Гравитация и эфир

Но с другой стороны, как мы о том уже говорили ранее, на расстоянии – очень далёком от атома, фактически разрывается связь между электроном и протоном, то есть разрывается сама потенциальная система. Значит здесь, на большом удалении, потенциальная энергия электрона (на самом деле – системы) превращается в нулевую. То есть возникает как бы противоречие: энергия – нулевая и в то же время – максимально возможная. Но на самом деле никакого противоречия здесь нет, если мы вспомним о том, что потенциальная энергия может быть отрицательной. Ноль больше любого отрицательного числа. Это говорит о том, что приближаясь из бесконечности к атому, энергия электрона падает от нуля всё больше и больше в минусовую сторону. Но работа А потенциального поля протона (как мы помним) при этом естественна, и следовательно, положительна.

То есть в атоме мы снова приходим к картине изменения энергий, аналогичной картине подбрасывания камня над Землёй. И падающий в поле протона электрон, и падающий в поле Земли камень будут увеличивать кинетическую энергию. Кинетическая энергия принадлежит не полю, но самому телу – электрону и камню. И она для них будет только положительна, потому что определяется по фундаментальной классической формуле:

Здесь даже для любого V (положительного или отрицательного) она всегда будет положительна. Во всех выводах Бора она у него всегда – только положительна.

Потенциальная же энергия атомной системы будет всегда отрицательна. Так получается только потому, что в атомной системе мы сами выбираем для электрона самую «высокую» подставку, с которой он будет скатываться «вниз» – к ядру. «Вниз» – это всегда уменьшение потенциальной энергии – как уменьшение потенциальной возможности системы далее продолжать совершать работу. В этом смысле система будет обладать минимальной потенциальной энергией тогда, когда электрон упадёт на ядро, и там у него не будет уже никакой потенциальной возможности совершить работу за счёт потенциальной энергии системы, которой (этой энергии) там уже не будет. Но зато у электрона там будет возможность совершить работу за счёт его максимальной кинетической энергии – как энергии той же системы, но энергии, оставшейся там в одиночестве.

Таким образом (забегая вперёд) мы видим, что электрон в атоме, стартуя с любой стационарной орбиты, может подбрасываться, подобно камню, «вверх», на более высокие орбиты, увеличивая там свою потенциальную энергию (энергию системы), но уменьшая кинетическую энергию электрона. Но поскольку эта кинетическая энергия входит в суммарную энергию системы атома как положительная, то на верхних орбитах энергия атома, за счёт уменьшения там этой кинетической энергии, уменьшается. Но зато суммарная энергия там, на верхних орбитах, увеличивается за счёт увеличения потенциальной энергии системы. Какое изменение какой энергии будет превалировать? В результате, как мы ещё раз повторяем, энергия такой системы превратится в действительную нулевую. Это произойдёт тогда, когда электрон оторвётся от атома, истратив (превратив в ноль) свою кинетическую энергию, «зависнув» без движения над атомом, а потенциальная энергия превратится (по математике – в максимальную), а практически тоже в нулевую, поскольку произойдёт фактически разрушение системы, когда ни о какой потенциальной энергии такой разрушенной системы говорить (теоретически) будет можно, но практически – говорить не будет иметь смысла.

В реальном же мире любого атомного вещества никакой электрон никогда не «зависает» над атомом, лишаясь своей кинетической энергии. Даже тогда, когда возбуждённый каким-нибудь фотоном, он уходит от своего протона «вверх» по эллиптической орбите, то там, на самом «кончике» этой орбиты, он: или снова возвращается к протону, не теряя слишком сильно своей скорости на этом «кончике», но лишь поворачивая вектор своей скорости из радиального в касательный и затем – снова в (обратный) радиальный; либо тогда, когда «высоко» подброшенный, он этим «высоким» кончиком эллипса вторгается в поле другого атома, отрываясь от своего бывшего и падая в поле уже другого атома. Но для того чтобы мы увидели действительно свободный (освободившийся) от атома электрон, этот последний должен улететь не только от данного атома, но от поверхности какого-нибудь, скажем, металла достаточно далеко. Но даже там, будучи уже свободным, он, «задумав», например, снова вернуться в атомную решётку, из которой только что вылетел, никогда не теряет своей поступательной скорости, но «медленно» меняя скорость с радиального направления на тангенциальное и далее – снова на обратное радиальное, сохраняет свою кинетическую энергию на этом повороте на достаточно приличном её уровне.

