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液氫沸點來歷的計算 已有1人參與
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液氫沸點來歷的計算 田江南 （高坪畜牧局 四川•南充 637000） 摘要：對氫元素由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)的臨界狀態(tài)的物理機制進行分析，計算出液氫沸點，與實驗值符合很好。并指出，液氫狀態(tài)時原子之間是由磁場力吸引在一起，因而凝聚。 關(guān)鍵詞：原子結(jié)團，玻爾模型，磁場勢能，液氫原子，分離，右邊原子。 中圖分類號：0571.51 文獻標識碼：B 一、初步分析 實驗測得，氫元素的沸點是零下252.77度，轉(zhuǎn)化成熱力學(xué)溫度，是 T=20.36開 （1） 對于這個數(shù)據(jù)，它的來歷是怎么回事，或者說為什么氫的沸點是這么多，我們可由微觀結(jié)構(gòu)和運動算出來。以下，我們就推導(dǎo)這一過程。 從邏輯上推斷，氫原子呈電中性，而液氫原子是聚合在一起的，因而，液氫原子之間不可能靠電場力而吸引。但是，液氫原子之間是有磁場力的，它們可由磁場力結(jié)合。 因為根據(jù)玻爾氫原子模型，電子在繞核運動，其存在電流I，且I=e/t。其中e 是元電量，t是周期。這個電流要產(chǎn)生磁場，因而兩氫原子之間會發(fā)生磁力作用。我們又知道，兩塊磁鐵靠近作用，總會轉(zhuǎn)到吸引狀態(tài)，且是最大吸引狀態(tài)，因此，兩氫原子也一樣，它們的磁作用總是相互吸引的。又液態(tài)時原子是緊挨在一起的，而氣態(tài)時原子是分離的。因此，氫由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)，就可看成在外加能量的情況下，克服磁引力勢能做功，原子由吸引而分離的過程。 這一過程的能量是多少，我們可計算。 二、計算過程 首先，兩氫原子緊挨在一起時，其磁場勢能是E，有 E= • 這里， 是真空磁導(dǎo)率，l是電流長度，r為氫原子半徑。 由于兩氫原子靠在一起，又兩氫原子半徑一樣大，因此，這里距離取2r。此式運用了微積分的結(jié)論。 當然，這里仍把氫原子看作球體，Il相當于電荷， 替換了真空介電常數(shù) ，因此，此式表達式類似于點電荷電勢能公式。 又由于 ， ，故 ，v為氫原子基態(tài)平均軌道速度。因而，此式可化為 （2） 我們又知道，一左一右兩氫原子緊靠在一起時，并不十分對稱、平衡、穩(wěn)定，還得有一上，一下，一前，一后的四個氫原子加進來，緊靠在一起，才能完全對稱、穩(wěn)定。我們把這六個緊靠在一起的氫原子叫做氫原子結(jié)團，它可看成液氫的組成單元。 那么，結(jié)團中，某個氫原子要脫離這個結(jié)團中其它原子對它的磁引力束縛，跑到無窮遠處去，需要能量，這個能量是多少？如右邊的氫原子要跑到無窮遠處，首先得克服左邊氫原子對它吸引能E，這個E我們可按（2）式計算。同時，它也受到上、下、前、后的氫原子的引力，而且，上、下、前、后的氫原子對右邊原子的引力勢能是相等的（根據(jù)對稱分析得出）。那么，如上邊氫原子對右邊氫原子的磁引力勢能E0是多少？根據(jù)幾何知識和受力分解，我們可算出 這里，為什么要除以2，是因為上邊原子中電子繞核運動平面要與右邊原子中電子繞核運動平面垂直（上邊原子電子運動平面要與下邊原子電子運動平面平行，且電子運動同向，同相，讀者可畫圖分析），因而兩原子中電子運動有一半的時間平行，一半的時候垂直，對磁引力勢的貢獻只有一半，所以除以2。 那么，上、下、前、后對右邊原子的引力勢一樣大，故右邊氫原子脫離原子結(jié)團向右運動到無窮遠處所需能量為E+4E0，即 把 ， ， ， 代進去，得 （1+4×0.707/2） =2.80844×10-22J 把這個能量換算成熱力學(xué)溫度只需除以玻爾茲曼常數(shù)K，得 開 與前面實驗值比較，理論值與它相符合，說明我們推導(dǎo)的正確性。 三、小結(jié) 以上推算也說明液態(tài)原子間結(jié)合靠磁場提供引力，但是，可能有人會問，氫原子結(jié)團以外的氫原子為何不對右邊氫原子施加磁影響，為什么不計算結(jié)團以外的氫原子的磁場勢，作者回答是：固體中原子和原子結(jié)團規(guī)則排列，對稱而有序，就像晶體那樣。而液體有流動性，根據(jù)布朗運動，說明液體中原子結(jié)團是無序的、混亂的，因而其它原子結(jié)團對以上分析的某個原子結(jié)團的能量影響是對稱的，它們進行了抵消，所以可不計算其它原子結(jié)團對右邊氫原子的影響。就像玻爾計算氫的電離能，不會考慮其它原子的影響一樣。 總的來說，本文計算過程說得還不夠詳細，尤其沒作圖說明，希望讀者諒解。讀者可仔細分析，便能了解這一過程。 4 1 2 3 |
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2樓2011-10-30 15:02:02
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