Как двигаются электроны

Атом, его устройство

Современная наука частично разобралась с устройством атомов. По крайней мере, знает, что атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Измерила параметры этих частиц: массу, заряд, магнитные параметры, размеры. А дальше этого дело не пошло.

Мы плохо знаем устройство этих частиц и поэтому не можем более-менее приемлемо понять взаимодействие этих частиц. Как они держатся вместе? Какие силы участвуют в этом процессе? Что и как у них меняется и меняется ли вообще?

Я попытался поискать модели атомов, и их оказалось не слишком много. А точнее всего две, да и то одна из них является некоторым усовершенствованием другой.

Классическую модель атома предложили Резерфорд и Бор. Вот что сказано по этому поводу в Википедии:

“Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетарной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра (“модель атома Резерфорда”). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию (“модель атома Бора-Резерфорда”). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов”.

Введенные Бором постулаты невозможно было описать законами классической механики. Электрон вращается вокруг ядра с ускорением и поэтому обязан излучать электромагнитную энергию. Потеря энергии приводит электрон в неустойчивое состояние. Надо сделать так, чтобы электрон не излучал энергии, например, как спутник, тогда он будет вращаться около ядра, не падая на ядро. Бор подумал и решил электронам присвоить такое качество: если электрон находится в таком-то энергетическом состоянии, то он ничего не излучает. Эту дискриминацию энергетических состояний классика не понимала. На помощь пришла квантовая механика и появилась:

“Квантовомеханическая модель атома. Современная модель атома является развитием планетарной модели. Согласно этой модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределенность координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома)”.

Теперь стало все понятно. Поскольку мы не знаем, как движется электрон, да и электрон ли это в классическом понятии, то там может происходить все, что угодно. В квантовой механике электрон представляется в виде волновой функции модуль, которой может находиться, там-то с такой-то вероятностью.

Получается, что современная модель никакой ясности в устройство атома не внесла. Но ведь электрон в виде частицы (сконденсированной волны), либо в виде волны все равно как-то движется вокруг ядра, и это устойчивое, и главное рабочее состояние. А можем ли мы измерять координаты частицы или волны – это наши проблемы. Природа знает, где что находится.

Я согласен с Эрнестом Резерфордом, но имею возражения против постулатов Нильса Бора.

Как же удерживается электрон на орбите атома?

Пусть по линии АС движется электрон со скоростью V (Рис. 1). В точке Б он попадает в зону действия протона. Что значит, попадает в зону действия протона? Это тогда, когда взаимное притяжение частиц придает электрону ускорение, при котором он излучает фотон. Пока безразлично, какой энергии.

Под воздействием этого притяжения электрон окажется в точке В. Естественно, что электрон движется не по прямой БВ, а по какой-то другой траектории. Но это не важно, главное то, что ускорение привело к излучению фотона.

Потеря электроном части отрицательного заряда уменьшила электрическую силу притяжения электрона Fээ и частичная компенсация положительного заряда протона этим кусочком отрицательного заряда приводит к уменьшению электрических сил притяжения протона Fэп.

На электрон воздействует магнитное поле протона Fm и электрон начинает удаляться от протона по линии ВГ. Электрон приобретает отрицательное ускорение, то есть тормозиться по радиусу протона. Но скорость вдоль линии АС осталась прежней. Во время движения по линии БВ электрон генерировал фотон, а во время движения по линии ВГ он будет поглощать излученный электроном и отразившегося от протона фотон.

Благодаря этому неупругому поглощению фотона в точке Г абсолютная скорость электрона станет такой же, какой была в точке Б. Цикл может повторяться сколь угодно много раз. Энергия никуда не девается и ни откуда не прибывает. Просто происходит перелив энергии с одного вида в другой и обратно.

С этого момента и начинается полноценный атом. Начинается обменный процесс точно такой же, как между протонами и нейтронами в ядре или между спутником и Землей.

По какой орбите (на каком уровне) будет двигаться электрон, зависит от его скорости и от его массы.

При скорости V электрон будет двигаться по орбите а. Если скорость электрона была больше скорости V, то он будет двигаться по орбите с, в противном случае по орбите b.