Внутри же металла свободные (освободившиеся от какого-то данного атома) электроны вообще никогда не могут иметь низкой скорости, а следовательно, низкой кинетической энергии. То есть внутри металла, например, они всегда могут вылететь из атома и влететь в пределы другого с приличными скоростями, не сильно отличающимися от их скоростей на нижних атомных орбитах. Так может происходить только потому, что атомы складываются в атомную решётку не на уровне каких-нибудь тысячных орбит, где вылетающий электрон мог бы действительно заметно потерять свою скорость и кинетическую энергию, но соединяются на уровне уже единичных или, в худшем случае, на уровне номеров орбит, не превышающих десятка.

Мы только что говорили фактически о тех электронах, которые вырываются, например, из металла подогретого катода любой лампы накаливания. В старых ламповых приборах (телевизорах или радиоприёмниках) нити накала ламп всегда светились красным светом. Для чего нити накала (или они же – фактически катоды ламп) подогревались проходящим по ним достаточно большим током накала? Для того, чтобы перевести множество электронов на возбуждённые орбиты. Из теории фотоэффекта мы знаем, что из холодного металла можно выбивать электроны только ультрафиолетовыми фотонами, имеющими высокую энергию порядка энергии ионизации металла из состояния первой орбиты (10–13 эВ). Но в телевизоре мы не применяем никакой ультрафиолет. Но зато сильно подогреваем металл катода лампы, как бы переводя заранее его электроны с нижних уровней на более верхние, когда он может ионизироваться с них уже не ультрафиолетовыми, но фотонами видимого диапазона, и даже не «белыми» или «жёлтыми», но уже «красными», то есть не такими уж и энергичными. Но их энергии уже хватает на то, чтобы выбить электроны – не с нижних орбит (с нижних всё равно не получится), но с «подогретых» верхних. Что и происходило в электронных лампах с подогревающимися катодами. Причём в этих лампах существовала так называемая «сетка». Она располагалась «выше» катода, но ниже ускоряющего анода. На эту сетку подавался отрицательный потенциал по отношению к потенциалу катода, из которого вылетали «подогретые» электроны. И в лампах существовали (как вполне рабочие) такие режимы, когда электроны с катода вылетали, но потом, отталкиваемые отрицательной сеткой, они не прорывались через неё к аноду и, следовательно, не давали никакого анодного тока лампы (где располагалась полезная нагрузка). То есть в этих режимах около катода наблюдалось действительное электронное облако из вылетевших электронов, затем закруглявших свои траектории и затем снова падающих на поверхность металла катода (а эта поверхность всегда удерживает атомные электроны, сохраняя таким образом атомную решётку).

Однако мы сильно отвлеклись от конкретики обсуждаемой темы атомных орбит. Но сначала – снова классика. Напомним школьнику, что такое потенциал и напряжённость поля. Квантовая физика сильна тем, что она может (наконец-то!) объяснить школьнику физический смысл тех макро-характеристик электростатики и электродинамики (типа «потенциала», «напряжения», «напряжённости»), о которых школьник уже слышал, но очень плохо их понимает (мы это утверждаем, то есть утверждаем то, что школьник плохо понимает все эти характеристики).

Итак, во-первых, затронем некоторые основы электростатики. Что такое «заряд» вообще и заряд электрона – в частности? Для электростатики «заряд» – это просто электрическое поле частицы – как поток квантов, «излучаемых», например, электроном («из электрона») во все от него стороны пространства. Электрон – это стандартная космическая частица, которая всегда пребывает в стандартном космическом эфире, имеющем стандартные космические характеристики (такие как плотность распределения квантов – частиц, скорость их движения, масса этих частиц, их конструкция и наконец – их «полярность» – как некоторое чисто конструктивное отличие друг от друга «положительных» квантов – частиц эфира от «отрицательных» частиц этого же эфира, о чём физики пока ещё абсолютно не знают). Кстати, физики не только не знают, что такое «электрический заряд», но они не знают, что такое электрон.

Во-вторых, сейчас (объясняя «заряд») мы находимся внутри атома, где действуют (взаимодействуют) два «заряда»: «заряд электрона» и «заряд протона». Заряд электрона, с точки зрения объяснения характеристик электростатики, мы жаргонно будем называть словом «электрон» и обозначать его символом «

» (то же делают и физики, и это «

» стоит и у физиков, и у нас в формулах). То есть мы в контексте данных (электростатических) объяснений не говорим об электроне, как о частице, имеющей массу, конструкцию, скорость, собственную частоту вращения, но говорим лишь о поле этой частицы, как говорим и о поле частицы – протона.

