в рамках развивающейся квантовой концепции физики начала ХХ века (см. результат М. Планка) и укреплял ее обоснованность. А результаты Эренгафта и Иоффе не только не вписывались в эту концепцию, но и не могли быть объяснены ею. Поэтому они были подвергнуты критике и обструкции, несмотря на то, что авторитет Эренгафта, как ученого, был на порядок выше, чем у Милликена.

Тем не менее именно результаты Эренгафта и Иоффе решают проблему  дискретности электрического заряда. Дело здесь в том, что работа Милликена априори строилась на никем не доказанном предположении, что опыты производятся над электроном (в современном понимании), имеющим постоянное значение электрического заряда, которое надо только возможно точнее измерить. Тогда, как Эренгафт  полагал, что в природе существуют субэлектроны, несущие на порядок меньший заряд, или даже, что величина заряда может принимать непрерывно меняющиеся значения [17]. Дискуссионный вопрос  о существовании субэлектронов физика начала ХХ века решить не могла вследствие своей неготовности  (термин фотон был предложен в 1926 г.), а во вторых, внедрением в обиход феноменологической теории фотоэффекта, предложенной А. Эйнштейном (Нобелевская премия 1922), в целом оказавшейся не способной объяснить сущность фотоэффекта. Суть теории Эйнштейна сводится к описанию процесса выбивания фотоном от внешнего источника излучения электрона вещества. Выбивание электрона, структурного элемента атома вещества, это ничто иное как процесс разрушения атома вещества. Ни процесс разрушения атома вещества, ни то, что останется после того, как все электроны будут выбиты, теория Эйнштейна не рассматривает за ненадобностью.

В современном представлении процесс измерения электрического заряда Милликеном трактуется как внутренний фотоэффект [19]. Суть которого заключается в следующем.  Источник внешнего облучения (ультрафиолетовая лампа, источник рентгеновского или радийного излучений) направляет поток, например, рентгеновского  излучения (фотонов), на масляные капли (или пылинки металла), под действием которого внутри масляной капли изменяется  концентрация носителей зарядов (внутренний фотоэффект). Одним из доказательств того, что внутри капли концентрируются  фотоны, является процесс аннигиляции позитрона и электрона [20], подобный внутреннему фотоэффекту. В процессе аннигиляции протон-электронная пара атома вещества подвергается воздействию высоко энергетичных  гамма-фотонов, в результате чего протон трансформируется в позитрон. Позитрон – электронная пара неустойчива. Взаимодействие позитрона и электрона ведет их к взаимоуничтожению (аннигиляции), при этом позитрон – электронная пара в процессе взаимодействия успевает сгенерировать два фотона. Процесс внутреннего фотоэффекта отличается тем, что атомы вещества подвергаются воздействию низко энергетичных фотонов, не приводящих к разрушению протон-электронных пар атомов вещества, но при этом протон-электронная пара атома вещества под воздействием внешнего излучения также генерирует два фотона.

Таким образом, на основании выше изложенного, если предположить, что  субэлектроны Эренгафта и электроны Милликена это фотоны, то под воздействием внешнего источника излучения в опытах по измерению электрического заряда в масляных каплях и пылинках металла будут генерироваться фотоны, носители электрического заряда. Ввиду зависимости параметров фотона от его длины волны, основной формой представления фотона в различных процессах является спектр. В соответствии с представлениями современной физики фотоны характеризуются непрерывным энергетическим спектром. Не сложно показать, что электрический заряд, как неотъемлемая характеристика фотона, будет представлять собой тоже непрерывный спектр. Каждое вещество, в том числе и в опытах по измерению электрического заряда, характеризуется соответствующим энергетическим спектром, а значит и величина электрического заряда в опытах будет определятся соответствующим спектром генерируемых фотонов. Спектр фотонов является зависимой характеристикой от внешних факторов (температура, воздействие магнитные и электрических полей, параметры источника излучения и т. п.). Достичь приемлемой стабильности и учета всех внешних и внутренних  факторов в опытах по измерению электрического заряда в начале ХХ века задача была не реальной. Этим и объясняется разброс данных в опытах Милликена, Эренгафта и Иоффе, особенно у Эренгафта.

Из выше изложенного следует, что электрический заряд фотона, как и его другие параметры, является нелинейной функцией длины волны фотона и имеет непрерывный спектр.  При этом минимальные значения электрического заряда будут принадлежать фотонам инфракрасного диапазона. Данное обстоятельство позволяет говорить об элементарном электрическом заряде как о электрическом заряде фотона инфракрасного диапазона излучения (конкретное значение еще предстоит выяснить), но о его кратности говорить не приходится. Таким образом, дискретность электрического заряда, определенная Милликеном, понятие ошибочное и в природе не существует.