А что произойдет, когда электрон будет падать прямо на протон? Что мы знаем достоверно в этом явлении и что можем предположить с большой долей вероятности? Мы знаем точно, что никаких слияний протона и электрона нет, то есть, протоны, и электроны не уничтожают друг друга частично или полностью, примерно так, как метеориты, падающие на Землю. Метеорит уничтожается, превращаясь в часть Земли.

Знаем, что электрон, попавший в зону действия протона, будет стремиться упасть на протон под действием сил притяжения отрицательного и положительного полей. По данным науки напряженность магнитного поля вблизи геометрического центра электрона оказывается равной 7,017*10 8 Тл, а у протона эта напряженность равна 8,476*10 14 Тл. Это большие напряженности, и они быстро убывают от центров частиц.

Мы достоверно знаем, что электрон, попавший в магнитное поле, изменяет свою траекторию. Это проявляется в электроннолучевых трубках, электродвигателях, ускорителях. Нашу Землю от бомбардировки частиц, летящих из космоса, защищает магнитное поле, что наблюдается в северном сиянии. Можно наблюдать рассеяние электронов на протонах.

Исходя из этого, можно предположить, что электрон, летящий к протону под действием сил притяжения, не будет оттолкнут от протона в пространство, а изменит свое направление и полетит по касательной к протону. Как близко он подлетит к протону, зависит от скорости электрона. Мы возвратимся к ситуации, изображенной на рисунке 1.

Что произойдет если электрон, движущийся по орбите а, поглотит некий фотон (Рис. 2)?

Предположим, что электрон некой массы, двигаясь по линии АБ, в точке Б попадает в зону действия протона. Взаимодействие между частицами должно заставить электрон двигаться по траектории БВГ. Если к этому времени он поглотит фотон или сумму фотонов, а это будет в том случае, если электрон затормозится, и уменьшить свою скорость, то его траектория изменится. И вот по какой причине.

К электрону добавилась порция энергии. Вследствие этого возросла масса и соответственно заряд электрона. Но величина заряда растет быстрее, чем величина массы. Из-за этих изменений сила притяжения между протоном и электроном частично возросла, но из-за преимущественного роста заряда магнитная сила Fm раньше развернет электрон, и теперь электрон будет двигаться по пути БВ1Г1. И дальше электрон будет двигаться на этом уровне, непрерывно излучая и поглощая фотон одной и той же энергии.

Это динамически устойчивое состояние. Улететь в пространство электрон не может из-за сил Кулона, а упасть на протон ему не позволяют магнитные силы протона. Чем большей энергии фотон генерируется электроном для связи, тем сильнее связь электрона и протона. Это приводит к различной крепости ковалентной связи между атомами.

Чем больше скорость электрона, тем меньше его заряд, тем слабее на него воздействует магнитное поле протона и тем ближе подлетает электрон к ядру. Это является физической сущностью сокращения размеров тела при возрастании скорости тела.

Является ли это колебательное движение электрона вокруг ядра волной Луи Де Бройля? Возможно — да. Согласно Луи Де Бройлю движущаяся частица обладает длиной волны .

Но с другой стороны из формулы видно, что уменьшение скорости приводит к увеличению длины волны. И что пересилит что, не ясно. Если бы электрон перешел на орбиту b по траектории с, то совпадение с формулой Луи Де Бройля было бы полным, но противоречило бы нашей модели.

Читайте также  Как выпрямить волосы мужчине

Естественно, что это только гипотеза. Автор, к сожалению, не может этого подтвердить (просто не умеет) хотя бы математическими выкладками. А задачка, кажется, простой: есть величины напряженностей электрической и магнитной составляющих, размеры тел, массы и другое. Может быть, кто-нибудь на досуге просчитает это и либо опрокинет, либо подтвердит истинность этой модели.

И вот, казалось бы, все просто – электрон подлетает к протону и атом готов. Но не получается. У нас есть достаточно и протонов и электронов, а вот синтезировать такой соблазнительный атом золота никак не получается. В чем же дело?

Рассмотрим рисунок 3.

