Заряженные частицы. древнегреческий миф или современная реальность? Способ разделения заряженных частиц по энергиям Заряженных частиц по

ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДВИЖЕНИЕ

В электрическом и магнитном полях - частиц в пространстве под действием сил этих полей. Ниже рассмотрены движения частиц плазмы, хотя нек-рые положения являются общими и для плазмы твёрдых тел (металлов, полупроводников). Различают следующие основные типы движения заряж. частиц (ДЗЧ): равноускоренное в пост. электрич. , вращательно-поступательное (по спирали) в пост. магн. поле, дрейфовое движение из-за слабой неоднородности магн. поля или под действием др. сил, перпендикулярных магн. полю. В ансамбле заряж. частиц (плазме) с неоднородной концентрацией возникает . В общем виде движение отдельной заряж. частицы описывается ур-нием:

Где r - радиус-вектор частицы, v - скорость, m= -масса, p = mv - импульс, е - заряд, E и H - напряжённости электрич. и магн. полей соответственно. Правая часть (1) - выражение для Лоренца силы. Из (1) следует, что изменение кинетич. энергии E к = mс 2 со временем равняется работе, производимой электрич. полем:

Магн. поле работы не совершает, т. сила перпендикулярна вектору скорости. В случае статич. полей из (2) следует интеграл энергии:

где U (r ) - потенциал электрич. поля E = - nU. Для полей E и Н ,произвольно меняющихся во времени и пространстве, ур-ния (1) не интегрируемы в общем виде; лишь для простых типов полей они интегрируемы точно. Во многих практически важных случаях разработаны приближённые методы решения ур-ний (1) с помощью . В постоянном электрическом поле в нерелятивистском случае (v <g играет величина е E /т; траектория заряда - парабола х= (emE/2p 2 0 )y 2 +const. Ось х выбрана вдоль Е . В случае релятивистского движения траектория представляет собой цепную линию

В неоднородном электростатическом поле ДЗЧ имеет глубокую аналогию с распространением световых лучей в прозрачной преломляющей среде. Для заряда, движущегося в пространстве, в к-ром на некоторой границе имеется скачок потенциала U(x 1 и U (x /a) = U 2 , из (3) следует (при E 0 = 0, v /с<<1) выражение для скоростей:

При прохождении через границу частица испытывает силы, направленной по нормали, а тангенциальная составляющая остаётся неизменной: v 1 sin a= v 2 sin b (a, b - углы падения и "преломления"). Подставляя значения v 1 и v 2 , получаем условие полностью совпадающее с обычной формулировкой закона преломления в оптике. Роль показателя преломления играет квадратный корень из значения потенциала в данной точке. Эта аналогия позволяет использовать методы геом. оптики и служит основой для создания электронной и ионной оптики. В постоянном магнитном поле ДЗЧ можно представить в виде

где w H =-еНс/ E - величина постоянная (магн. поле работы не совершает, поэтому E=const), наз. ларморовской частотой. Интегрируя это ур-ние с учётом (1) и выбирая ось z вдоль Н , получим:

где - радиус окружности (ларморовский радиус), к-рая является проекцией траектории частицы на плоскость, перпендикулярную магн. полю;a=arctg [v y (0)/v x (0)]. Как следует из (4), траектория частицы в пост. магн. поле представляет собой спираль с радиусом r и шагом l = 2pv z / | w H | . В постоянных и однородных электрических и магнитных полях ДЗЧ обладает рядом особенностей. Пост. магн. поле не влияет на характер движения частицы вдоль Н (ось z); в этом направлении частица движется равноускоренно:

В направлении, перпендикулярном магн. полю, ускоренно частицы не происходит. Под воздействием перпендикулярной магн. полю электрич. поля частицы получают пост. скорости , наз. скоростью дрейфа (см. Дрейф заряженных частиц). В системе координат, движущейся с пост. скоростью v д, траектория ДЗЧ в скрещенных электрич. и магн. полях {E z =0, v z (0)=0} также представляет собой ларморовскую окружность. Для нерелятивистской частицы (v <v д <<с, следовательно В скрещенных малом электрическом и большом магн. полях средняя за оборот частицы сохраняется, т. е. в среднем частица движется по эквипотенциалям электрич. поля. В квазистационарном поперечном электрическом поле наряду с дрейфом v д имеетсядополнит. дрейф со скоростью v и, наз. обычно инерционным, так что полная скорость дрейфа определяется выражением: v д полн = v д +v и, где

Для решения ур-ний (1) в статич. неоднородных полях, в к-рых характерный масштаб неоднородности значительно превышает ларморовский радиус r<R (t)=r (t)-r(t), наз. ведущим центром. Такое наз. дрейфовым, а ур-ние, описывающее плавное перемещение ведущего центра, имеет вид:

Первый член в правой части (5) описывает ДЗЧ вдоль силовой линии, второй - дрейф в скрещенных полях, третий - дрейф из-за неоднородности поля, четвёртый - т. н. центробежный дрейф, связанный с кривизной силовых линий (h n )h =n /R (n - орт нормали, h - орт, параллельный Н , R - радиус кривизны). При движении заряж. частицы сохраняется её магн. момент, наз. первым адиабатич. инвариантом:Сохранение m представляет собой проявление принципа адиабатической инвариантностипри квазипериодич. движении. В произвольной консервативной системе выражение для адиабатич. инварианта имеет вид где предполагается, что по координате q i имеет место квазипериодич. движение. В случае ларморовского вращения (j - вращения). Тогда I 1 , то есть m = const. Если частица колеблется вдоль силовых линий, то в таком движении сохраняется интеграл Выражая v || черезE к и m, получаем наз. обычновторым адиабатич. инвариантом. Для выполнения условий его существования необходимо, чтобы за период одного продольного частицы магн. поле, вдоль силовой линии к-poro движется частица, изменилось мало. Такое изменение может быть вызвано, напр., пространств. неоднородностью магн. поля, приводящей к поперечному дрейфу частицы (во к-рого она переходит с одной силовой линии на другую), а также нестационарностью магн. поля. В последнем случае энергия частицы уже не является интегралом движения, но адиабатич. инвариант I 2 сохраняется в обычном смысле. Открытые ловушки, Магнитные ловушки). Лит.: Спитцер Л., Физика полностью ионизованного газа, пер. с англ., М., 1965; К р о л л Н., Т р а й в е л п и с А., Основы физики плазмы, пер. с англ., М., 1975; Арцимович Л. А., С а г д е е в Р. 3., Физика плазмы для физиков, М., 1979. Е. В . Мишин, В. Н. Ораевский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДВИЖЕНИЕ" в других словарях:

Движение заряж. частиц внутри монокристалла вдоль каналов, образованных параллельными рядами атомов или плоскостей. К. з. ч. было предсказано М. Т. Робинсоном (М. Т. Robinson) и О. С. Оэном (О. S. Оеп) в 1961 и обнаружено в 1963. Различают… … Физическая энциклопедия

беспорядочное движение заряженных частиц - Движение заряженных частиц, характеризующееся равной вероятностью любых направлений движения этих частиц в данном элементе объема … Политехнический терминологический толковый словарь

Движение протонов, электронов и др. заряженных частиц, попавших в монокристалл, вдоль каналов, образованных параллельными рядами атомов или кристаллографич. плоскостями. Предсказано И. Штарком в 1912, обнаружено в 1963 65. Каналированные частицы … Естествознание. Энциклопедический словарь

В плазме, относительно медленное направленное перемещение заряж. ч ц (эл нов и ионов) под действием разл. причин, налагающихся на осн. движение (закономерное или беспорядочное). Напр., осн. движение заряж. ч цы в однородном магн. поле в… … Физическая энциклопедия

Устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное… …

Установки, служащие для ускорения заряж. частиц до высоких энергий. При обычном словоупотреблении ускорителями (У.) наз. установки, рассчитанные на ускорение частиц до энергий более МэВ. На рекордном У. протонов теватроне достигнута энергия 940… … Физическая энциклопедия

В кристаллах, движение частиц вдоль «каналов», образованных параллельными друг другу рядами атомов. При этом частицы испытывают скользящие столкновения (импульс почти не меняется) с рядами атомов, удерживающих их в этих «каналах» (рис.).… … Большая советская энциклопедия

Ускорение заряженных частиц в современных ускорителях происходит благодаря взаимодействию заряда частицы с внешним электромагнитным полем (см. Ускорители заряженных частиц). Эффективность ускорения, т. е. средняя энергия, сообщаемая… … Большая советская энциклопедия

Кристаллах, движение частиц вдоль «каналов», образованных параллельными друг другу рядами атомов. При этом частицы испытывают скользящие столкновения (импульс почти не меняется) с рядами атомов, удерживающих их в этих «каналах» (рис.). Если… … Большая советская энциклопедия

Медленное (по сравнению с тепловым движением) направленное движение заряженных частиц (электронов, ионов и т. д.) в среде под внешним воздействием, например электрических полей. * * * ДРЕЙФ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДРЕЙФ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, медленное (по … Энциклопедический словарь

Книги

Статическая и динамическая электронная оптика , Стэррок П. , В довольно обширной учебной литературе по электронной оптике небольшая книга Стэррока занимает особое место. Эта книга не для начинающих. В ней нет элементарных вводных глав; с самого начала… Категория:

Использование: ядерная техника, а именно разделение заряженных частиц по энергиям, например, на одной из стадий выделения изотопов из их естественной смеси. Сущность изобретения: предварительно осуществляют формирование смеси заряженных частиц путем ионизации, затем производят вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц. После этого проводят разделение заряженных частиц путем воздействия центробежной силой, действующей на заряженные частицы при их движении по дуговой траектории, и электрическим полем, а именно силовыми электрическими барьерами с уменьшающейся высотой каждого барьера в поперечном сечении в соответствии с возрастанием радиусов орбит высокоэнергетических заряженных частиц во время перехода с меньших орбит на большие, при замене одних барьеров другими, или при изменении формы барьеров, или при изменении положения электрических барьеров в зависимости от энергии разделяемых заряженных частиц. Технический результат: повышение селективности при разделении заряженных частиц по энергиям и сокращение расхода материалов на изготовление устройств, реализующих заявляемый способ, путем уменьшения длины зоны разделения заряженных частиц. 3 ил.

