физическая микрозадача "Не мог протон от электрона…"

[v_phi]

Вы с двумя товарищами готовитесь к экзамену по физике.
– Два электрона или два протона друг от друга электрически отталкиваются, – объясняет первый из вас свою порцию учебника, – а протон и электрон друг к другу электрически притягиваются. Сила электрического взаимодействия уменьшается с расстоянием, а при одинаковых расстояниях во всех вариантах все эти силы одинаковы. Таким образом, электрические силы пытаются разместить электроны и протоны вперемешку, сблизив их до минимального расстояния.
– Замкнутая электрическая цепь, – объясняет свою порцию учебника второй из вас, – содержит проводники, там, медную проволоку, источник энергии, там, батарейку, и потребителя, там, лампочку. Батарейка работает как насос, закачивающий электроны на тот электрод, на котором написано "минус". Электрические силы заставляют электроны убегать оттуда, скачиваясь через провода и лампочку на тот электрод, на котором написано "плюс"; оттуда насос снова закачивает их на минусовой электрод и так далее. Батарейка имеет ограниченный запас химической энергии. После нескольких часов работы нужные химические вещества заканчиваются, и батарейка приходит в негодность.
– Химическая энергия, должно быть, – вставляете вы ехидно, – создает внутри батарейки неэлектрические силы. Там, гравитационные. Или ядерные. Они закачивают электроны на минусовой электрод, разлучая их с протонами.
Стоп! Допустим, вы свою порцию учебника честно выучили и не хотите долгой перебранки между вашими товарищами. Поправьте вашу опасную реплику.

Comments

[http://users.livejournal.com/_shadow__/]

а чего опасного? ну разве что подкорректировать "электрические" на ""электростатические". Обычно для транспортировки электронов против электрического поля используются электромагнитные взаимодействия разной степени изощренности (сила лоренца в электромеханических генераторах, разность квантовохимических энергетических уровней-потенциалов различных веществ в химических источниках, энергию кванта электромакгнитного поля - в фотохимических), но можно придумать и "ядерный" источник - если, к примеру, для генерации-разделения свободных зарядов использовать напрямую нейтронный поток.

[v-phi.livejournal.com]

Вы подливаете масла в огонь!
Вы внушаете вашим товарищам теорию химических сил, действующих между теми же протонами-электронами, но в обратном направлении :)

[http://users.livejournal.com/_shadow__/]

"химические силы" - это разность внутримолекулярных энергетических уровней, обусловленная квантовой электродинамикой, т.е. та же электродинамика, только неклассическая, для которой недостаточно лоренца и кулона.

[v-phi.livejournal.com]

Еще опаснее. Теория квантово-электрических сил, которые действуют между теми же электронами и протонами, но в противоположную сторону.

[http://users.livejournal.com/_shadow__/]

в определенном смысле да - поэтому потенциальная яма может соответствовать анион-радикалам, т.е. агрегатам с превышением числа электронов над суммарным зарядом ядер.

[v-phi.livejournal.com]

Так. В игру включаются агрегаты, такие тесные протонно-электроные кучки. Кванто-электрическая сила перебрасывает электрон из одной сбалансированной кучки (где было равное число протонов и электронов) в другую изначально сбалансированную кучку.
А что в это время делают электрические силы, оплакивают свою слабость?

[http://users.livejournal.com/_shadow__/]

если смотреть на одинокие кулоновские-электростатические - то да, оплакивают; у них, бедолаг, работа по замкнутому контуру всегда равна нулю. Если электромагнитные, т.е. включающие специфику взаимодействия между движущимися зарядами - то у них все сошлось.

[v-phi.livejournal.com]

а-а-а!
Магнитные силы осмотрелись, сориентировались и, перемогая силы электричества, перетащили электрон из одного сбалансированного атома в другой ранее нейтральный атом. А как же быть с тем фактом, что при нерелятивистских скоростях для двух данных электрически заряженных частиц магнитное взаимодействие составляет от электрического ничтожную долю порядка v/c?

[http://users.livejournal.com/_shadow__/]

т.е. переходя с орбиты на орбиту, электрон должен излучать квант "электрического" поля, а не электромагнитного? ; )
я кажется догадываюсЬ. какую модель вам хотелось: электроны в ходе химической реакции суммарно переходят на более низкие орбиты, выигрыш в электростатике и дает работу. Но это не сойдется, внутри атома сработает только электродинамика, причем в неклассическом варианте. Да и просто посчитайте скорость электрона на боровской орбите в классической модели.

[v-phi.livejournal.com]

электрон должен излучать квант "электрического" поля, а не электромагнитного?
Это оффтопик про термины. В релятивистких теориях гравитации, таких как Общая теория относительности, гравитационное поле перестает быть статическим и оказывается способно передавать вращательный момент или, там, волны; при этом его не переименовывают, там, в гравитационно-антигравитационное. Термин "электро-магнитный" исторически возник в эпоху дорелятивистской физики, когда ученым не приходило в голову, что магнитное взаимодействие – это релятивисткий эффект в электрическом взаимодействии. А то было бы логично сказать, что фотон – это квант волны электрического поля.

внутри атома сработает только электродинамика, причем в неклассическом варианте
Вы хотите сказать, что внутри атома электроны, занявшие положения с меньшей энергией, находятся на большем удалении от протонов? И что не будь это так, ехидное замечание указывало бы на реальное противоречие в пересказах двух отрывков учебника?

[http://users.livejournal.com/_shadow__/]

я не вижу никакой дидактической пользы, кроме вреда, от использования для описания энергетики атомов и молекул классических представлений; поскольку, если использовать - то нужно считать-учитывать и кинетическую энергию электронов на разных орбитах, и энергию, запасенную в соответствующих контурах тока - но все это практически лишено физического смысла в современной модели атома. Какое расстояние вы припишете p-d-f орбиталям? какая "больше" - 3p или 4s ?

[v-phi.livejournal.com]

Это оффтопик про немонотонную зависимость свойств внешних электронов атомов от числа протонов в ядре.
Эти свойства (среднее расстояние электрон – ядро, энергия отрыва) слабо зависят от s, p конфигурации волны (правда, уже сильнее от d, f, что встречается для больших атомных номеров) и сильно – от числа лишних протонов во внутренней части атома (=на внутренних энергетических уровнях). Это легко принять из того соображения, что только протоны и электроны внутренней части атома притягивают и отталкивают внешний электрон в полную силу; собратья же внешние электроны половину времени находятся во внешней половине внешней оболочки, не действуя на данный внешний электрон. Грубо говоря, товарищ по внешней оболочке работает на отталкивание в 2 раза вялее, чем внутренний электрон. В результате внешний электрон натрия (единственный) испытывает притяжение как от одного протона, а внешний электрон фтора (имеющий 6 товарищей по внешней оболочке) – как от четырех. Таким образом, поведение внешнего электрона натрия (размер облака, энергия отрыва) похоже на поведение внешнего электрона калия и совершенно не похоже на поведение внешнего электрона фтора. У фтора размер внешнего облака много меньше, а энергия отрыва внешнего электрона много больше.
Это описание не противоречит принципам, изложенным первым товарищем героя задачи. Хотя, конечно, пользуется дополнительными уточнениями, относящимися к квантовой механике. А существание ядер более чем с одним протоном требует ядерных сил. Что никак не оправдывает упоминания квантово-механических и ядерных эффектов в ответе на задачу.

[v-phi.livejournal.com]

работа по замкнутому контуру
Что же, батарейка работает благодаря неконсервативным силам? А иначе не смогла бы?

[http://users.livejournal.com/_shadow__/]

на то она и батарейка, а не конденсатор; мне кажется, что ХИТ во всех отношениях полезнее мыслить в одном ряду с электромеханическим и фотоэлектрическим генератором, а не как скопище "внутриатомных конденсаторов".

[v-phi.livejournal.com]

Электромеханический генератор использует как насос эффект динамо: вы двигаете проводники, преодолевая их инерцию, и этим вызываете в них движение свободных носителей заряда. Благодаря магнитному взаимодействию между параллельно протекающими токами инерцию можно сделать довольно значительной, достаточной для практических приложений. Явно это не тот эффект, который ответил бы на вопрос задачи.
Фотоэлектрический генератор бьет по отдельным электронам при помощи фотонов, квантов коротких электрических волн. Этот эффект значителен, когда вы используете солнечный свет. Соударение между атомами и ионами в горячей солнечной короне легко порождает достаточный квант света, чтобы он (через 500 секунд, когда долетит до Земли) выбил электрон с поверхности металла в воздух, а лучше в вакуум. Но и это не имеет прямого отношения к задаче.
Идея сравнить химисточник тока с конденсатором вам не нравится (хотя эту мысль вы также не развили).
Что же делать?