Так как электрон это представляется громадным для фотона, то такое попадание может происходить несколько раз и только потом система разрушится. Об этом рассказано в статьях «Спонтанное излучение” , “Вынужденное излучение” и “Лазер и мазер”.

При соответствующем совпадении всех параметров, как на рисунке 4,

В предлагаемой модели электрон, и все другие элементы атома, ведут себя детерминировано. Нет никакой вероятности, все повторяется циклически – только измеряй. Но мы любим считать, хотя и не то. Так удобней.

Для тех кому не нравится предлагаемая гипотеза, могу предложить гипотезу об устройстве атома изложенную Ричардом Фейнманом.

И наконец немного философии. Какова бы не была модель атома: вероятностная, как сейчас принято считать мировой наукой, или детерминированной, как предполагаю я, или еще какая-нибудь модель, все равно возникает проблема синтеза атомов. Атомов в природе огромное множество. Они сами по себе не могут размножаться, как ДНК. Или я ошибаюсь?

Возможно для атомов во вселенной была какая-то зона на подобие субвитальной зоны, в которой возникло сразу много разнообразных ДНК. Для бесконечного мирового пространства наша вселенная – это бесконечно маленький участок, где и произошел синтез такого огромного количества атомов.

На первый взгляд для синтеза большого количества атомов вероятностная модель атома больше подходит, нежели детерминированная. Выбрал требуемое ядро, набрал соответствующее количество электронов, бросил электроны на ядро, которое притянет эти электроны к себе, а те примут требуемые состояния в этом ядре. Да дело в том, что существует запрет Паули. Все состояния должны быть различны. Как бы электроны не паредрались за более комфортные места.

Как двигаются электроны

§2.5. Электронное строение атома.

В этом и в следующем параграфах рассказывается о моделях электронной оболочки атома. Важно понимать, что речь идет именно о моделях. Реальные атомы, конечно, более сложны и мы пока знаем о них далеко не все. Однако современная теоретическая модель электронного строения атома позволяет успешно объяснить и даже предсказать многие свойства химических элементов, поэтому широко используется в естественных науках.

Для начала рассмотрим более подробно «планетарную» модель, которую предложил Н. Бор (рис. 2-3 в).

Рис. 2-3 в. «Планетарная» модель Бора.

Как уже рассказывалось в этой главе, датский физик Н. Бор в 1913 году предложил модель атома, в которой электроны-частицы вращаются вокруг ядра атома примерно так же, как планеты обращаются вокруг Солнца. Бор предположил, что электроны в атоме могут устойчиво существовать только на орбитах, удаленных от ядра на строго определенные расстояния. Эти орбиты он назвал стационарными. Вне стационарных орбит электрон существовать не может. Почему это так, Бор в то время объяснить не мог. Но он показал, что такая модель позволяет объяснить многие экспериментальные факты (подробнее об этом рассказывается в параграфе 2.7).

Электронные орбиты в модели Бора обозначаются целыми числами 1, 2, 3, … n, начиная от ближайшей к ядру. В дальнейшем мы будем называть такие орбиты уровнями. Для описания электронного строения атома водорода достаточно одних только уровней. Но в более сложных атомах, как выяснилось, уровни состоят из близких по энергии подуровней. Например, 2-й уровень состоит из двух подуровней (2s и 2p). Третий уровень состоит из 3-х подуровней (3s, 3p и 3d), как показано на рис. 2-6. Четвертый уровень (он не поместился на рисунке) состоит из подуровней 4s, 4p, 4d, 4f. В параграфе 2.7 мы расскажем, откуда взялись именно такие названия подуровней и о физических опытах, которые позволили «увидеть» электронные уровни и подуровни в атомах.

Рис. 2-6. Модель Бора для атомов более сложных, чем атом водорода. Рисунок сделан не в масштабе — на самом деле подуровни одного уровня находятся гораздо ближе друг к другу.

В электронной оболочке любого атома ровно столько электронов, сколько протонов в его ядре, поэтому атом в целом электронейтрален. Электроны в атоме заселяют ближайшие к ядру уровни и подуровни, потому что в этом случае их энергия меньше, чем если бы они заселяли более удаленные уровни. На каждом уровне и подуровне может помещаться только определенное количество электронов.