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования при разделении заряженных частиц по энергиям, например, на одной из стадий выделения изотопов из их естественной смеси. Ранее известные способы разделения заряженных частиц по энергиям разработаны в процессе поиска надежных способов разделения изотопов, способов реализации управляемого ядерного и термоядерного синтеза, способов формирования пучков заряженных частиц в ионно-пучковых и электронно-пучковых устройствах и управления пучками заряженных частиц в ускорительной технике. Известен способ разделения заряженных частиц по энергиям, включающий формирование смеси заряженных частиц путем ионизации, вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц, разделение заряженных частиц путем воздействия непрерывным электрическим полем и центробежной силой и прием разделенных заряженных частиц. Разделение заряженных частиц осуществляют путем воздействия электрической составляющей силы Лоренца непрерывного электростатического поля конденсатора и центробежной силой, действующей на разделяемые заряженные частицы при движении частиц по дуговой траектории [см. , например, А.В. Блинов. Ускорительная масс-спектрометрия космогенных нуклидов / Соросовский общеобразовательный журнал, 1999 г., 8, с. 71-75]. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) заявляемого изобретения является способ разделения заряженных частиц по энергиям, включающий формирование смеси заряженных частиц путем ионизации, вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц, разделение заряженных частиц путем воздействия непрерывным электрическим полем и центробежной силой и прием разделенных заряженных частиц. Разделение заряженных частиц производят путем воздействия электрической составляющей силы Лоренца непрерывного электрического поля в изогнутом цилиндрическом конденсаторе и центробежной силы, действующей на заряженные частицы при движении частиц по дуговой траектории [см. В.Т. Коган, А.К. Павлов, М.И. Савченко, О. Е. Добычин. Портативный масс-спектрометр для экспресс-анализа растворенных в воде веществ // Приборы и техника эксперимента, 1999, 4, с. 145-149]. Электрическая сила F, действующая на заряженную частицу с электрическим зарядом q, движущуюся со скоростью v в непрерывном электрическом поле напряженностью Е, определяется по формуле

Разделяемые заряженные частицы, имеющие равные массы и равные электрические заряды, двигаются в непрерывном электрическом поле по окружным орбитам, радиусы которых вычисляются из балансов действующих сил. Радиус R 1 орбиты высокоэнергетических заряженных частиц в непрерывном электрическом поле изогнутого конденсатора определяют по формуле:

Где m - масса одной высокоэнергетической или одной низкоэнергетической заряженной частицы,

E 1 - напряженность электрического поля в месте нахождения высокоэнергетической заряженной частицы при полете. Радиус R 2 орбиты низкоэнергетической заряженной частицы в непрерывном электрическом поле изогнутого конденсатора определяют по формуле:

Где m - масса одной низкоэнергетической или одной высокоэнергетической заряженной частицы,

E 2 - напряженность непрерывного электрического поля в месте нахождения низкоэнергетической заряженной частицы при полете. Для прохождения высокоэнергетической заряженной частицы по дуге окружной траектории с радиусом R 1 необходима полоса непрерывного электрического поля, изогнутость которой соответствует радиусу R 1 . Для прохождения низкоэнергетической заряженной частицы по дуге окружной траектории с радиусом R 2 необходима полоса непрерывного электрического поля, изогнутость которой соответствует радиусу R 2 . В итоге ширина изогнутой полосы непрерывного электрического поля должна быть такой, чтобы обе траектории укладывались в пределах непрерывного электрического поля. Разделенные в непрерывном электрическом поле частицы направляют для приема заряженных частиц или на следующую ступень разделения. Общим недостатком описанных способов разделения заряженных частиц по энергиям является низкая селективность разделения вследствие ограниченных возможностей расщепления пучков заряженных частиц в непрерывном электрическом поле. В непрерывном поле одновременно находятся все разделяемые заряженные частицы и поэтому изменением параметров этого поля невозможно избирательно воздействовать на моноэнергетические заряженные частицы. Использование описанных способов разделения заряженных частиц по энергиям в непрерывном электрическом поле не позволяет выполнять следующие операции по управлению траекториями заряженных частиц:

1. Закручивать по круговой орбите только пучок низкоэнергетических заряженных частиц, причем закручивать по такой круговой орбите, когда радиус орбиты низкоэнергетических заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути легких заряженных частиц в электрическом поле, а положением электрического поля в пространстве при достаточной величине электрического поля. Высокоэнергетические заряженные частицы при этом продолжают полет в исходном направлении, т.е. практически по прямолинейной траектории;

2. Закручивать пучки низкоэнергетических и высокоэнергетических заряженных частиц по таким различным круговым орбитам, когда достигнутое расщепление одного пучка на несколько пучков заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути заряженных частиц, а положением участков электрического поля при достаточной величине участков электрического поля;

3. Закручивать пучки низкоэнергетических и высокоэнергетических заряженных частиц по такой единой круговой орбите, когда радиус единой орбиты смеси заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути заряженных частиц, а положением электрического поля в пространстве при достаточной величине электрического поля;

12. Осуществлять максимальное расщепление пучков заряженных частиц на минимальной длине зоны разделения пучков. Общим недостатком описанных способов разделения заряженных частиц по энергиям также является большая протяженность зоны разделения заряженных частиц из-за медленного расщепления пучков заряженных частиц, приводящая в конечном счете к необходимости изготавливать крупногабаритные устройства для разделения заряженных частиц по энергиям. Сущность изобретения заключается в том, что в способе разделения заряженных частиц по энергиям, включающем формирование смеси заряженных частиц путем ионизации, вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц, разделение заряженных частиц путем воздействия электрическим полем и центробежной силой, действующей на заряженные частицы при их движении по дуговой траектории, и прием разделенных заряженных частиц, разделение заряженных частиц производят путем воздействия силовых электрических барьеров с уменьшающейся высотой каждого барьера в поперечном сечении в соответствии с возрастанием радиусов орбит высокоэнергетических заряженных частиц во время перехода с меньших орбит на большие, при замене одних барьеров другими, или при изменении формы барьеров, или при изменении положения электрических барьеров в зависимости от энергии разделяемых заряженных частиц. Техническим результатом является повышение селективности при разделении заряженных частиц по энергиям и уменьшение длины зоны разделения заряженных частиц, приводящее к снижению размеров устройств для разделения заряженных частиц по энергиям, реализующих заявляемый способ, следовательно, к сокращению расхода материалов на изготовление этих устройств. Повышение селективности при разделении заряженных частиц обеспечивается с помощью силовых электрических барьеров вследствие увеличения возможностей расщепления пучков заряженных частиц, так как способность заряженных частиц преодолеть электрический барьер зависит от их энергии. Изменение параметров электрических барьеров (уменьшение высоты барьера в поперечном сечении в соответствии с возрастанием радиусов орбит высокоэнергетических заряженных частиц во время перехода с меньших орбит на большие) дает возможность избирательно воздействовать на моноэнергетические заряженные частицы и позволяет для сепарации веществ проводить многие ранее невозможные операции по управлению траекториями заряженных частиц во время полета частиц в электрическом поле, а именно:

1. Закручивать по круговой орбите только пучок низкоэнергетических заряженных частиц, причем закручивать по такой круговой орбите, когда радиус орбиты низкоэнергетических заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути легких заряженных частиц в электрическом поле, а положением электрического барьера в пространстве, при достаточной величине электрического барьера. Высокоэнергетические заряженные частицы при этом продолжают полет в исходном направлении, т.е. практически по прямолинейной траектории;

2. Закручивать пучки низкоэнергетических и высокоэнергетических заряженных частиц по таким различным круговым орбитам, когда достигнутое расщепление одного пучка на несколько пучков заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути заряженных частиц, а положением расщепленных электрических барьеров при достаточной величине каждого из электрических барьеров;

3. Закручивать пучки низкоэнергетических и высокоэнергетических заряженных частиц по такой единой круговой орбите, когда радиус единой орбиты смеси заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути заряженных частиц, а положением электрического барьера в пространстве при достаточной величине электрического барьера;

4. Отпускать пучок высокоэнергетических заряженных частиц с круговой орбиты, общей с орбитой низкоэнергетических заряженных частиц, на первоначально направленную прямолинейную траекторию, оставляя пучок низкоэнергетических заряженных частиц на прежней круговой орбите;

5. Отпускать пучок высокоэнергетических заряженных частиц с круговой орбиты, общей с орбитой низкоэнергетических заряженных частиц, на другую круговую орбиту, оставляя пучок низкоэнергетических заряженных частиц на прежней круговой орбите;

6. Отпускать оба пучка заряженных частиц в любой точке орбиты с единой круговой орбиты на единую прямолинейную траекторию;

7. Отпускать оба пучка заряженных частиц с единой круговой орбиты на различные прямолинейные траектории;

8. Отпускать пучок высокоэнергетических заряженных частиц в любой точке с круговой орбиты, отдельной от орбиты низкоэнергетических заряженных частиц, на прямолинейную траекторию, оставляя пучок низкоэнергетических заряженных частиц на круговой орбите;

9. Отпускать оба пучка заряженных частиц с различных круговых орбит на различные прямолинейные траектории;

10. Отпускать оба пучка заряженных частиц с различных круговых орбит на единую прямолинейную траекторию;

