Элементарный электрический заряд, опыты Милликена и природа многократно заряженных ионов (стр. 1 )

Элементарный электрический заряд, опыты Милликена и природа многократно заряженных ионов

Elementary electric charge, Millikan's experiences and the nature of multiply charged ions

Россия, Санкт-Петербург.

2014 г.

Аннотация

Исследование посвящено природе "квантованния" электрического заряда, который у элементарных частиц по величине равен заряду электрона или отсутствует. В работе дан критический анализ классических экспериментов Милликена по измерению элементарного заряда на каплях масла. Выдвинута гипотеза о природе многократно заряженных ионов и предложены способы ее проверки.

Содержание:

Введение

Основная часть

Дискретный электрический заряд в химии

О дискретной структуре зарядов ионов в электролитах

Многократно заряженные ионы в плазме

Опыт Милликена

Роль диэлектрической проницаемости среды в опытах Милликена

Роль электрического поля в опытах Милликена

Роль Х-лучей в опытах Милликена

Заключение

Размышления о природе элементарного электрического заряда

Связь электрической энергии с механической и элементарный электрический заряд

Предпосылки появления гипотезы о природе многократно заряженных ионов

Гипотеза о природе многократно заряженных ионов и ее экспериментальная проверка

Список литературы

Введение

В резолюции XXIV Генеральной конференции по мерам и весам 2011 г. было предложено перейти к определению единиц измерения через фундаментальные константы. К примеру, ампер собираются выражать через элементарный электрический заряд (ээз). Переход на систему единиц измерения, основанную на фундаментальных константах, требует не только знания точных значений величин, но и глубокого понимания сущности этих постоянных.

Методы определения ээз можно разделить на две группы. В одной, поведение свободных электронов изучают в электрических и магнитных полях; в другой – методы применяются к электронам, связанным в атомных оболочках: в них используется излучение света электронами или их взаимодействие со светом, т. е. последние опираются на модель строения атома (МАТ) и теорию атомных спектров.

Множество определений ээз выполнено через удельный заряд электрона e-/m. К ним относятся: метод скрещенных электрических и магнитных полей; определение скорости электронов, прошедших известную разность потенциалов (методы Кирхнера [1] и Деннингтона [2]). Спектроскопические методы [1] основаны на измерении разностей длин волн спектральных линий: первый метод опирается на "классическую теорию" нормального эффекта Зеемана, второй метод (дает массу электрона, а не его удельный заряд) основан на измерении разностей длин волн соответствующих линий в спектрах водорода и ионизированного гелия или изотопов водорода: протия и дейтерия.

Ээз также был оценен методом Резерфорда-Гейгера [3] путем счета числа и измерения общего заряда б-частиц.

Довольно точно ээз получается через число Авогадро – NAv, определенное рентгеноструктурным методом, когда ээз рассчитывается из соотношения: e - = F/NAv, где F – число Фарадея.

На сегодняшний день лучшее значение ээз основано на определении постоянной тонкой структуры [7].

Непосредственно ээз был измерен только в классическом эксперименте Милликена с масляными каплями [4 – 6] и в его модификациях, поэтому в данной работе ему уделено особое внимание. Милликен в своих исследованиях опирался на результаты опытов Фарадея [4, стр. 21], ибо понятие дискретности электричества изначально базируется на электрохимических экспериментах. Основываясь на числе элементарных зарядов, якобы переносимых ионами в электролитах, в науку было введено понятие дискретного электричества, электрические силы привлечены для объяснения химических взаимодействий, а в модель строения атома включены элементарные заряженные частицы.

Данная работа является продолжением исследования природы ээз, начатого в [8]. В ней предложены способы проверки гипотезы о многократно заряженных ионах (МЗИ), наличие которых в плазме, исходя из МАТ, является важным доказательством как существования ээз, так и адекватности самой МАТ.

Основная часть Дискретный электрический заряд в химии

Частицы с элементарными электрическими зарядами в химии фигурируют в виде ионов и электронов. Также используются понятия степени окисления (условного электростатического заряда атома) и эффективного заряда атома.

Анализ обоснованности использования зарядовых чисел ионов и чисел электронов в уравнениях и формулах химии, представленный в работе [8] показывает, что дискретность электрических зарядов не следует из электрохимических экспериментов и законов электролиза. Этот вывод базируется на следующих фактах.

Степень окисления – это формальная характеристика, она относится к стехиометрии реакции (бывает  нецелочисленной), а не к зарядовым числам ионов или штучным электронам, участвующим в реакции.

Коэффициенты в уравнениях химии, электрохимии (и в законах Фарадея), приписываемые элементарным электрическим зарядам, определяются стехиометрическими составами реагентов и продуктов реакций.

Эквиваленты (в том числе, в законах электролиза) определяются без привлечения элементарных зарядов из стехиометрических чисел компонентов реакций, основываясь на законе кратных отношений. Экспериментально определяемым является химический состав соединения; он реален при любой возможной интерпретации природы химических сил (чего нельзя сказать о передаче электронов в реакциях).

Эффективные заряды атомов в молекулах и кристаллах не бывают цельнократными к ээз, а их значения редко превышают двух.

При современном описании химической связи оперируют не штучными электронами, а плотностью вероятности.

Равновесная электрохимия может вовсе обходиться без привлечения электрически заряженных частиц, без ионов [9].

Законы электролиза не доказывают дискретности электричества. Химические реакции, идущие самопроизвольно в гальваническом элементе, вырабатывают электрическую энергию, тогда как в электролизере, наоборот, процессы идут "принудительно" за счет электрической энергии, подводимой от внешнего источника. Электролиз начинается после того, как напряжение, создаваемое внешним источником тока на электродах, достигает значения, превышающего разность равновесных потенциалов обоих электродов на величину катодного и анодного перенапряжений и омического падения напряжения в электролизере.

Электроды заряжаются по внешней цепи и, как постулируется, без протекания тока электронов через электролит. Сила тока, идущего от источника электрической энергии к электродам электролизера для поддержки заданного напряжения, определяется скоростью реакций на них: чем больше вещества превращается в единицу времени, тем большая электрическая мощность потребляется в электролизере. Однозначная связь между разностью потенциалов U и скоростью электродного процесса, выраженная в уравнениях кинетики, позволяет утверждать, что всегда, если потенциал данного электрода отличается от равновесного на определенную величину ДU, должен протекать процесс с определенной скоростью; причина, вызвавшая отклонения потенциала, безразлична [10]. Когда электрохимическая реакция переходит в диффузионную стадию, дальнейший сдвиг потенциала уже не увеличивает скорость процесса: диффузия не успевает обеспечивать электрод реагирующим веществом, достигается предельный ток. Скорость электродного процесса, подчиняющегося диффузионной кинетике, удобно выражать через плотность тока, ибо эта величина доступна непосредственному измерению. В любых условиях поляризации фактическая скорость диффузии равна фактической скорости электродной реакции; плотность тока в диффузионной области определяется количеством реагентов и продуктов, поступающих к единице поверхности электрода в единицу времени. Так как электродный процесс является химической реакцией, то за основу выводов количественных зависимостей между смещением потенциала от равновесного значения и скоростью реакции, выраженной через плотность тока, принимаются обычные уравнения химической кинетики: скорость реакции выражается через активности реагирующих ионов, энергию активации и температуру. Сдвиг потенциала от равновесного значения, определяя скорость реакции, влияет на величину энергии активации – в этом и заключается важная особенность электродных реакций по сравнению с обычными химическими процессами [10].

Электрический ток протекает в результате химических реакций, следовательно, не количество превращающегося при электролизе вещества определяется количеством прошедшего электричества, а, наоборот: количество электричества, подведенное к электродам электролизера для восстановления напряжения, определяется количеством вещества, прореагировавшего за время электролиза.

М. Фарадей при электролизе измерял ток и время, ибо on line это гораздо проще и быстрее, и только потом определял: сколько вещества превратилось за 1 с при токе в 1 А. В том числе поэтому в законах электролиза ток и время (количество электричества), а не количество вещества, оказались на первом месте.

О дискретной структуре зарядов ионов в электролитах

Предположение, что законы Фарадея, вместе с гипотезой о существовании атомов, приводят к заключению, что и электричество, по крайней мере, при электролизе, должно состоять из дискретных элементарных зарядов, было впервые заявлено Стонеем и Гельмгольцем (в речи, посвященной памяти Фарадея, 5 апреля 1881 г.). Проанализируем доказательства существования дискретности электричества, приводимые Гельмгольцем, и другими физиками, разбив их на тезисы [11, стр.11].

Тезис "А": "Из законов электролиза следует, что если пропускать одно и то же количество электричества через различные электролиты, то количество веществ, выделяемых в растворах одновалентных ионов, будет пропорционально атомным весам ионов. Если это количество электричества как раз таково, что оно выделяет один г-ат определенных ионов, то в любом другом электролите, содержащем одновалентные ионы, оно выделит тоже один г-ат ионов".

Тезис "Б": "Так как электрический ток в электролите обусловлен движением ионов, то можно сформулировать установленный факт, утверждая, что один г-ат одновалентных ионов, содержащий одинаковое количество частиц, равное числу Авогадро: NAv = 6.02·1023, несет с собою всегда одно и тоже количество электричества F = 96485.31 Кл, вне зависимости от природы этих ионов. Наиболее вероятно, что весь электрический заряд распределен равномерно по всем частицам, и заряд, переносимый одним ионом, будет иметь совершенно определенную величину, равную F/NAv = e-; заряд, переносимый каждым двухвалентным ионом, будет 2e - = 2F/NAv; z-валентным ионом: z·e - = z·F/NAv. То есть различные ионы могут нести на себе заряды, кратные e-: равные 1e-, 2e-, …, ze-".