Подуровни, в свою очередь, состоят из одинаковых по энергии орбиталей (на рис. 2-6 они не показаны). Образно говоря, если электронное облако атома сравнить с городом или улицей, где «живут» все электроны данного атома, то уровень можно сравнить с домом, подуровень — с квартирой, а орбиталь — с комнатой для электронов. Все орбитали какого-нибудь подуровня имеют одинаковую энергию. На s-подуровне всего одна «комната»-орбиталь. На p-подуровне 3 орбитали, на d-подуровне 5, а на f-подуровне — целых 7 орбиталей. В каждой «комнате»-орбитали могут «жить» один или два электрона. Запрещение электронам находиться более чем по двое на одной орбитали называют запретом Паули — по имени ученого, который выяснил эту важную особенность строения атома. Каждый электрон в атоме имеет свой «адрес», который записывается набором четырех чисел, называемых «квантовыми». О квантовых числах будет подробно рассказано в параграфе 2.7. Здесь мы упомянем лишь о главном квантовом числе n (см. рис. 2-6), которое в «адресе» электрона указывает номер уровня, на котором этот электрон существует.

В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э. Шредингер. К этому времени было экспериментально установлено, что электрон имеет свойства не только частицы, но и волны. Например, видимый нашими глазами свет представляет собой электромагнитные волны. Ряд свойств таких волн есть и у электрона. Шредингер применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений рассчитывается не траектория движения электрона внутри атома, а вероятность найти электрон-волну в той или иной точке пространства вокруг ядра.

Общее у волновой модели Шредингера и планетарной модели Бора в том, что электроны в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях. В остальном эти модели не похожи друг на друга. В волновой модели орбиталь — это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%. За пределами этого пространства вероятность встретить такой электрон меньше 5%. Полученные с помощью математического расчета такие «области вероятности» нахождения в электронном облаке s- и p-электронов показаны на рис. 2-7.

Рис. 2-7. Примерно такую форму в волновой модели атома имеют «области вероятности» существования электронов: s- и p-орбитали (d-орбитали имеют более сложную форму).

** Почему вообще пришлось вводить такое понятие, как вероятность нахождения электрона в той или иной точке пространства около ядра? Немецкий физик Гейзенберг в 1927 году сформулировал принцип неопределенности , являющийся одним из важнейших физических принципов для описания движения микрочастиц. Этот принцип вытекает из фундаментального отличия микрочастиц от обычных физических тел. В чем же это отличие?

В классической механике предполагается, что человек может наблюдать явление, не нарушая его естественного хода. Например, можно наблюдать движение небесных тел в телескоп, и это никак не отразится на их движении. Астроном может произвести измерения и составить точное математическое описание движения объекта. Используя полученные формулы, можно предсказать, куда движется данный объект и где он будет находиться в любой момент времени.

В микромире дело обстоит иначе. Например, исследуя движение электрона с помощью микроскопа (если бы такое было возможно), мы бы наблюдали отраженные от электрона волны света, энергия которых по величине сопоставима с энергией самих исследуемых частиц. Поэтому при выполнении измерений нами неизбежно вносились бы изменения в состояние электрона (местоположение, скорость, направление движения и т.д.). Значит, на основании наших измерений бессмысленно говорить о точном местоположении электрона в каждый момент времени.

Читайте также  Как найти площадь поверхности

Принцип неопределенности говорит о том, что не следует пытаться вычислить точную траекторию электрона вокруг ядра. Можно лишь указать вероятность нахождения электрона в том или ином участке пространства около ядра в любой момент времени. Эта вероятность поддается вычислению с помощью математических методов.

Итак, в волновой модели существуют орбитали разных видов: s-орбитали (сферической формы), p-орбитали (похожие на веретено или на объемные восьмерки), а также d- и f-орбитали еще более сложной формы. Они очерчивают область 95%-ной вероятности найти s-, p-, d- или f-электроны именно в том месте электронного облака, которое ограничено этими фигурами. Области вероятности нахождения s, p, d, f-электронов в атоме могут пересекаться — объяснение этому вы найдете в §2.7. Впрочем, к необычным свойствам волновой модели следует относиться спокойно, поскольку она является не столько физической, сколько абстрактной математической моделью электронной оболочки. Однако, как мы увидим в дальнейшем, такая модель обладает хорошей предсказательной силой в отношении химических свойств атомов и молекул.