12. Осуществлять максимальное расщепление пучков заряженных частиц на минимальной длине зоны разделения пучков. Уменьшение длины зоны разделения заряженных частиц достигается вследствие того, что предлагаемый способ позволяет производить максимальное расщепление пучков заряженных частиц на минимальной длине. Максимальное расщепление на малой длине зоны разделения получено потому, что уменьшающаяся высота электрического барьера в его поперечном сечении позволяет высокоэнергетическим заряженным частицам пролетать через барьер без изменения своего направления движения и в то же время позволяет барьеру избирательно захватывать и выводить на круговую траекторию только низкоэнергетические частицы. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображены график зависимости 1 центробежной силы, действующей на заряженные частицы, от радиуса круговой орбиты высокоэнергетических заряженных частиц с равными массами, график зависимости 2 центробежной силы, действующей на заряженные частицы, от радиуса круговой орбиты низкоэнергетических заряженных частиц с равными массами и график зависимости 3 электрической силы Лоренца, действующей на заряженные частицы с равными массами и равными зарядами в электрическом поле, от радиуса круговой орбиты заряженных частиц. На фиг.2 изображен график зависимости 4 центробежной силы, действующей на заряженные частицы, от радиуса круговой орбиты высокоэнергетических заряженных частиц, график зависимости 5 центробежной силы, действующей на заряженные частицы, от радиуса круговой орбиты низкоэнергетических заряженных частиц и график зависимости 6 электрической силы Лоренца, действующей на заряженные частицы с равными массами и равными зарядами в электрическом поле, от радиуса круговой орбиты заряженных частиц с электрическими барьерами 7, 8. На фиг.3 изображен электрический барьер 7 и электрический барьер 8, траектория 9 преодолевших оба барьера 7, 8 высокоэнергетических заряженных частиц, траектория 10 низкоэнергетических заряженных частиц вдоль электрического барьера 7, траектория 11 высокоэнергетических заряженных частиц вдоль электрического барьера 8. Способ разделения заряженных частиц по энергиям осуществляют следующим образом. Предварительно осуществляют формирование смеси заряженных частиц путем ионизации, затем производят вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц, после чего проводят разделение заряженных частиц путем воздействия электрическим полем и центробежной силой. Для разделения заряженных частиц по энергиям используют электрическое поле, имеющее особую топографию. Особенностью топографии электрического поля для разделения заряженных частиц является наличие силовых электрических барьеров. Электрическими барьерами являются повышенные значения напряженности электрического поля в протяженных областях пространства. Разделение заряженных частиц по энергиям производят путем воздействия электрических барьеров электрического поля, изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц, и центробежной силой, действующей на заряженные частицы при их движении по дуговой траектории. Разделение заряженных частиц осуществляют во время их полета в электрическом поле путем воздействия силовых электрических барьеров с уменьшающейся высотой каждого барьера в поперечном сечении в соответствии с возрастанием радиусов орбит высокоэнергетических заряженных частиц во время перехода с меньших орбит на большие. Разделяемые по энергиям заряженные частицы направляют касательно к вогнутой стороне электрического барьера. Разделение заряженных частиц электрическими барьерами электрического поля производят при определенном взаимном положении электрических барьеров и при определенной форме электрических барьеров. Разделение заряженных частиц по энергиям электрическими барьерами электрического поля производят сменой барьеров, изменением формы барьеров, изменением положения барьеров при последующем сохранении определенного взаимного положения электрических барьеров и определенной формы электрических барьеров. Электрические барьеры электрического поля получают протяженными вдоль траекторий заряженных частиц. Высоту, ширину и длину электрического барьера выбирают достаточными для удержания заряженных частиц на круговой орбите. Заряженные частицы вынуждены перемещаться вдоль тех электрических барьеров, которые оказываются на их пути. Необходимое расщепление одного пучка заряженных частиц на два пучка определяется не только величиной напряженности поперечного электрического поля на пути заряженных частиц, но и положением расщепленных электрических барьеров в пространстве при достаточной величине напряженности электрического поля и величине электрических силовых барьеров и при соответствующих формах электрических силовых барьеров. Форма электрического силового барьера должна быть такой, чтобы к началу схода высокоэнергетических заряженных частиц с круговой орбиты выполнялось условие:

Где R E - радиус изгиба электрического барьера,

M - масса одной высокоэнергетической или одной низкоэнергетической заряженной частицы,

E r - напряженность электрического поля, соответствующая наибольшей высоте электрического барьера. Радиус орбиты смеси заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути заряженных частиц, а положением электрического барьера в пространстве при достаточной величине электрического барьера. Для полной реализации возможностей электрических барьеров при корректировке движения частиц по траектории и при разделении N числа заряженных частиц требуется N электрических барьеров электрического поля. Для разделения N числа заряженных частиц можно использовать (N-1) электрических барьеров, но в этом случае пучок наиболее высокоэнергетических заряженных частиц приходится отпустить на прямолинейную траекторию. При этом возможность управления пучками заряженных частиц сохраняется. Для разделения заряженных частиц по энергиям необходимо воздействие электрическим барьером, высота которого уменьшается в радиальном направлении от центра круговой орбиты частицы. Крутизна уменьшения высоты электрического барьера в его поперечном сечении связана с крутизной уменьшения центробежной силы, действующей на частицу большей энергии в момент перехода частицы на большую орбиту. Зависимость высоты электрического барьера в его поперечном сечении от радиуса орбиты заряженной частицы во время перехода заряженной частицы с меньшей орбиты на большую совпадает с зависимостью центробежной силы от радиуса орбиты заряженной частицы во время перехода заряженной частицы с меньшей орбиты на большую. Каждый из расщепленных электрических барьеров имеет по всей длине постоянную высоту при постоянном радиусе изгиба электрического барьера. Для разделения заряженных частиц по энергиям с помощью только одного электрического барьера используют также такой электрический барьер, который имеет по ходу частиц уменьшающуюся вдоль электрического барьера высоту при постоянном радиусе изгиба электрического барьера. Для разделения заряженных частиц по энергиям применяют также электрический барьер, имеющий постоянную высоту по всей длине барьера при уменьшающемся в направлении полета частиц радиусе изгиба электрического барьера. Разделение бинарной смеси заряженных частиц осуществляют с помощью одного протяженного в пространстве электрического барьера. Поперечное сечение электрического барьера на фиг.1 изображено в виде пика зависимости 3 электрической составляющей силы Лоренца от радиуса орбиты заряженных частиц. Сила F, действующая на заряженную частицу с электрическим зарядом q, движущуюся со скоростью v в электрическом поле, зависит от напряженности электрического поля Е. При этом разделяемые по энергиям электрическими барьерами заряженные частицы двигаются следующим образом. В непрерывном электрическом поле при использовании способа-прототипа заряженная частица движется по окружности, радиус которой вычисляется из баланса действующих сил. Но расположив изогнутую по дуге локальную протяженную область электрического поля на пути заряженных частиц и повысив значение напряженности электрического поля по сравнению с расчетной для непрерывного электрического поля, при использовании заявляемого способа создают для заряженной частицы электрический барьер. Сместив в сторону от прямой траектории заряженных частиц начальную область протяженного в пространстве изогнутого электрического барьера, направляют разделяемые заряженные частицы уже не в непрерывное поле, как это делалось в способе-прототипе, а касательно к вогнутой стороне электрического барьера. Расположив вогнутую сторону электрического барьера под углом к прямой траектории полета заряженных частиц, при использовании заявляемого способа создают физические условия, при которых заряженная частица изменит направление своего движения. При подходе разделяемых заряженных частиц к вогнутой стороне высокого электрического барьера заряженные частицы по мере роста напряженности электрического поля меняют направление своего движения и в дальнейшем летят по дуговой траектории вдоль вогнутой стороны электрического барьера. Таким образом, при напряженности электрического поля, заведомо удовлетворяющей неравенству

Все заряженные частицы, имеющие равные массы и равные заряды, будут перемещаться вдоль электрического барьера. Радиус орбиты заряженных частиц в заявляемом способе разделения определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути заряженных частиц в электрическом поле, а положением электрического барьера в пространстве при достаточной величине электрического барьера. На фиг.1 показано, что при определенной строго выдержанной форме электрического барьера и при условии, что

Низкоэнергетические заряженные частицы остаются на круговой орбите, а высокоэнергетические частицы сходят с круговой орбиты и следуют по исходной прямолинейной траектории. Радиус орбиты низкоэнергетических заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути легких заряженных частиц в электрическом поле, а положением электрического барьера в пространстве при достаточной величине электрического барьера. Принцип разделения заряженных частиц с помощью двух электрических барьеров поясняется фиг. 2. Поперечное сечение двух электрических барьеров 7, 8 электрического поля изображается в виде чередующихся пиков и провалов на зависимости 6 электрической составляющей силы Лоренца от радиуса R орбиты заряженных частиц. Каждый максимум напряженности Е электрического поля дает максимум электрической составляющей силы Лоренца F=qE для равнозаряженных разделяемых частиц. При разделении заряженных частиц электрическими барьерами для каждого пучка моноэнергетических заряженных частиц имеется свой график зависимости центробежной силы от радиуса мгновенной орбиты. Электрическая сила Лоренца, действующая на разделяемые по энергиям одинаково заряженные частицы, описывается одним общим для всех заряженных частиц графиком 6. Так, на фиг.2 представлен график 6 электрической силы Лоренца, пропорциональной напряженности, при котором на малых орбитах вдоль электрического барьера 7 можно оставить пучок низкоэнергетических и высокоэнергетических заряженных частиц или оставить только пучок низкоэнергетических заряженных частиц. На больших орбитах вдоль электрического барьера 8 можно оставить пучок высокоэнергетических заряженных частиц, или оставить пучок низкоэнергетических заряженных частиц, или оставить оба пучка. При строго выдержанной форме электрического барьера 7 имеются условия, при которых низкоэнергетические заряженные частицы остаются на круговой орбите, а высокоэнергетические частицы сходят с круговой орбиты, расположенной вдоль электрического барьера 7, и следуют по круговой орбите вдоль электрического барьера 8. На фиг. 2 показано распределение двух разделенных заряженных частиц по двум электрическим барьерам 7, 8. При строго выдержанной форме электрического барьера 8 имеются условия, при которых высокоэнергетические заряженные частицы сходят с расположенной вдоль электрического барьера 8 круговой орбиты и следуют по прямолинейной траектории. Условие исхода высокоэнергетических частиц с прежней круговой траектории состоит в соблюдении неравенства (7)

На фиг. 3 пунктиром показаны два электрических барьера 7, 8. Траектории 9, 10, 11 заряженных частиц при разделении частиц по энергиям с помощью двух электрических барьеров 7, 8 показаны на фиг.3 сплошной линией. Траектории орбит 10, 11 заряженных частиц определяются не величиной напряженности электрического поля на пути заряженных частиц, а величиной электрических барьеров 7, 8 и положением электрических барьеров 7, 8 в пространстве при достаточной величине электрических барьеров 7, 8. После разделения заряженных частиц по энергиям осуществляют прием заряженных частиц. В предлагаемом способе, во-первых, непрерывное электрическое поле заменено на электрические барьеры, то есть на систему локальных протяженных изогнутых по траекториям заряженных частиц электрических полей; во-вторых, повышен уровень напряженности электрического поля и, в-третьих, сформирован гребень электрического барьера, удовлетворяющий условию исхода высокоэнергетических частиц с прежней круговой траектории, совместной с траекторией низкоэнергетических заряженных частиц, на другую окружную или прямолинейную траекторию. Важнейшей особенностью способа разделения заряженных частиц по энергиям электрическим барьером является возможность закрутить по круговой орбите только низкоэнергетические заряженные частицы, не изменяя прямолинейную траекторию высокоэнергетических заряженных частиц. Расщепление V пучков заряженных частиц в этом случае максимально и равно:

1. Решение физической проблемы избирательного захвата электрическим полем моноэнергетических заряженных частиц из пучка смеси равнозаряженных частиц. 2. Повышение селективности и уменьшение длины зоны разделения заряженных частиц по энергиям. 3. Создание основы новых исходных данных для теоретических и экспериментальных прикладных задач по применению электрических барьеров во многих областях ядерной физики, электроники и ионной техники. 4. Выполнение параллельного решения экологических проблем по части рационального использования природных ресурсов и проблем разделения веществ в электрических и электромагнитных полях. 5. Осуществление экологически безопасного разделения веществ на основе технологии формирования электрического барьера. Экологические проблемы с применением способа решаются следующим образом:

1. Уменьшаются габариты устройств для разделения заряженных частиц, что позволяет размещать производство на наименьших площадях. 2. Уменьшается количество материалов, затрачиваемых на изготовление малогабаритных устройств для разделения веществ, т.е. рационально используются природные ресурсы.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ разделения заряженных частиц по энергиям, включающий формирование смеси заряженных частиц путем ионизации, вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц, разделение заряженных частиц путем воздействия электрическим полем и центробежной силой, действующей на заряженные частицы при их движении по дуговой траектории, и прием разделенных заряженных частиц, отличающийся тем, что разделение заряженных частиц производят путем воздействия силовых электрических барьеров с уменьшающейся высотой каждого барьера в поперечном сечении в соответствии с возрастанием радиусов орбит высокоэнергетических заряженных частиц во время перехода с меньших орбит на большие, при замене одних барьеров другими, или при изменении формы барьеров, или при изменении положения электрических барьеров в зависимости от энергии разделяемых заряженных частиц.