Из выше изложенного также можно сделать вывод, что результат полученный Милликеном и позже уточненный соответствует удвоенному электрическому заряду фотона, наименьшей длины волны, который входит в состав спектра масляной капли, предположительно ультрафиолетового диапазона излучения (10−7 м) .

 

Выводы. Понятия  квантования  и дискретности электрического заряда появились вследствие непонимания сущности происходящих физических процессов, несовершенства и неполноты опытов по измерению величины электрического заряда.

Современное значение элементарного электрического заряда это частный случай, точнее линейное приближение более сложной зависимости электрического заряда от фундаментальных свойств материи – вещества, например, у фотона от длины волны.

Современная физика ищет решение проблемы квантованности электрического заряда в мифологии. Квантованность электрического заряда это следствие структурно-уровневой организации материи. Понятие дискретности электрического заряда ошибочно и в природе не наблюдается.

Процесс измерения величины электрического заряда потребовал усилий нескольких поколений известных ученых и завершился к началу ХХ века опытами Милликена, Эренгафта и Иоффе. При этом теоретическая физика ХХ века так и не смогла ответить на вопрос: что является материальным носителем этого электрического заряда. Обобщение понятий атомарности электричества и атомарности вещества привело к грубейшей ошибке, когда бездоказательно носителем элементарного электрического заряда был назначен электрон.

Анализ результатов работ по измерению элементарного электрического заряда показал, что электрический заряд это свойство всех без исключения элементарных частиц. Наименьшее значение электрического заряда принадлежит фотону инфракрасного диапазона, наибольшей длины волны. Измеренное значение электрического заряда Милликеном соответствует удвоенному заряду фотона, предположительно ультрафиолетового диапазона излучения (10−7 м) .

Лямин В.С. , Лямин Д. В.  г. Львов

Литература:

  1. http://megabook.ru/article/ Электрический заряд.
  2. Лихин А. Ф. Концепции современного естествознания : учеб. — ТК Велби, Изд-во Проспект, 2006. – 264 с.
  3. Томилин К. А.Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах. — М.: Физматлит, 2006. — 368 с.
  4. https://ru.wikipedia.org/wiki Элемента́рный электри́ческий заря́д.
  5. https://ufn.ru/ufn68/ufn68_2/Russian/r682e.pdf. Томсон Г. Н. СЕМИДЕСЯТИЛЕТНИЙ ЭЛЕКТРОН. УФН, 1968, том 94, вып. 2,
  6. http://nauka2000.com/ Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Миф об открытии электрона.
  7. https://ru.wikipedia.org/wiki Магни́тный монопо́ль
  8. https://ru.wikipedia.org/wiki Кварк
  9. http://www.sciteclibrary.ru/texsts/rus/stat/st532.htm Косинов Н.В. Гарбарук В.И.

Причина квантования электрического заряда.

  1. http://cyberleninka.ru/article/n/o-diskretnosti-elektricheskih-zaryadov-v-himii Шатов В.В. О дискретности электронных зарядов в химии
  2. http://nauka2000.com/ Лямин В. С.,  Лямин Д. В. Представление о физической материи.
  3. http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e193.htm  Элементарные частицы
  4. Андерсон Д. Открытие электрона. Развитие атомных концепций электричества. Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1968, 160 с.
  5. http://sceptic-ratio.narod.ru/fi/inav-electron-1.htm О. Акимов Биография Дж. Дж. Томсона.Электрон: история открытия и первые теории
  6. Иоффе, А.Ф. Элементарный фотоэлектрический эффект. Магнитное поле катодных лучей : опытное исследование. — СПб. : Тип. М.М. Стасюлевича, 1913. — 92 с. + 1 л. табл.
  7. Электрон : его изолирование, измерение и определение некоторых свойств / Р. Милликэн ; пер. с англ. В. А. Фока ; под ред. С. И. Вавилова. ­ М. : Государственное военное издательство, [1924]. ­ 216 с.
  8. http://ecology.genebee.msu.ru/3_SOTR/CV_Barabasheva_publ/Millikan.pdf В.Н. Тутубалин, Ю.М. Барабашева, Г.Н. Девяткова, Е.Г. Угер.Измерения Милликеном заряда электрона и математическая статистика.  М.: 2014. (рукопись).
  9. Тимирязев А. Новейшие попытки воскресить телеологию в области физики. Сб. статей “Естествознание и диалектический материализм “. Статья XVIII. – М.: Материалист, 1925, с. 317 – 327.
  10. Шпольский Э.ВАтомная физика. Том первый. Введение в атомную физику. – М. : Наука, 1974.  575 с.
  11. http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0141.html. Аннигиляция.
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звёзд6 звёзд7 звёзд8 звёзд9 звёзд10 звёзд (1 голосов, средний: 10,00 из 10)
Загрузка...


Вы можете оставить комментарий к записи