Во всех моделях атома электроны называют s-, p-, d- и f-электронами в зависимости от подуровня, на котором они находятся. Элементы, у которых внешние (то есть наиболее удаленные от ядра) электроны занимают только s-подуровень, принято называть s-элементами. Точно так же существуют p-элементы, d-элементы и f-элементы.

**Чем выше (то есть чем дальше от ядра) находится электронный уровень, тем больше на нем может разместиться электронов за счет того, что число подуровней и орбиталей на удаленных уровнях постоянно увеличивается (это удалось выяснить экспериментально — см. параграф 2.7). Можно посчитать, что на n-м уровне помещается в сумме n 2 различных орбиталей, а электронов — вдвое больше: 2n 2 , потому что любая орбиталь способна вмещать не более двух электронов .

Таблица 2-4. Наибольшее возможное число электронов на первых 4-х электронных уровнях.

Сколько может разместиться электронов на данном уровне (2n 2 )

Эти сведения нам нужны для того, чтобы научиться “расселять” электроны по уровням в атоме любого элемента. А химические свойства элемента, как мы увидим чуть позже, определяются электронами самого последнего (наиболее удаленного от ядра) заселенного уровня.

ЭЛЕКТРОНЫ В АТОМЕ

Электроны в атоме можно сравнить с облачком. Это связано с тем, что электроны обладают свойствами не только частиц, «кусочков» материи, но и свойствами волн. Электронные облачка слоями окружают ядро и расположены на строго определённых от него расстояниях. Учёные долго не могли объяснить, почему промежутки между ядром и электронами так строго определены и почему вообще каждый атом со всеми его электронными оболочками имеет всегда одни и те же размеры. Ответ на эту загадку тоже связан, как выяснилось, с волновыми свойствами электронов, с тем, что все части атома имеют свои постоянные места.

Но не думай, что электроны навечно закреплены на этих местах. Нет, они могут перескакивать с одной оболочки на другую. При этом происходят удивительные вещи. Если электрон удаляется от ядра, его энергия возрастает, если приближается— убывает. Это изменение энергии происходит не постепенно, а внезапно, скачком. Энергия прибавляется или убавляется совершенно определёнными порциями, которые называются квантами. Значит, перескакивая ближе к ядру, электрон выделяет один квант энергии, а чтобы уйти дальше от ядра, он должен, наоборот, получить откуда- то, «поглотить» один квант. Что же это за кванты? Если ты уже читал рассказ «свет», то, вероятно, обратил внимание, что свет — это одновременно и волны, и частицы, которые носят название фотонов. Вот фотоны — это и есть кванты света, то есть наименьшие порции излучения.

Теперь тебе, должно быть, стало понятнее то, о чём коротко упомянуто в рассказе о свете, понятнее, как происходит излучение и поглощение света. Перескакивая ближе к ядру, электроны излучают свет. А когда вещество поглощает свет, они перескакивают на орбиты дальше от ядра. При этом электроны обогащаются энергией, и вещество нагревается. Чем энергичнее электроны движутся, тем чаще совершают скачки, в тем выше температура тела. Вот почему, поглощая много света, вещество нагревается сильнее. У каждого вещества своё расстояние между электронными оболочками и, значит, своя величина квантов, своя длина излучаемых световых волн, то есть свой цвет световых волн. И поэтому же каждое вещество лучше всего поглощает какие-то определённые лучи: одно — красные, другое — зелёные, а третье — невидимые ультрафиолетовые. Электроны не только перескакивают с орбиты на орбиту, иногда они совсем отрываются от атома. Например, в металле все атомы отдают часть своих электронов «в общий котёл». Эти свободные электроны движутся между атомами, переносят тепло и электрический

Наконец, электроны порой вообще покидают своё вещество, тогда они могут лететь в пространстве с огромной скоростью. И тут опять проявляется сложная, противоречивая природа электрона. Экран телевизора светится потому, что изнутри на него направлен электронный луч. Этот луч можно опускать и поднимать, сдвигать вправо или влево. Электроны при этом ведут себя как частицы, которые послушно летят точно туда, куда их посылают.

Такой же поток электронов будет двигаться совсем иначе, если его направить внутрь вещества. Пролетая между атомами или приближаясь к ним, этот поток может огибать препятствия, как волны на воде. Электрон, как всегда, непостоянен: то он похож на частицу, то на волну. Это зависит от размеров предметов, среди которых он движется. Телевизионная трубка относительно велика — там электрон — частица. Расстояние между атомами вещества несравнимо меньше —там электрон скорее волна. Чтобы получить поток электронов, надо, например, нагреть вещество, как нагревают катод электронной лампы. Это значит, что надо затратить энергию. И от атома оторвать электрон часто совсем непросто, для этого нужна энергия — ведь электроны довольно прочно удерживаются в атоме. Ты можешь спросить: а что держит их в атоме? Почему они не улетают прочь? Напомним: и электроны, и ядро имеют электрические заряды, и притом не одинаковые, а разные: ядро заряжено положительно, а электроны — отрицательно. Такие разноимённые, как их называют, заряды притягивают друг друга. Электрон — это как бы единица отрицательного электричества, он имеет самый маленький из всех возможных отрицательных зарядов.

Форум по обсуждению материала ЭЛЕКТРОНЫ В АТОМЕ

Новое в блогах

Сообщество «Наука будущего»

Электрон не вращается вокруг ядра

Классическая физика непадение электрона на протон объясняет вращением электрона вокруг ядра. Однако такое объяснение на поверку оказывается несостоятельным. Классическое объяснение связано с равенством силы электростатического притяжения двух разноименных зарядов и центробежной силы, возникающей при вращении тела. Для водорода должно выполняться соотношение, приводимое во всех учебниках:

mv 2 / r = e 2 / r 2

После сокращения одного r получаем простую зависимость mv 2 = e 2 / r

В исходной зависимости центробежная сила и сила кулоновского притяжения зависят от расстояния между зарядами в обратной зависимости. Равенство указанных сил естественно возможно, но после сокращения указанное равенство с очевидностью оказывается неустойчивым. Стоит расстоянию между протоном и электроном чуть уменьшиться, как сила электрического притяжения превысит центробежную силу, что приведет к еще большему уменьшению расстояния. И наоборот, достаточно расстоянию между зарядами увеличиться, и центробежная сила превысит силу электрического притяжения, электрон оторвется от протона. Равновесие на основе указанных формул оказывается крайне неустойчивым, поэтому такое объяснение непадения электрона на протон превращается в фикцию.

Вращение электрона даже чисто математически не позволяет объяснить причину его непадения на ядро. Тем не менее, это «объяснение» по-прежнему преподают школьникам и студентам.

С вращением электрона вокруг ядра возникают и другие не стыковки:

Во-первых, непонятно, как совмещаются вращения множества электронов вокруг одного ядра. Они же неизбежно будут сталкиваться друг с другом.

Во-вторых, химиками установлено, что химическая связь атомов имеет направленный характер. Как возможна направленная связь, если все электроны вращаются вокруг ядра? В таком атоме невозможно выделить какое-либо привилегированное направление, но оно должно быть выделено, поскольку в реальности атомы в молекулы соединяются строго под определенными углами.

В-третьих, скорость вращения электрона вокруг ядра зависит от числа протонов в ядре. Как в молекуле, составленной из разных атомов, с разным количеством протонов, электрон может перемещаться по одной и той же орбите, если скорость движения этого электрона должна быть разной на разных участках орбиты?

В-четвертых, вращение электрона сопряжено с ускорением, а ускоренно движущийся заряд должен излучать фотоны, но электрон не излучает.

Читайте также  Как паять диоды

В реальности электрон не вращается вокруг ядра. Да ему и не нужно вращаться. Правда, возможность стационарного местоположения электрона в атоме и не падение при этом на протон не так просто, но возможно

В квантовой физике вопрос о вращении (или не вращении) электрона попросту замяли и тщательно замаскировали. Электрон переименовали в орбиталь, размазали его по пространству, придали ему вероятностную интерпретацию. А тех, кто вздумал сомневаться в вероятностной интерпретации частиц, обвинили в недостаточной компетентности и сообразительности. Ну, чисто по мотивам сказки Г.Х. Андерсена про платье голого короля.

Только вот вышла незадача. Частицы не являются «вероятностными», они вполне определенны и стабильны, а все случайности могут проявляться лишь по причине специфики способа доступа к ним.

Биологические организмы наглядно демонстрируют, что в живой клетке без всяких проблем происходят управляемые процессы с электронами и протонами (ионами водорода), и этим процессам глубоко наплевать на придуманные людьми матрично-волновые функции и операторы с вероятностной интерпретацией участвующих в них переменных.

Перенос вероятностной интерпретации с переменных в уравнениях на сами частицы – это фундаментальная ошибка физиков и химиков. Но эта ошибка, увы, сделана и теперь ее предстоит исправлять. А это очень даже непросто – «портных», создавших невидимые простому человеку объяснения квантовых явлений, давно уж нет, а «подмастерья» — кроме как ёрничать ни на что не способны.

electro.rcl-radio.ru

Основы электроники и радиотехники

ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Взаимодействие движущихся электронов с электрическим полем является основным процессом во всех электронных приборах. Будем полагать, что электроны движутся в вакууме, т. е. без столкновений с другими частицами. Такое движение совершается в электронных лампах. В газоразрядных и полу проводниковых приборах движение сложнее, так как происходит столкновение электронов с ионами и другими частицами вещества. Необходимо прежде всего рассмотреть движение электрона в однородном и постоянном во времени электрическом поле.

Законы движения одного электрона в однородном электрическом поле с известным приближением можно применить к движению его в электронном потоке, если пренебречь взаимным отталкиванием электронов.

Электрическое поле в большинстве случаев неоднородно и весьма сложно по своей структуре. Изучение движения электронов в неоднородных электрических полях представляет большие трудности и относится к области электроники, называемой электронной оптикой. Если неоднородность поля незначительна, то можно приближенно считать, что электроны движутся по законам, выведенным для однородного поля. Эти законы позволяют рассмотреть с качественной стороны движение электронов и в полях со значительной неоднородностью.

Напомним, что электрон является частицей материи с отрицательным электрическим зарядом, абсолютное значение которого е = 1,6•10∧-19 Кл. Масса неподвижного электрона m = =9,1•10∧-28 г. С возрастанием скорости масса электрона увеличивается. Теоретически при скорости с = 3•10∧8 м/с она должна стать бесконечно большой. В обычных электровакуумных приборах скорость электронов не превышает 0,1 с и можно считать массу электрона постоянной.

Движение электрона в ускоряющем поле.

На рисунке изображено в виде силовых линий (линий напряженности) однородное электрическое поле между двумя электродами, например катодом и анодом диода.

Если разность потенциалов между электродами U, а расстояние между ними d, то напряженность поля:

Для однородного поля величина Е является постоянной.

Пусть из электрода, имеющего более низкий потенциал, например из катода К, вылетает электрон с кинетической энергией Wo и начальной скоростью Vo направленной вдоль силовых линий поля. Поле ускоряет движение электрона. Иначе говоря, электрон притягивается к электроду с более высоким потенциалом. В данном случае поле называют ускоряющим.

Напряженность поля численно равна силе, действующей на единичный положительный заряд. Поэтому сила, действующая на электрон:

Знак «минус» поставлен потому, что сила F направлена в сторону, противоположную вектору Е. Иногда этот знак не ставят.

Под действием постоянной силы F электрон получает ускорение а = F/m. Двигаясь прямолинейно, электрон приобретает наибольшую скорость V и кинетическую энергию W в конце своего пути, т. е. при ударе оп электрод, к которому он летит. Таким образом, ускоряющем поле кинетическая энергия электрона увеличивается за счет работы поля по перемещению электрона. В соответствии с законом сохранении энергии увеличение кинетической энергии электрона W — Wo равно работе поля, которая определяется произведением перемещаемого заряда е на пройденную им разность потенциалов U:

Если начальная скорость электрон равна нулю, то:

т.е. кинетическая энергия электрона равна работе поля.