/ Заряженные частицы. Древнегреческий миф или современная реальность?

ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ.
ДРЕВНЕГРЕЧЕСКИЙ МИФ ИЛИ СОВРЕМЕННАЯ РЕАЛЬНОСТЬ?

Большинство современных научных теорий в той или иной степени связываются, или уже давно и крепко связаны, с идеями о существовании заряженных частиц. Эти идеи настолько прочно обосновались в умах научного мира, что не наблюдается в мировой прессе ни одной аргументированной и доказательной попытки с какой-то другой позиции истолковать и понять причины возникновения сил взаимодействия на расстоянии. В Интернете и в частной прессе есть достаточно много высказываний по поводу сомнений в существовании электронов, но и не предлагается никаких других версий, объясняющих возникновения сил взаимодействия.

До сих пор одним из самых применяемых и надёжных инструментов в познании микромира является камера Вильсона, изобретённая почти сто лет назад. По наблюдениям за процессами, происходящими как в этой камере, так и в других подобных установках, сделаны и делаются основные выводы об устройстве микромира, об энергиях, массах и скоростях микрочастиц, создана теория устройства атомов.

В этой статье предлагается с несколько других позиций посмотреть на процессы, происходящие в камерах за наблюдением заряженных частиц, и создать некоторые предпосылки для частичного переосмысления наших устоявшихся взглядов на устройство микромира.

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕКОВ В КАМЕРАХ ЗА НАБЛЮДЕНИЕМ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Краткое описание физических процессов по образованию видимых следов-треков, происходящих в камере Вильсона, возьмём из описания в учебнике для старших классов средней школы. Это краткое и вполне доступное для понимания толкование образования треков закладывается в наше сознание в юном возрасте и в дальнейшем к нему больше научная пресса не возвращается.

«Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению. При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под поршнем, газ в камере адиабатически расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение и пар становится пересыщенным. Если частица проникает в камеру непосредственно перед расширением или сразу после него, то ионы, которые она образует, будут действовать как центры конденсации. Возникающие на них капельки воды образуют след пролетевшей частицы-трека. Затем камера возвращается в исходное состояние и особое „очищающее“ поле удаляет ионы».

Вот такая удивительно простая и доступная для широкого читателя картина образования треков из заряженных частиц-ионов представляется всем нам.

Когда формировались такие взгляды на образование треков, то в науке ещё ничего не знали об устройстве атомов и количественных оценках частиц, входящих в эти атомы. На сегодняшний день достаточно точно, как считается, известны размеры ядер атомов, размеры самих атомов и электронов. С учётом этих размеров и попытаемся оценить правильность наших суждений о предлагаемых условиях возникновения треков.

Размер ядер атомов оценивается в 10 -12 см, усреднённый размер самих атомов равен приблизительно 10 -8 см. Видимый диаметр трека составляет ориентировочно около одного миллиметра, то есть 10 -1 см. Сравнивая размеры самого ядра с поперечными размерами трека, нетрудно заметить, что соотношения этих величин составляет одиннадцать десятичных разрядов.

Теория устройства атома утверждает, что энергетическая зона действия ядра, как заряженной частицы, не может превышать размера атома, так как атом является электрически нейтральным образованием. Если такое условие считать верным, то становиться совершенно непонятными два момента в процессе образования трека:

Во-первых, каким образом пролетающая частица может из молекул воды образовывать ионы на таком громадном от себя расстоянии?

Во-вторых, какой физический процесс происходит при образовании ионов?

Допустим, что летящая с очень большой скоростью (около 0,15 от скорости света) частица является ядром атома урана. Ядро урана имеет строго определённый положительный заряд, и, скорее всего, должно образовать настолько же строго определённое количество заряженных ионов. Можно предположить, на первый случай, что положительно заряженная частица выбивает из молекулы воды один электрон, который должен или присоединиться к частице, или куда-то улететь. Если частица захватила электрон, то она может образовать столько ионов воды, каков её заряд, то есть 238. Но в любом треке находится десятки и сотни миллиардов молекул воды, при самых скромных расчётах. Получается, что энергетическая мощность заряженной частицы по образованию ионов практически безгранична? Если образование ионов пролетающей частицей происходит на каких-то других физических законах, то необходимо этот очень важный момент объяснить.

В камере Вильсона была открыта и самая маленькая, отрицательно заряженная, частица, электрон. Каким образом электрон может создать хотя бы из одной молекулы воды ион, представляет ещё больший интерес. Если электрон внедрился в молекулу воды, то получится только один отрицательно заряженный ион. Но ведь этот электрон оставил после своего полёта также большое количество ионов.

Не менее интересен и сам предлагаемый процесс конденсации водяного пара, который осуществляется возникающими ионами. По каким законам физики заряженная частица вызывает конденсацию водяного пара?

До сих пор в учении о преобразовании воды из одного агрегатного состояния в другое предлагались только влияния на пары воды факторов тепла. Эти факторы известны уже многие сотни лет, и говорят они о том, что если водяные пары, растворённые в воздухе, заставить выпасть в туман, то нужно данный объём воздуха охладить, что и делается в камере при резком опускании поршня. Но поршень должен опускаться только до того момента, когда понижение температуры в камере не должно достигнуть точки выпадения росы, а быть близким к этой точке. В противном случае выпавший туман не позволит наблюдать возникающие треки. Концентрация молекул воды в мелкие капли уже происходит, но эти капли не препятствуют ещё прозрачности камеры.

Дальнейшая конденсация водяного пара под действием возникающих ионов, как это преподносится в описании образования треков, совершенно непонятный и неоправданный технический процесс. Согласно действующим законам классической физики, чтобы добиться образования тумана в зоне трека, необходимо дальнейшее охлаждение смеси воздуха и паров воды в этой зоне. Но что же может принести сюда этот холод? Сама пролетающая частица с такой громадной скоростью не может в принципе охлаждать зону трека, как из-за незначительного времени взаимодействия с любой из молекул воды, так и по причине того, что её температура может только намного превосходить температуру самой камеры. Так как атомные реакции проходят всегда с большим выделением тепла, то и вылетевшая из этой среды частица должна иметь намного более высокую температуру относительно температуры камеры.

Конденсацию водяного пара возникающими ионами в зоне трека нельзя объяснять такими примитивными и бездоказательными предположениями. Если такие физические процессы действительно могут происходить в природе, то их обязательно необходимо подтверждать другими опытами и более углублёнными доказательствами. Так есть ли такие доказательства?

Ни образованием ионов, ни конденсацией водяного пара на образованных ионах объяснить происхождение треков с такой поверхностной, далеко не научной, аргументацией, невозможно.

Но есть ещё и третий, может быть самый важный фактор образования треков, это возникающее свечение самих треков. Отчего водяной пар в зоне трека начинает излучать свет?

Допустим, что ионы всё же образовываются и начинают светиться. Но в этом случае необходимо обосновать, почему только в камерах за наблюдением заряженных частиц ионы излучают свет. Многие физические и химические процессы объясняются возникновением заряженных образований, но нигде не отмечается, что эти образования светятся. И в этом случае обоснованных доказательств нет.

Итогом проведённых рассуждений можно считать тот факт, что ни одним из предложенных объяснений возникновения треков в камерах за наблюдением заряженных частиц удовлетвориться невозможно. Все предложенные обоснования возникающих треков возникли в умах исследователей потому, что треки начинают взаимодействовать с магнитными и электрическими полями, а наше современное человеческое мышление работает только в одном направлении: начинаются поиски заряженных частиц, зарядов и заряженных образований. Выработать же другие представления о процессах, происходящих в различных камерах за наблюдением частиц, можно только в том случае, если мы сможем несколько изменить наши установившиеся мнения об окружающем мире.

Возникновение треков намного проще можно обосновать, сделав одно существенное допущение: радиоактивные препараты при атомных реакциях выбрасывают в окружающее пространство только излучения различной частоты и мощности, доступные для наблюдений. Ни о каких выбрасываемых заряженных частицах речь пока идти не может. Понятно, что такое предположение может показаться слишком примитивным, и всё же попытаемся рассмотреть процессы образования треков именно с этой позиции.

Опускание поршня в камере Вильсона приводит к состоянию, близкому к состоянию выпадения тумана, но конденсация мелких капель воды или спирта уже происходит. Узконаправленное частотное излучение с радиоактивного препарата возбуждает образовавшиеся мелкодисперсные капли конденсата на видимой глазом частоте, отчего и наблюдается светящийся трек. Точно на таких же природных принципах происходит и свечение различных фосфорных соединений, люминофоров, когда белый свет попадает на поверхности этих тел и заставляет их излучать световые потоки видимых частот. В этих случаях действует один универсальный закон, закон преобразования одних видов энергии в другие виды. Для возбуждения энергии какой-то частоты в любом физическом теле необходимо, чтобы частотный спектр тела содержал эту частоту.

Реагенты всех камер начинают излучать свет тогда, когда частота излучения равна или кратна частоте возбуждения реагента. При равенстве частот излучения и возбуждения материальных тел происходит наибольшее поглощение энергии излучения. Это резонансные взаимодействия излучателя энергии с потребителем.

Радиоактивные вещества излучают не только те частоты, которые можно наблюдать в этих камерах. Частоты излучений, неспособные возбудить любые реагенты камер (пары воды, спирта и др.) на видимой частоте, являются также обычными частотными излучениями, но пока называются полетами частиц под названием «нейтрино».

На все живые организмы радиоактивные излучения действуют в основном негативно, точно так же, как и рентгеновские излучения, и ультрафиолетовые. Но всё это частотные излучения, без всяких полётов частиц с большими скоростями. Частицы служат лишь упругой средой, в которой происходит передача волновой частотной энергии. Как при передаче звуковой энергии из одной точки пространства в другую масса из частиц воздуха является только посредником, так и при передаче других частотных энергий некая упругая среда из каких-то других частиц обеспечивает перемещение этих энергий.

Изобретение современной модели устройства атома происходило по мере изучения процессов в микромире не только при помощи камер за наблюдением микрочастиц, но и при помощи других приспособлений. Так Резерфорд при помощи изобретённого им устройства исследовал поведение положительно заряженных альфа-частиц по световым сцинтилляциям на экране при помощи микроскопа. На эти опыты и выводы из них предлагается обратить также особое внимание.

ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА

Изобретение планетарной модели атома является одним из самых значительных открытий теоретической физики двадцатого столетия. На предполагаемом действии этой модели основаны целые теоретические науки, особенно квантовая механика. Поэтому интересно посмотреть и на процессы, происходящие в устройстве Резерфорда, с несколько других, более критических, позиций.

В том же учебнике по физике об опытах Резерфорда сказано: «Испускаемый радиоактивным препаратом пучок альфа-частиц выделялся диафрагмой и после этого падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (золото, медь и др.)». Вот такой, довольно узкий, перечень исследованных материалов нам предлагается, без указания, что же имеется в виду под примечанием «и др.». В данном случае это достаточно важно, так как в этом же учебнике, но в другом разделе сказано: «Наименьшей проникающей способностью обладают альфа-лучи. Слой бумаги около 0,1мм для них уже непрозрачен».

На опытах с использованием тонкой золотой пластинки в качестве преграды для прохождения альфа-частиц Резерфордом и были сделаны выводы о планетарной модели устройства атомов. Притом выводы эти были сделаны на все без исключения элементы периодической системы. Невозможно допустить, что он мог не знать о почти полном непрохождении этих лучей через тонкий слой бумаги.

Все химические элементы состава бумаги имеют точно такую же планетарную структуру, как и золото, но пропускать быстролетящие частицы через себя они не могут. Чем можно объяснить такую беспомощность альфа-лучей в преодолении обычной бумаги?

Допустим, что альфа-лучи являются действительно альфа-частицами, которые Резерфорд называл даже альфа-снарядами. Эти частицы достаточно свободно преодолевают тонкую пластинку из золота с редкими отклонениями от прямого пути.

Физикам хорошо известно, что наибольшее препятствие для прохождения всех радиационных излучений оказывает свинец, металл, который очень близко расположен к золоту в периодической системе элементов Менделеева. Атомный вес золота составляет 196, а свинца 207, порядковый номер золота равен 79, свинца 82. По этим показателям можно смело предполагать, что если вместо золотой пластинки в устройство Резерфорда поместить пластинку из свинца точно таких же размеров, то через свинец альфа-частицы должны проникать точно с такими же показателями, как и через золото. Так почему бы с настоящее время не повторить опыты по преодолению альфа-частицами пластинок и из свинца, и окончательно доказать планетарное устройство атомов? Если же свинец не станет пропускать через себя эти предполагаемые частицы, как и бумага, то это совсем не частицы, и вопрос об устройстве атомов окажется полностью открытым.

Вызывает удивление сам метод появления мирового открытия, когда одним исследователем при работе только с одним материалом удалось очаровать весь научный мир своими выводами, и распространить эти выводы на все остальные химические элементы, а значит и материалы. Ведь Резерфорд работал только с золотом. Опыты с медью и некоторыми другими материалами проводились намного позже. Почему же опыты по преодолению альфа-частицами золота не проводились со многими другими элементами и материалами, особенно с бумагой и свинцом?

Допустим, что атомный мир действительно подобен устройству солнечной системы, но тогда через огромные пространства между ядрами и электронами световые фотоны должны проникать без всяких препятствий, то есть быть прозрачными для света! Но ведь это парадокс.

С точки зрения возможности прохождения альфа-частиц через различные среды вызывает интерес преодоление этими частицами и стекла. Ведь может оказаться, что стекло поведёт себя так же, как и бумага.

В итоге проведённых рассуждений достаточно просто можно прийти к выводу, что никаких летающих с большими скоростями альфа-частиц не существует, а есть волновые альфа-излучения определённой частоты. Эти излучения достаточно свободно преодолевают некоторые вещества по тем же причинам, по каким и световые лучи преодолевают многие материальные среды (стекло, вода, алмазы).

Стекло создаётся из непрозрачных для света компонентов, но как только эти компоненты объединяются по определённой технологии в стекло, то свет свободно проникает через эту преграду. С технической точки зрения объяснить такое явление можно тем, что образованные молекулы стекольной массы приобрели другие спектральные характеристики относительно исходных компонентов. Частота света равна или кратна основной резонансной частоте возбуждения стекла, отчего световые волны достаточно свободно преодолевают эту твёрдую преграду. Но как бы тщательно не обрабатывались оптические материалы, незначительные световые потоки всегда отражаются от поверхности стекла и преломляются под какими-то углами. Альфа-лучи ведут себя точно так же, преодолевая препятствия из золота, меди и некоторых других веществ или материалов.

Уважаемые читатели, если предлагаемые выше рассуждения заставят вас задуматься и посомневаться в правильности наших современных представлений об устройстве микромира, то это самый прямой путь к переосмыслению некоторых устоев современной науки. В первую очередь необходимо понять, почему при анализе причин появления треков, при анализе причин преодоления радиационными излучениями отдельных материалов учёными в прошлом веке принимались такие, достаточно неоправданные, решения. Основной причиной таких физически неоправданных решений можно считать только то обстоятельство, что наше человеческое сознание находится под властью мифа о существовании заряженных частиц. Древние греки дали нам простую идею для понимания возникновения сил взаимодействия на расстоянии наэлектризованных тел, и эту идею наука эксплуатирует около трёхсот лет без всякого стремления изобрести что-то более похожее на истину. Может быть, нашему поколению нужно почаще вспоминать, что древние греки были самыми изобретательными создателями большого количества разных мифов, но ведь мы им не совсем верим.

За прошедшие века своего развития теория заряженных частиц обросла огромным математическим багажом. С каждым присвоением одному только электрону всё новых и новых качеств, неизмеримо растёт и математический аппарат, призванный оправдывать эти качества. Электрон летает с одного тела на другое, вертится вокруг собственной оси и вокруг ядра, является одновременно и частицей и волной, но никто ещё в самых общих чертах не объяснил, почему эта уникальная частица отталкивается от себе подобных, и притягивается к положительно заряженным частицам.

Из истории развития науки видно, что человеческое мышление стремится объяснить многие непонятные физические явления первоначально с помощью каких-либо материальных частиц. Процессы передачи тепла, процессы горения многие годы объяснялись действиями различных частиц, так, может быть, и на процессы взаимодействия тел на расстоянии пришло время посмотреть совсем с других позиций?

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Электрические взаимодействия тел приписаны существованию в природных элементах заряженных частиц, которые и обладают какими-то необъяснимыми до сих пор возможностями к притяжению и отталкиванию друг от друга. Причины магнитных взаимодействий объясняются присутствием в телах тех же электронов. Вращение электрона вокруг собственной оси превращает эту универсальную по своим возможностям частицу в элементарный магнитный диполь, но и здесь также непонятно, каким же образом эти диполи воздействуют друг на друга. Такие теоретические рассуждения могут претендовать на реальность существования только тогда, когда будут обоснованы физические причины взаимодействий заряженных частиц. Пока же это дольно слабая научная гипотеза.

Рассмотрим некоторые физические явления, связанные с получением так называемого статического электричества, которые предлагаются учебниками для средних учебных заведений. Наиболее простой и доступный метод получения статического электричества возникает при трении двух определённых материалов друг о друга. Эти материалы всегда должны обладать хорошими изоляционными качествами и иметь аморфную структуру тела. В качестве доступных материалов для иллюстрации возникновения статического электричества в большинстве школьных учебников берутся пластмассовые расчёски и волосы учеников. В этих учебниках утверждается, что при трении расчёски о волосы «незначительная часть» электронов перейдёт из волос на расчёску и зарядит её отрицательным зарядом. Всё очень просто и оригинально, но это слишком обманчивая простота.

Из того же курса физики известно, что атом представляет собой очень устойчивую структуру, которую не способны разрушить ни большие земные давления, ни высокие температуры, а вот лёгкое прикосновение расчёски к волосам по существу привело к разрушению этой структуры атома. Потеря одного электрона, притом валентного, обязательно должно привести к изменению химических и физических свойств молекулы, в которую входит данный атом. Таких молекул может быть не «незначительная часть», а очень даже значительная. Поэтому остановимся на анализе ещё одного школьного опыта.

Электростатическая машина с ручным приводом знакома всем школьникам. Вращение рукоятки этой машины через редуктор передаётся на вращение диска из органического стекла. С диском соприкасаются тонкие листочки из станиоля или бумаги. Силы трения листочков о вращающийся диск и создаёт эффект возникновения электрического напряжения, от которого и заряжается конденсатор, так называемая лейденская банка. Энергия заряда конденсатора может достигать одного Кулона, что составляет 1024 электрон-вольт. Получается, что такое же количество электронов возникло от трения листочков бумаги о вращающийся диск, которые через проводники перебрались на одну из обкладок конденсатора. Как видим, количество возникших электронов от такого трения никак нельзя назвать «незначительная часть».

Трущиеся части листочков бумаги о поверхность диска, с учётом толщины листочков, составляют примерно около одного кубического сантиметра. Условно примем, что число молекул в этом объёме бумаги равно числу молекул воды такого же объёма, и это будет также 1024, так как размер одной молекулы воды принимается равным приблизительно в 10-8см. На самом деле размер одной молекулы бумаги значительно больше размера одной молекулы воды.

В итоге проделанных простейших расчетов и допущений получаем, что каждая молекула бумаги должна потерять, как минимум, по одному электрону, чтобы обеспечить величину заряда конденсатора в один Кулон. Но вопреки этому, никаких своих физических качеств бумага не теряет и ничего не приобретает.

Эффект от проведённых рассуждений можно намного усилить, если допустить возможность некоторой модернизации самой машины. Можно без всякого ущерба для функционирования машины сделать подсоединения конденсатора через разъёмное соединение. Зарядили один конденсатор, отсоединили от машины, поставили следующий, и так далее. Каждый раз величину заряда на каждом конденсаторе контролировать. Величина общей суммы упорхнувших с листочков бумаги электронов достигнет астрономического числа. Заряжать очередные конденсаторы можно до полного износа бумажных листочков, то есть до превращения их трущихся поверхностей в пыль. В конце такого эксперимента останется задать себе вопрос о происхождении такого количества электронов. Все появившиеся электроны мы загнали в лейденские банки, держим их там в изолированном состоянии, но в самой машине никаких изменений не произошло.

К большому сожалению, подобные уникальные действия приписываются заряженным частицам во многих случаях при изучении статического электричества. Возьмите, хотя бы, описываемые поведения заряженных частиц в наэлектризованных телах. Оказывается, что как положительные, так и отрицательные заряды скапливаются на выступах и заострённых частях этих тел. Одноимённо заряженные частицы благодаря приписываемым им свойствам отталкивания должны поступать полностью наоборот. Они должны разбегаться с этих ограниченных мест для их существования. Почему же наше сознание столь упорно приписывает заряженным частицам такие фантастические действия?

В наэлектризованных телах электрическая энергия действительно концентрируется на их заострённых выступах и неровностях. Такую концентрацию энергии можно наблюдать как визуально, при проведении определённых опытов, так и замерять электростатическими приборами. Только электризация зависит совсем не от того, что при этом процессе происходит разделение зарядов и осуществляется их переход из одного тела в другое. Пока наше человеческое сознание не освободится от этих древнегреческих и средневековых воззрений на устройство микромира, до тех пор мы будем придумывать всё новые и новые фантастические особенности поведения заряженных частиц и губить наш интеллектуальный потенциал на бесплодные идеи.

Окружающий нас мир устроен просто, и в этой простоте нужно искать отгадки мирового устройства. Такие мысли высказывали некоторые великие мыслители прошлого.

Исследование физической природы электрической энергии начиналось с работ по статическому электричеству. С этой же отправной точки попытаемся мы и сейчас осмыслить некоторые законы появления этого вида электричества.

Взаимное перемещение поверхностей двух твёрдых тел друг относительно друга всегда вызывает нагревание обоих тел. Выделение тепла происходит по причине возникающих сил трения, и чем больше эти силы, тем больше выделение тепла. Тепловая энергия представляет собой достаточно высокочастотное излучение, и здесь можно задуматься о том, каким образом не слишком большая скорость перемещения соприкасающихся тел порождает столь высокую частоту тепловой энергии. Пока что, предполагаемую версию этого явления можно сформулировать следующим образом: благодаря силам трения упругие связи молекул, расположенных на поверхностях этих тел, с другими молекулами подвергаются деформации, и эти связи возбуждаются с определённой частотой. Процесс возбуждения частотной энергии в телах при трении происходит, скорее всего, именно в межмолекулярных связях. Этот эффект напоминает возбуждение натянутой струны при ударе по ней.

Многообразие существования твёрдых тел говорит о том, что связи различных молекул друг с другом также многообразны. Одни тела при трении больше разогреваются, а в других телах возбуждение от сил трения может происходить совсем на других частотах, или даже на некоторой сумме частот. В телах с аморфной структурой возбуждение тепла от сил трения происходит незначительно, преимущественно же возникает электростатическая энергия, которая также является такой же частотной энергией. Наиболее вероятно, что и в кристаллических телах при трении возникает электрическая энергия, но здесь она будет замыкаться по кристаллам внутри тела и превращаться в тепло через так называемые токи Фуко.

Допустим, что электрическая энергия действительно только обычное частотное излучение, но без обоснования взаимодействий на расстоянии наэлектризованных тел, такое заявление не может заслуживать никакого внимания. В таком случае попытаемся до какой-то степени обосновать это решение через широко известные физические явления и законы.

Явление броуновского движения открыто давно, считается хорошо изученным, и всё же из него можно извлечь ещё некоторые выводы. Понятна основная суть движения броуновских частиц. Эти частицы движутся потому, что движутся под действием тепловых излучений молекулы воды. Причина ясна, но совсем не ясно, каким образом тепловое излучение заставляет эту молекулу двигаться, и двигаться определённое время в строго определённом направлении. Каков же природный механизм, заставляющий молекулу воды преобразовывать относительно высокочастотную энергию тепла в энергию поступательного механического движения. Нам совсем непонятны и причины формирования кристаллов. Пока что о строении кристаллов известно только то, что молекулы в кристалле уложены в строго определённом порядке.

В жидкостях движение молекул можно наблюдать визуально, но и в твёрдых телах молекулы испытывают постоянное стремление к движению. Явления испарений, диффузий указывают на возбуждение в любых молекулах энергий к поступательному механическому движению, и эти энергии движения пропорционально зависят от величины частотных энергий, сосредоточенных в телах.

Броуновское движение молекул в жидкостях зависит от величины тепловой энергии. На этом примере уже ясно прослеживается определённая закономерность: энергией механического движения создали энергию тепловую, которая затем снова превращается в механическую энергию движения молекул. Процесс этот полностью соответствует всеобщему закону о преобразовании одного вида энергий в другие виды.

Все виды излучаемых энергий, известных нам в настоящее время, распространяются в окружающее пространство по своим законам. Пока что можно с достаточным основанием утверждать, что условия распространения различных излучений зависят во многом от частоты излучений. Дальность и прямолинейность излучений тем выше, чем ближе эти излучения приближаются по частоте к световым излучениям. Радиочастотные излучения подтверждают, в какой-то степени, этот принцип.

Для того чтобы понять природу возникновения сил взаимодействия тел на расстоянии, предположим, что тепловое движение большинства молекул воды мы смогли каким-то образом направить в одну сторону. В этом случае весь объём воды начнёт передвигаться в пространстве без всяких видимых материальных связей с источником этого направленного тепла. Возникнет эффект взаимодействия между телом источника тепла и телом сосуда с водой. Для связки «тепло-вода» это пример нереальный, но электрические и магнитные взаимодействия могут происходить именно по этому сценарию. Если тепловая энергия в окружающем пространстве не может распространяться в строго определённом направлении, то электрическая энергия имеет такую строгую направленность, что видно из образования наблюдаемых электрических силовых линий.

Электрическая энергия возникает всегда из механической энергии движения. Взаимные движения трущихся поверхностей твёрдых тел, движения проводников в магнитном поле и движения воздушных масс в окружающем пространстве порождает возникновение электрической энергии. В свою очередь, распространение электрической энергии в окружающем пространстве порождает механическое взаимное движение тел.

Возбуждённая трением электрическая частота в каком-либо теле излучается в окружающее пространство на незначительные расстояния, и образует замкнутые в кольцо (зацикленные) энергетические связи. Как отмечалось выше, такими телами могут быть только тела с большим электрическим сопротивлением. Генератором излучения в пространство электрических потоков энергии служат возбуждённые силами трения группы молекул. Такую электрическую энергию мы называем электростатической, хотя на самом деле никакой статики здесь нет. Это обычная волновая частотная, а значит динамическая, энергия, но для упрощения дальнейших рассуждений пока будем применять термин «электростатическая энергия».

Электростатическая энергия в отдельных телах может существовать очень продолжительное время из-за незначительных электрических токов, протекающих в таком замкнутом частотном контуре. В электрических конденсаторах энергия продолжительное время сохраняется также в диэлектрическом слое между обкладками конденсатора. Обкладки конденсатора служат только для доставки электрического потока энергии к диэлектрическому слою.

Световые лучи распространяются в окружающем пространстве прямолинейно и на большие расстояния, но разум учёных пришёл к выводу о возможности искусственного зацикливания световых волн аппаратными средствами, в результате чего и получилось устройство, названное лазером или квантовым генератором. В результате зацикливания световой волны и получается некий удивительный процесс, далеко ещё не понятый нами, но этот процесс очень похож на процесс бурного преобразования энергии в замкнутом электрическом контуре с небольшим омическим сопротивлением. В таких замкнутых энергетических контурах происходит бурная раскачка межмолекулярных или внутримолекулярных связей, что и наблюдается в выбросах энергии. В природе зацикливание электрических волн происходит естественным образом, и происходит это из-за их частотных особенностей. Искусственный процесс зацикливания световых волн и естественный процесс зацикливания электрических волн напоминают эффект падающего домино, замкнутого в кольцо и обладающего упругими связями.

Когда в зону распространения силовых электрических линий попадает другое тело, то происходит перераспределение электрических потоков в окружающем пространстве. Если такое тело является диэлектриком, то под действием электрического поля это тело электризуется. Такая электризация и называется электризацией через влияние.

Радиационные излучения, подобно электрическим, вызывают в некоторых химических элементах какие-то структурные изменения, отчего эти элементы и становятся также радиоактивными, или радиоактивными изотопами, что также является воздействием через влияние.

Магнитная энергия очень тесно связана с электрической энергией, отчего основной первооткрыватель этой взаимосвязи Фарадей и назвал этот процесс индукцией, то есть преобразованием одного вида энергии в другой. Так что же это за энергия, как она возникает и как существует?

Не столь давнее открытие американских учёных о поведении постоянных магнитов в тепловой изоляции от окружающей среды может сказать об очень многом, но только выводы будут зависеть от того, с какой позиции смотреть на результаты такого опыта. Проведённые опыты показали, что если постоянный магнит поместить в термостат, то температура в нём начинает падать. Простой, скорее житейский, вывод из такого опыта напрашивается только один: температура воздуха в термостате падает из-за того, что тепловая энергия расходуется на поддержание определённого уровня магнитного поля. Падает температура в термостате и снижается уровень магнитного поля. Оказывается, что таким опытом можно достичь времени, когда магнитное поле постоянного магнита перестанет существовать. С этих позиций и попытаемся посмотреть на физическую сущность магнитной энергии.

В ферромагнетиках можно наблюдать существование микроскопических областей с явными признаками наличия магнетизма при полном отсутствии магнитного поля в самом теле ферромагнетика. Такие мелкие области магнитных полей были названы доменами, которые и могут существенно прояснить возникновение общего магнитного поля ферромагнетика. Как хорошо известно, распространение магнитного поля в теле магнитных материалов носит явно неравномерный характер по разным координатам, то есть наблюдается ярко выраженная анизотропия. Такое явление возникает из-за того, что магнитное поле в теле ферромагнетика распространяется преимущественно по телу кристалла. Там, где происходит однонаправленное формирование кристаллических образований из расплавов, и возникает наиболее лёгкое продвижение магнитного потока. Такие явления характерны и для тепловых полей, и, возможно, для электрических, но это надо ещё доказать.

Из всего выше изложенного, что касается магнитной энергии, можно сделать достаточно реальное предположение, что магнитная энергия всегда существует в ферромагнитных телах в зоне определённого температурного диапазона. Возникает эта энергия из тепловой и является такой же частотной волновой энергией, как и многие другие, способные распространятся в окружающей среде. Кристаллы ферромагнитных материалов возбуждаются на частоте магнитной энергии и являются носителями этой энергии. Видимые магнитные образования-домены, возникают из-за того, что магнитным полям отдельных кристаллов наиболее просто замкнуться по близлежащим кристаллам, и образовывать замкнутые магнитные спирали, то есть образовать домены. Разорвать поля магнитных доменов можно только внешними воздействиями на ферромагнетики, что и достигается внешним магнитным полем земли в реальных природных условиях, или искусственно, с помощью электрических полей.

Подобно возникновению магнитной энергии в телах ферромагнетиков в других металлических средах возникает и электрическая энергия из тепловой. Получение термо-ЭДС при сплавлении в узкой зоне контакта двух разных металлов достаточно убедительно доказывают такое преобразование одного вида энергии в другой вид. Можно, конечно же, и в этом случае строить фантастические гипотезы о перелётах заряженных частиц из одной среды в другую, но можно предложить и более простую.

В зоне соединения двух разных металлов при их сваривании с последующим остыванием происходит особое формирование кристаллической среды. Каждый тип металла имеет свои особенности по многим физическим параметрам (теплоёмкости, теплопроводности и другим). Эти разные параметры металлов приводят к тому, что в зоне соединения формируется кристаллическая среда с преимущественным направлением образующихся кристаллов из расплава в сторону одного из металлов. Такой процесс формирования кристаллов аналогичен искусственному формированию монокристаллов для полупроводниковой техники. Другими словами можно сказать, что в зоне сваривания двух металлических сред должна существовать ярко выраженная односторонняя тепловая и электрическая проводимость.

В среде металлов постоянно происходит преобразование тепловой энергии в электрическую, только эта энергия, замыкаясь через соседние кристаллы подобно магнитной энергии в ферромагнетиках, снова превращается в тепловую благодаря возникающим токам Фуко. В зоне же сваривания сформированные кристаллы одного направления образуют область направленного продвижения возникающей электрической энергии, откуда и появляется разность потенциалов на концах сваренных проводников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В предлагаемой статье проведён некоторый критический анализ существующих на данный период времени воззрений на окружающий нас микромир. Основным выводом этого анализа является тот факт, что в современной науке сформировано устойчивое убеждение о господстве в микромире заряженных частиц. Никаких альтернативных воззрений на устройство микромира не существует, несмотря на то, что в трактовке поведения заряженных частиц большое количество явно недоказанных утверждений и фантастических вольностей в рассуждениях. До тех пор, пока представители высшей технической науки будут упорно продвигать, и развивать идеи заряженных частиц, никогда не появятся и не разовьются другие воззрения на причины возникновения сил взаимодействия между телами на расстоянии. Попытаться же заставить человеческий разум думать по-другому в массовом сознании можно в том случае, когда представители этой высокой науки заставят себя хотя бы на очень короткое время вернуться в своё школьное детство, и попытаться переосмыслить многие фундаментальные установки, заложенные в учебники по физике.

Как было отмечено выше, изучение электричества начинается с явления электризации расчёски при трении о волосы. Обнаружить появление статического электричества на расчёске по притягиваемым бумажкам действительно очень просто, но кто и каким образом обнаружил другой знак электрического потенциала в волосах нашей головы, совершенно непонятно. Видимо, это какой-то технический трюк, неопубликованный в печати. Для определения противоположных знаков возникающего при трении электричества можно использовать наиболее близкие замены материалов: вместо волос использовать обычную шерстяную ткань, а вместо расчёски пластмассовую линейку. В натёртой тканью линейке по десяткам притянутых мелких бумажек к ней обнаружить электрический потенциал очень просто, но в ткани ничего обнаружить не удаётся. Ни одна, даже самая маленькая бумажка, не желает притянуться к шерстяной или синтетической ткани. Так куда же делся положительный электрический потенциал, если отрицательно заряженные электроны перелетели в линейку?

Натирать небольшим кусочком ткани можно поочерёдно десятки заготовленных линеек, в каждой из них выявлять наличие возбуждённой энергии, но в ткани по-прежнему отыскать ничего не удаётся. Откуда же возникли тогда эти отряды электронов, которые внедрились в тела линеек и могут в них существовать в течение многих часов.

Этот элементарный опыт аналогичен предложенному выше опыту с электростатической машиной, но очень прост в реализации.

Если уважаемые мэтры современной науки найдут немного времени, повторят ряд самых простых опытов из теории заряженных частиц, и смогут убедиться в значительном количестве формальных и недоказанных обстоятельств существования этих частиц, то могут появиться и другие пути в развитии физической науки. Самым первым законом, определившим количественные соотношения положительных и отрицательных зарядов, стал закон о равенстве этих зарядов в телах. Этот закон определил во многом и предположенное устройство атомов. Атом существует на электрических силах взаимодействия, но благодаря равенству количества противоположных зарядов сам атом считается электрически нейтральным. В таком случае необходимо доказать каким-то экспериментом правомочность существования такого закона, но ведь таких доказательств до сих пор не существует.

Самая большая ставка в развитии современной фундаментальной науки делается на получение данных от работы ускорителей заряженных частиц. Так, может быть, стоит сначала стопроцентно убедиться, что заряженные частицы действительно существуют, а не являются фантастическим плодом человеческого воображения. Громадные материальные средства, закладываемые в строительство всё новых ускорителей придуманных заряженных частиц, вполне могут оказаться той мифической пушкой, которая предназначена для стрельбы по воробьям. В дорогостоящих ускорителях, вероятнее всего, не разгоняются заряженные частицы, а возбуждаются частотные излучения примерно таких же параметров, какие возникают при радиоактивных реакциях.

В январе месяце 2013-го года в средствах массовой информации прошло сообщение, что российскими учёными на каком-то ускорителе открыт новый, 117-й, химический элемент периодической системы, время жизни которого составляет несколько миллионных долей секунды. Так неужели снова возвращаются годы середины двадцатого столетия, когда беспрерывно открывались всё новые и новые частицы и химические элементы. Когда общее число открытых частиц стало приближаться к трём сотням, то было принято решение больше частиц не открывать. Сейчас же научному миру приходится, скорее всего, каким-то образом оправдывать заложенные средства в современные ускорители заряженных частиц, и начинается очередной виток открытий новых частиц и элементов?

Наука последних веков начала бороться с изобретательством вечных двигателей, но при этом сама же изобрела настоящий вечный двигатель в образе устройства атома. В стационарном режиме, без обмена энергией с другими атомами, энергия взаимодействия электронов с протонами ядра является неисчерпаемой величиной, значит это вечный двигатель.

Если заряженная частица помещена в электрическое поле, она под действием этого поля начнет двигаться. Направление движения будет определяться направлением электрического поля и знаком электрического заряда. При этом протоны и электроны двигаются в противоположных направлениях. Возникает электрический ток, направление которого чисто условно принято считать обратным направлению движения электронов (т. е. совпадающим с направлением движения протонов). Для того чтобы рассчитать величину этого электрического тока, надо величину электрического поля умножить на проводимость среды, в которой ток течет. Как известно, проводимость твердых или жидких веществ отличается от проводимости газов. Нас интересуют газы, а точнее, частично ионизованная плазма, в которой только часть атомов и молекул ионизована.

Такая относительно простая картина имеет место в случае плазмы, помещенной в электрическое поле. Ситуация сильно усложняется, если на эту плазму с электрическим полем «наложить» еще и магнитное поле.

Так, если без магнитного поля электроны и протоны двигались в противоположных направлениях и создавали электрический ток, то в присутствии магнитного поля при действии того же электрического поля электроны и протоны начнут перемещаться в одном и том же направлении. При равенстве их концентраций это движение не будет представлять собой электрического тока, поскольку суммарный перемещающийся электрический заряд равен нулю. Кроме того, в присутствии магнитного поля заряженные частицы перемещаются не вдоль (или против) направления электрического поля, а поперек этих полей, но в случае, если оба эти поля перпендикулярны друг другу.

В отсутствии магнитного поля мы говорили просто о проводимости плазмы (ионизованного газа). В присутствии же магнитного - мы должны говорить о нескольких типах проводимости: вдоль магнитного поля, поперек него и т. п. Электрически заряженным частицам отнюдь не одинаково легко двигаться в этих направлениях. Другими словами, среда, которая до наложения магнитного поля была изотропной, т. е. ее свойства не зависели от направления, после наложения становится анизотропной.

Вся проблема солнечно-земной физики связана с частично или полностью ионизованной плазмой, помещенной в магнитное поле (магнитное поле солнечных пятен, межпланетное магнитное поле, магнитное поле Земли). Причем на эту плазму действуют различные силы (силовые поля): электрическое поле, силы притяжения и силы, связанные с градиентами давления, градиентами и конфигурацией магнитного поля и т. п. Поэтому необходимо проанализировать, как же движутся заряженные частицы в таких ситуациях.

Рассмотрим возможные варианты.

1. Электрически заряженная частица движется вдоль магнитного поля. Легко показать, что в этом случае она не чувствует его наличие и движется так же, как и в его отсутствии. Это благоприятные условия для движения заряженных частиц. Поскольку силовые линии магнитного поля Земли почти вертикальны в высоких широтах в обоих полушариях, то это и создает благоприятные условия для осаждения (соскальзывания) заряженных частиц в атмосферу этих широт. В низких широтах и на экваторе частицам пришлось бы прорываться поперек силовых линий магнитного поля Земли, а это для частиц с энергиями, при которых они вызывают полярные сияния, непреодолимо трудно.

2. Заряженные частицы движутся поперек магнитного поля. В этом случае на частицу начинает действовать сила (рис. 10), которая норовит закрутить ее вокруг силовой линии магнитного поля (сила Лоренца). Как только траектория частицы закручивается, начинает действовать центробежная (направленная от центра кривизны) сила, прямо пропорциональная массе и квадрату скорости частиц (их произведению) и обратно пропорциональная радиусу кривизны траектории частицы. Движение будет установившимся, если эти силы уравновесятся. Из их равенства получим, что радиус окружности, по которой будет вращаться частица (так называемый радиус Лармора) равен

а угловая скорость? и период вращения Т при этом равны

где е - величина электрического заряда частицы, m - масса частицы, Vn - скорость частицы поперек магнитного поля, В - величина магнитного поля.

Рис. 11. Направление вращения положительно и отрицательно заряженных частиц вокруг силовой линии магнитного поля H

H 1 - магнитное поле, создаваемое движущимся электрическим зарядом

Отсюда следует, что заряженные частицы, которые не движутся строго вдоль силовых линий магнитного поля Земли, будут вращаться вокруг силовых линий (рис. 11). В одном и том же магнитном поле одной и той же скорости движения радиус протонов почти в 2000 раз больше радиуса электронов, т. е. ровно во столько раз, во сколько раз отличаются их массы (1840 раз). Это весьма существенно для физики околоземного пространства. Круговая частота вращения для электронов и протонов также зависит от их массы, только уже не прямо, а обратно пропорционально. Частота вращения протонов (гирочастота) в 1840 раз меньше гирочастоты электронов. Гирочастоты входят в выражения для проводимостей, значит, и в условия распространения радиоволн. Очень важно для продвижения частицы, сумеет ли она большую часть времени вращаться вокруг силовой линии (тогда она оказывается как бы привязанной к данной силовой линии), или будет часто выталкиваться при соударениях с другими частицами от одной силовой линии к другой, не успев совершить даже одного полного оборота вокруг магнитной силовой линии. Другими словами, важно соотношение частоты вращения и частоты столкновений данной частицы с другими частицами. Если частота вращения (гирочастота) много больше частоты столкновений, то частицы плазмы «вморожены» в магнитное поле.

3. Заряженная частица движется под определенным углом к направлению магнитного поля. Этот угол называется питч-углом. Это движение всегда можно разложить па две составляющие - поперек магнитного поля и одновременно вдоль магнитного поля. Оба эти случая мы выше рассмотрели. Применив описанные выше результаты к этому более общему случаю, получим, что частица, которая имеет составляющие скорости движения и вдоль и поперек магнитного поля одновременно, движется по спирали, накручиваясь на магнитную силовую линию (рис. 12). Шаг спирали будет зависеть от величины продольной скорости, а величина радиуса - от величины поперечной энергии частицы, которая при заданной массе определяется поперечной к магнитному полю скоростью частицы.

4. Заряженная частица движется в магнитном поле и на нее одновременно действует также электрическое поле. В этом случае электрическое поле добавляет частице скорость поперек магнитного поля и одновременно поперек электрического (рис. 13). Величина этой скорости зависит прямо пропорционально от величины последнего и обратно пропорционально от величины первого. Направление дрейфового движения не зависит от знака электрического заряда. Картина движения в этом случае выглядит так: электроны и протоны вращаются по спиралям вокруг магнитных силовых линий в обратных направлениях с разными радиусами и угловыми частотами. Одновременно и те и другие (под действием электрического поля) дрейфуют в одном и том же направлении с одной и той же дрейфовой скоростью (которая не зависит ни от заряда, ни от массы и скорости частицы) поперек как магнитного, так и электрического поля, которые, в свою очередь, перпендикулярны друг другу. Такую картину мы наблюдаем в хвосте магнитосферы, где на магнитное поле Земли наложено крупномасштабное электрическое поле, направленное с утренней стороны на вечернюю.

Рис. 12. Движение заряженной частицы по спирали вокруг силовых линий магнитного поля

Рис. 13. Движение заряженных частиц в скрещенных полях по циклоидам

Электрическое поле направлено снизу вверх

Рис. 14. Траектория заряженной частицы, двигающейся в сторону возрастающего магнитного поля Н

Рис. 15. Силы, действующие на частицу в магнитном поле со сходящимися силовыми линиями:

F 1 - поддерживает ларморовское вращение; F 2 - выталкивает частицу в сторону ослабевающего поля

5. Заряженная частица движется в неоднородном магнитном поле. Другими словами, магнитное поле имеет градиент, т. е. изменяется от одной точки пространства к другой.

Если частица движется по спирали вокруг силовой линии магнитного поля, которое по мере продвижения частицы увеличивается (т, е. силовые линии сходятся), то по мере увеличения магнитного поля она замедляет свое поступательное движение вдоль силовой линии (рис. 14) и при определенном поле отразится и будет продолжать двигаться в обратном направлении, т. е. в сторону уменьшения магнитного поля (рис. 15). В магнитосфере силовые линии магнитного поля сходятся по мере их приближения к поверхности Земли в высоких широтах. Поэтому электроны и протоны, вращаясь вокруг таких силовых линий по спиралям и подходя к местам сгущения силовых линий, отражаются и направляются в другое полушарие (рис. 16). Там они так же отражаются и движутся обратно в прежнее полушарие. Так происходит до тех пор, пока по какой-либо причине они не попадут в область плотной атмосферы, где в соударениях с нейтральными частицами потеряют свою энергию. Такая критическая ситуация может создаться во время геомагнитной бури, когда нарушается структура силовых линий.

Рис. 16. Движение заряженной частицы в магнитном поле Земли (в меридиональной плоскости)

А и Б - точки отражения или зеркальные точки

Рис. 17. Дрейф заряженных частиц, двигающихся в неоднородном магнитном поле в плоскости, перпендикулярной к H

Кроме описанного явления, в неоднородном магнитном поле заряженная частица приобретает дрейфовую скорость, перпендикулярную магнитной силовой линии и одновременно направлению наибольшего изменения магнитного поля, т. е. градиента поля (рис. 17). В случае магнитного поля Земли электроны начнут дрейфовать на восток, а протоны - на запад, поскольку градиент магнитного поля направлен по радиусу. В отличие от дрейфа за счет действия электрического поля, когда электроны и протоны дрейфуют вместе, т. е. в одном направлении и с одинаковой по величине скоростью, дрейф электронов и протонов за счет градиента геомагнитного поля создает электрический ток; направление их дрейфа противоположно. Именно этому дрейфу обязан своим происхождением кольцевой ток, текущий в магнитосфере вокруг Земли и изменяющий свою интенсивность в зависимости от поступления заряженных частиц.

Рис. 18. Схематическое изображение траектории заряженной частицы в магнитном поле Земли

Рис. 19. Дрейф частиц в поле тяжести, перпендикулярном к магнитному полю Н

Магнитное поле Земли неоднородно не только в радиальном направлении, его силовые линии изогнуты - они выходят из южного полушария и входят в северное, удаляясь на самое большое расстояние от Земли в экваториальной плоскости. Этот факт также отразится на движении заряженных частиц. В результате электроны и протоны будут дрейфовать в противоположных направлениях (восток-запад). Это движение также приводит к образованию электрического тока (рис. 18).

Полученные выше результаты можно приложить к любой действующей на частоту силе. В частности, такой может быть сила земного притяжения, под действием которой заряженные частицы дополнительно приобретают скорость дрейфа, направленную поперек этой силы и одновременно поперек силовым линиям магнитного поля (рис. 19). Это движение также порождает электрический ток, поскольку электроны и протоны (положительные ионы) дрейфуют в противоположных направлениях.

Подведем итог возможных ситуаций в околоземном космическом пространстве. Заряженные частицы вращаются вдоль магнитных силовых линий и одновременно смещаются вдоль силовой линии, т. е. движутся по спиралям. Попадая в области более интенсивного магнитного поля, они отражаются и, продолжая двигаться по спирали, дрейфуют в противоположное полушарие. Затем, отразившись и там, снова возвращаются и т. д. За счет неоднородности геомагнитного поля одновременно с описанным движением, частицы постепенно дрейфуют от одной силовой линии к другой в направлении восток-запад. Этот азимутальный дрейф создает электрический ток, окружающий Землю.

Законы движения заряженных частиц в геомагнитном поле состоят в сохранении трех физических величин: магнитного момента частицы, интеграла действия вдоль силовой линии и магнитного потока через оболочку. Движение заряженных частиц по окружности (вокруг силовой линии магнитного поля) эквивалентно круговому току. Магнитное поле этого кругового тока может быть представлено как поле точечного диполя с магнитным моментом?:

Магнитный момент определяется отношением «поперечной» кинетической энергии частицы к величине магнитного поля. Можно показать, что величина магнитного момента при движении заряженной частицы в магнитном поле остается постоянной. Другими словами, магнитный момент является адиабатическим инвариантом.

Второй, продольный инвариант I равен интегралу (сумме) действия (т. е. mVs ) вдоль силовой линии между точками отражения.

Сохранение? и I позволяет объяснить образование пояса захваченных вокруг Земли заряженных частиц. Положим, что нам известна величина магнитного поля в данной точке на экваторе, равная B 0 , угол между направлением движения частицы и этим полем в данной точке (питч-угол) ? 0 и значение I для данной частицы. Рассмотрим, где может оказаться эта частица при последующем движении.

Первый инвариант дает нам, что частица всегда будет отражаться на поверхности В = В m , которая определяется из условия (sin 2 ?)/B = 1/B m . Однако это еще не означает, что частица всегда будет оставаться на силовой линии, для которой значение поля на экваторе равно В 0 . Первый инвариант не накладывает в этом отношении никаких ограничений, и в частности не препятствует тому, чтобы частица вследствие дрейфа изменила долготу и отразилась на экваторе, т. е. при В т = В 0 .

Второй инвариант полагает дополнительное требование на движение частицы. Она не только должна иметь точки отражения на поверхности В = В m , но и интеграл вдоль силовой линии должен оставаться величиной постоянной. На заданной долготе это условие определяет одну единственную силовую линию, вдоль которой частица должна совершать колебания по широте. Закон сохранения второго адиабатического инварианта позволяет установить, вокруг какой силовой линии будет происходить движение частицы при ее азимутальном дрейфе.

Третьим инвариантом движения частицы является инвариант потока. Он связан с долготным азимутальным дрейфом и наиболее легко нарушается. Этот инвариант равен полному потоку вектора магнитного поля В через поверхность, ограниченную поверхностью дрейфа частицы по долготе, т. е. поверхностью одинаковых величин второго инварианта.

Все описанные инварианты в общем случае позволяют предсказать движение частицы.

<<< Назад

Вперед >>>