В-третьих, и заряд электрона (как поток – поле всегда излучаемых им частиц эфира), и заряд протона (как аналогичный поток излучаемых им частиц) в атоме (для простоты – одноэлектронном, то есть в атоме водорода), эти потоки – жёстко поляризованы, как и жёстко поляризованы сами частицы – электрон и протон. То есть вся картинка их взаимных полей лежит строго в одной и той же «тонкой-тонкой» плоскости, в пределе имеющей «толщину» размера частицы – электрона, совпадающую с «толщиной» частиц-кварков, из которых состоит протон, которые (эти там кварки) быстро вращаются внутри протона, являя нам некоторое «колёсико», излучающее из себя во все стороны этого «колёсика» суммарное поле протона (но излучающее строго – в плоскости этого колёсика), поле, состоящее, вообще говоря, из суммы полей кварков, но в результате равное по величине (по силе) точно такому же «заряду», который излучает электрон.

И теперь, словно бы «конструируя» атом, мы будем плавно вносить откуда-то очень издалека (в пределе – из бесконечности) отрицательный «электрический заряд» (частицу электрон вместе с его полем) в потенциальном поле положительного «электрического заряда» (протона-частицы, вместе с его полем). То есть мы будем совершать работу по перемещению единичного заряда (электрона) в потенциальном поле – из бесконечности в какую-то точку внутри атома, на уровень удаления какой-то орбиты от протона. Поскольку в данной главе мы занимаемся лишь некоторыми оценочными цифрами (точными займутся физики, если захотят, а не захотят – займутся школьники), то для простоты будем вносить электрон на уровень, допустим, n – ной орбиты атома. Почему именно n – ной? Если мы внесём электрон на уровень первой орбиты, то он окажется под потенциалом поля протона уровня десятка вольт, а если внесём его на уровень n – ной орбиты, то он окажется там под потенциалом поля протона величиной всего лишь, допустим, в десятые доли вольта (эти потенциалы вычисляются физиками в общем случае методами спектроскопии). То есть разность потенциалов поля протона в точках первой и n – ной орбит составит величину напряжения между этими точками:

Самым важным результатом здесь будем считать тот, что разность потенциалов (напряжение) между точкой первой орбиты и точкой n – ной орбиты почти равна разности потенциалов (напряжению) между любой из точек первой орбиты и «бесконечностью».

Зачем нам понадобилось привязывать потенциалы к орбитам 1 и n? Это нужно только для того, чтобы задать точное расстояние между двумя фиксированными точками потенциального поля протона – ∆d. Потому что расстояние между любой точкой поля вблизи протона и далёкой бесконечностью (как истинное ∆d для истинного потенциала) измерять, мягко говоря, неудобно. Но это ∆d нам необходимо знать потому, что классика физики определяет через него напряжённость поля (поля протона, в данном случае):

где

– потенциальная энергия нашего «пробного» заряда (электрона – как «заряда»), внесённого из бесконечности в данную точку потенциального поля протона;

– заряд электрона, как поле этого заряда (о нём мы поговорим ещё более подробно – ниже);

– напряжённость электрического поля протона в точке внесения «пробного заряда» (электрона);

– расстояние между точкой нулевого потенциала и данной точкой потенциального поля протона; здесь важно то, что (в нашем примере с n – ной орбитой) расстояние между n – ной орбитой и бесконечностью равно не бесконечности, но мы его принимаем «нулевым», так как ведём отсчёт потенциала не от бесконечности, а, в первом приближении, от n – ной орбиты, где потенциал (между n – ной орбитой и бесконечностью) мало отличается от «нуля» (от потенциала бесконечно удалённой точки – как потенциала истинного там «нуля»).

Начнём с закона, проверенного временем. Таким, главным в электростатике, является закон Кулона:

где заряды

и

мы обозначаем символами, принятыми в теории Бора и квантовой механике;

K – электростатическая постоянная, о которой мы будем ещё говорить ниже.

Если поле создаётся зарядом

(протон), то на заряд

(электрон) со стороны

действует сила Кулона. В общем случае: чем больше заряд

(протон), тем больше сила, действующая на

(электрон). Но мы говорим, для простоты формулировок, об атоме водорода, где оба заряда

и

– единичные. Эту силу, действующую на

со стороны

можно рассматривать как характеристику поля заряда

(протона). Эту характеристику физики называют «напряжённостью электрического поля». Вспоминая Фарадея, напряжённость электрического поля можно ассоциировать с количеством «силовых линий» поля заряда

, пронизывающих некоторую единичную площадку, где находится, скажем, пробный единичный заряд (

). В общем случае, чем больше заряд

(электрон), тем с большей силой он должен притягиваться полем заряда

к этому заряду

(к протону). То есть электростатическая сила F должна быть прямо пропорциональной пробному заряду

. С другой стороны, она же должна быть прямо пропорциональной количеству силовых линий, то есть напряжённости поля. Таким образом, сила, действующая на заряд

в поле заряда

должна быть следующей:

откуда напряжённость поля в данной точке равна отношению силы, с которой поле (заряда

) действует на пробный точечный заряд (

) к этому заряду:

Фактически оба последних выражения – это определения в электростатике силы поля и напряжённости этого поля. Сразу же разберёмся с размерностями величин.