Формула с некоторым приближением может применяться и в том случае, когда начальная скорость много меньше конечной скорости V, так как при этом:

Если условно принять заряд электрона за единицу количества электричества, то при U = 1 В энергия электрона принимается за единицу энергии, которую назвали электрон-вольтом (эВ). В большинстве случаев удобно выражать энергию электронов в электрон-вольтах, а не в джоулях.

Определяем скорость электрона:

Подставляя сюда значения е и m, можно получить удобное выражение для скорости в метрах или километрах в секунду:

Таким образом, скорость электрона в ускоряющем поле зависит от пройденной разности потенциалов.

Начальную энергию электрона удобно выражать в электрон-вольтах, имея в виду равенство:

т. е. считая, что эта энергия создана ускоряющим полем с разностью потенциалов .

Скорости электронов даже при небольшой разности потенциалов значительны. При U = 1 В скорость равна 600 км/с, а при U = 100 В — уже 6000 км/с.

Найдем время t пролета электрона между электродами, определив его с помощью средней скорости:

Средняя скорость равноускоренного движения равна полусумме начальной и конечной скоростей:

Подставляя сюда значения конечной скорости, получим время пролета в секундах:

здесь расстояние d выражено в метрах, а если выразить его в миллиметрах, то:

Например, время пролета электрона при d = 3 мм и U =100В:

Вследствие неоднородности поля расчет времени пролета электрона в электронных приборах более сложен. Практически это время равно 10^-10 с. Можно такое малое время пролета во многих случаях не учитывать. Но все же, из-за того что электроны имеют массу, они не могут мгновенно изменять свою скорость и мгновенно пролетать расстояние между электродами. На ультра- и сверхвысоких частотах (сотни и тысячи мегагерц) время пролета электрона становится соизмеримым с периодом колебаний. Например, при f = 1000 МГц период Т = 10^-9 с. Прибор перестанет быть безынерционным или малоинерционным. Иначе говоря, проявляется инерция электронов, которая практически не влияет на работу при низких и высоких частотах. На этих частотах период колебаний Т много больше времени пролета электрона переменные напряжения на электродах за время пролета не успевают заметно измениться, т. е, можно считать, что пролет электрона совершается при постоянных напряжениях электродов.

Режим работы при постоянных напряжениях электродов называют статическим режимом. Когда напряжение хотя бы одного электрода изменяется так быстро, что законы статического режима применять нельзя, режим называют динамическим. Если же напряжения изменяются с невысокой частотой, так, что явления можно рассматривать приближенно с помощью законов статического режима, то режим называют квазистатическим. Выражения для энергии, скорости и времени полета остаются в силе для любого участка пути электрона. В этом случае величины W,V,t,d,U относятся только к данному участку. Если на разных участках напряженность поля различна, то на отдельных участках электрон будет лететь с разным ускорением, а конечная скорость электрона определяется только конечной разностью потенциалов и начальной его скоростью. Из закона сохранения энергии вытекает, что конечная разность потенциалов U равна алгебраической сумме разностей потенциалов отдельных участков. Поэтому полное приращение кинетической энергии равно произведению eU.

Движение электрона в тормозящем поле.

Пусть начальная скорость электрона Vo противоположна по направлению силе F, действующей на электрон со стороны поля (см. рис.), т.е. электрон вылетает с некоторой начальной скоростью из электрода с более высоким потенциалом. Так как сила F направлена навстречу скорости Vo, то электрон тормозится и движется равнозамедленно. Поле в этом случае называют тормозящим. Энергия электронов в тормозящем поле уменьшается, так как работа совершается не полем, а самим электроном, который преодолевает сопротивление сил поля. Таким образом, в тормозящем поле электрон отдает энергию полю.

Если начальная энергия электрона равна eUo и он проходит в тормозящем поле разность потенциалов U, то его энергия уменьшается на eU. Когда eUp > eU, электрон пройдет все расстояние между электродами и ударит в электрод с более низким потенциалом. Если же eUo

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: