А.Н. Матвеев - Электричество и магнетизм (1115536), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В состав ядер атомов входят протоны, а в состав электронной оболочки атомов — электроны. Именно зтн частицы обусловливают почти все явления, изучаемые в курсе электричества и магнетизма В состав ядер кроме протонов входят также нейтроны. Они электрически нейтральны и их время жизни в составе ядер неограниченно. Однако вне ядер они живут в среднем около 17 миьц распадаясь на протоны, электроны н антинейтрино.
Заряженность ионов обусловливается тем, что в электронной оболочке соответствующего атома или молекулы недостает одного или нескольких электронов (положительные ионы) или, наоборот, имеются лишние (отрнцательные ионы). Поэтому вопрос об ионах как микроскопических носителях зарядов сводится к вопросу о зарядах электронов и протонов. Электрон, Электрон является материальным носителем элементарного отрицательного заряда.
Обычна принимается, что электрон является точечной бесструктурнай частицей, т. е. весь электрический заряд электрона сосредоточен в точке. Такое представление внутренне противоречиво, так ках энергия электрического поля, создаваемого точечным зарядом, бесконечна, а следовательно, должна быть бесконечной н инертная масса точечного заряда, что противоречи'г эксперименту, поскольку масса электрона равна т, =9,1 ° 10 " кг. Однако 5 1. Микроскопические носители электрических зарядов 17 с этим противоречием приходится мириться еследстеие овсутсвеия более удоялетеоршпельного и менее противоречивого езгляда на структуру 1'или отсутствие структуры) электрона. Трудность бесконечной собственной массы успению преодолевается при вычислениях различных эффектов с помощью перенормировки массы, сущность которой заключается в следующем. Пусть требуется рассчитать некоторый эффект, причем в расчет входит бесконечная собственная масса.
Получаемая в результате такого вычисления величина бесконечна и, следовательно, лишена непосредственного физического смысла. Чтобы получить физически разумный результат, проводится еще одно вычисление, в котором присутствуют все факторы, за исключением факторов рассматриваемого явления. В последний расчет также входит бесконечная собственная масса и он приводит к бесконечному результату. Вычитание нз первого бесконечного результата второго приводит к взаимному сокращению бесконечных величин, связанных с собственной массой, а оставшаяся величина является конечной.Она характеризует рассматриваемое явление.
Таким способом удается избавиться от бесконечной собственной массы н получить физически разумные результаты, которые подтверждаются экспериментом. Такой прием используется, например, при вычислении энергии электрического поля (см. д 18). Протон. Носителем положительного элементарного заряда является протон. В отличие от электрона, он не рассматривается как точечная частица. Экспериментально хорошо изучено распределение электрического заряда внутри протона.
Метод изучения аналогичен использованному в начале текущего столетия Резерфордом для исследования структуры атомов, в результате которого было открьгто существование ядра. Анализируется столкновение электронов с протоном. Если представить себе протон в виде сферически симметричного распределения заряда в конечном объеме, то траектория элекн1рона, не проходяи1его через этот объем, не зависит от закона распределения заряди. Она точно такая же, как если бы весь заряд протона был сосредоточен в его центре. Триектории электронов, проходяи1их через обьем протона, зависят от конкретного вида распределения заряда е нели Эти траекторни могут быть вычислены. Поэтому, проведя достаточное число наблюдений за результатами столкновений электронов с протонами, можно сделать заключение о распределении заряда внутри протона. Поскольку речь идет об очень малых областях пространства, для экспериментов пришлось воспользоваться электронами очень больших энергий.
Такая необходимость диктуется квантовой теорией По соотношениям де Бройля материальные частицы обладают волновыми свойствами, причем длина волны частицы обратно пропорциональна импульсу. Чтобы «прощупатьн некоторую пространственную деталь, необходимо, очевидно„пользоваться частицами, длина волны которых меньп|е соответствующих пространственных размеров детали, а это соответствует достаточно большим импульсам.
Поэтому исследование электромагнитной структуры протона 18 !. Заряды, поля, силы !5 г г+дг а) б) Электромагнитная сзрукеура протона, Почтн весь заряд кротова сеередозечея внутри шара радиусом гв ° Электрон рассматрмваетсв как точечная массима, кота это и приводит к трудностям, Экспериментально обнаружить внутреннюю электромагнитную структуру электрона иова не удалось. Непрерывное распределение эленемтарнаго электрическоее заряда ме связано с его разбиением иа части, а означает учет закона двмжвмия этого эаряда в пространстве.
стало возможным лишь после создания электронных ускорителей на энергии в несколько миллиардов электрон-вольт. На рис. 1, а приведен результат этих экспериментов. По оси ординат отложена не плотность р заряда на расстоянии г от центра протона, а величина 4пгзр, представляющая плотность суммарного по всем направлениям заряда на расстоянии г от центра, поскольку 4пг'р)у)бг — полный заряд в сферическом слое толщиной бг. Из рисунка видно, что практически весь заряд протона сосредоточен в шаре радиусом гс10 ' м. После первого максимума 4пг р(г) не убывает монотонно, а имеется еизе один максимум.
Нейтрон. Аналогичные зксперимезггы были проведены также по рассеянию электронов на нейтронах. Они показали, что нейтрон обладает электромагнитной структурой и не является точечной электрически нейтральной частицей. Распределение электрического заряда внутри нейтрона показано на рис. 2,а.
Очевидно, что вблизи центра нейтрона рисполагается положительный заряд, а дальше от центра — отрицательный, Площади, ограниченные кривыми и осью абсцисс, равньз, следовательно, положительный заряд равен отрицательному, и в целом нейтрон электрически нейтрален. Размеры областей, в которых сосредоточены электрические заряды, у протона и нейтрона примерно одинаковы. Что означает непрерывное распределение электрического элементарного заряда? Плошадь, ограниченная кривой и осью абсцисс (см. рис.
1, а), численно равна заряду протона, а заштрихованная площадь — заряду внутри протона в шаровом слое толщиной бг на расстоянии г от центра протона. Ясно, что этот заряд составляет лишь небольшую часть от полного заряда протона, т. е. небольшую часть элементарного заряда. Однако в природе не удалось обнаружить физических обьектов, заряд которых равен дробной части от злемен- Э 1. Микроскопические паситслп электрических зарядов 19 г,10 гзы а) б) тарного. Спрашивается, каков смысл утверждения, что в объеме 4кг'г)г находится небольшая часть элементарного заряда? В настоящее время предполагается, что протон состоит из двух точечных кварков с зарядом +2~ей>3 и одного — с зарядом -)е(/3 (см. рис.
1,б). Кварки в протоне движутся. Их относительное время пребывания на различных расстояниях от центра протона может быть эффективно представлено в виде размазанности заряда по объему протона, как показано на рис. 1, и. Нейтрон состоит из двух кварков с зарядом †)е(>3 и одного — с зарядом +2 ~ в )>>3 (рис. 2, 6). Объяснение распределения заряда в нем (рис. 2,а) аналогично. В свободном состоянии кварки не обнаружены, несмотря на значительные экспериментальные усилия. В настоящее время считается, что их в пришуипе нельзя обнаружить в свободном состоянии, поскольку для этого надо затратить бесконечную энергию, а внутри протона они все же существуют. Такое допущение позволяет объяснить многие явления и поэтому принимается физиками в качестве вероятной гипотезы.
Прямое экспериментальное доказательство наличия кварков внутри приятна отсутствует. Спин н магнитный момент. Кроме заряда частицы могут обладать моментом импульса или спином. Спин пв обусловлен вризцением частицы, поскольку для такого объяснения при разумных предложениях о размерах частиц пришлось бы допустить наличие линейных скоростей при вращении, превосходящих скорость света, что невозможно. Поэтому спин ригсмитривиетгя кик внутреннее свойство читпицы. Со спином связано наличие у заряженной частицы магнитного момента, который также не может быть обьяснен движением заряда и рассматривается как первоначальное свойство. В классической электродинамике магнитный момеугг может быть лишь результатом движения зарядов по замкнутым траекто- Злектромэгнитнвя структуре нейтрона Вблизи центра нейтрона рясполягяется положительный заряд, я дальше от центре — отрицательный.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