В вольтах измеряется разность потенциалов между двумя точками электрического поля. О ней мы ниже будем подробно говорить.

Если напряжённость поля E – это вектор и силовая характеристика поля, то потенциал φ – это скаляр и энергетическая характеристика поля.

Потенциалом точки электростатического поля называется отношение потенциальной энергии заряда, помещённого в данную точку, к этому заряду:

Фактически потенциал – это та же энергия, которую придали заряду, поместив его в данную точку поля:

Здесь заряду

придана энергия

, выражаемая в «электрон-вольтах». Причём сама энергетическая характеристика «электрон-вольт» говорит о том, что в ней речь идёт о единичном заряде, который несёт на себе элементарная частица электрон. То есть фактически уже в определение потенциала внесена его нормировка. Дело в том, что в данную точку поля может вноситься не только единичный заряд, но и в общем случае сложенный – составной. Но в любом случае классика измеряет любую энергию (в том числе и потенциальную

) в джоулях (Дж), а заряд – в кулонах (Кл). Поэтому единица потенциала вольт (В) определяется как:

Но поскольку кулон для атомных процессов – это гигантская величина, то здесь работают с единицей заряда не «кулон», а «заряд электрона». Эта единица составляет очень малую часть от заряда – кулона:

Поэтому для получения той же единицы потенциала – «вольта» энергию уменьшают в такое же число раз и получают новую единицу энергии – «электрон-вольт» (эВ):

Тогда

Здесь в энергию «электрон-вольт» включена единица заряда – «e» (заряд электрона). Поэтому для получения чистого потенциала «1 вольт» надо эту энергию нормировать к единичному заряду (разделить на величину единичного заряда).

Таким образом, один «электрон-вольт» – это та энергия, которую надо затратить для того, чтобы единичный заряд e переместить из бесконечности (точка нулевого потенциала поля) в ту точку внутри атома, потенциал которой будет отличаться от нулевого на один вольт. И тогда в этой точке энергия единичного заряда (электрона) будет равна величине – «электрон – вольт».

Теперь – о «разности потенциалов». Так же как для потенциальной энергии, значение потенциала в данной точке зависит от выбора нулевого уровня для отсчёта этого потенциала, то есть зависит от выбора той точки поля, потенциал которой принимается нулевым. Но изменение потенциала не зависит от выбора нулевого уровня отсчёта потенциала.

И вот далее надо быть предельно внимательными. Повторим ещё раз с существенным уточнением. Электростатика называет потенциалом любой данной точки поля (поля протона – у нас) отношение работы силы поля по перемещению положительного заряда (именно положительного) из данной точки поля в бесконечность (на уровень истинного нулевого потенциала поля), к этому заряду:

У нас, внутри атома, поле направлено от «положительного заряда» – протона во все стороны от него – в бесконечное от него удаление. В определении потенциала говорится о перемещении положительного заряда (в поле протона, хотя мы будем перемещать «отрицательный заряд» – электрон). Определения в электростатике возникли задолго до открытия структуры атома, с его электронами и протонами, и эти определения мы не можем изменять. Точно также как не можем изменять определение направления протекания тока в проводнике. Там, задолго до «электронов», было принято называть «током проводника» движение «положительных зарядов». Хотя потом выяснилось, что в проводнике на самом деле движутся «отрицательные заряды» (электроны), а «положительные заряды» (протоны атомов) благополучно стоят на месте в составе атомной решётки проводника. Но первичные определения в физике никто не меняет, во избежание неимоверной, в таком случае, путаницы.

Теперь выберем в поле протона две точки (рис. 21.3), находящиеся на одной «силовой линии» поля: «нижнюю» точку 1, более близкую к протону, и «верхнюю» точку 2 – дальнюю от него. Тогда электрическое поле протона Е совершит положительную работу А по перемещению положительного заряда из начальной точки 1 в конечную 2:

Эта работа не зависит от формы траектории, поскольку (вспоминаем) совершается консервативными силами (это те силы, которые, двигая тело в поле сил по замкнутой траектории, совершают в сумме нулевую работу). Эти «консервативные силы» нам, внутри атома, – как нельзя кстати. Потому что здесь не важно, говоря о потенциалах, на какую точку одной и той же орбиты мы переносим тело (электрон), но важно – на каком уровне потенциальной энергии находится эта орбита.

Рис. 21.3

Итак, поскольку работа электростатической силы является консервативной, то эта работа равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком:

Проверим действенность классических определений в их применении к атомным процессам, происходящим при перемещении заряда внутри атома. Сначала будем перемещать положительный заряд

(самим полем Е протона) из точки 1 в удалённую точку 2. Поле протона совершает положительную работу: