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液氫沸點(diǎn)來(lái)歷的計(jì)算 已有1人參與
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液氫沸點(diǎn)來(lái)歷的計(jì)算 田江南 （高坪畜牧局 四川•南充 637000） 摘要：對(duì)氫元素由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)的臨界狀態(tài)的物理機(jī)制進(jìn)行分析，計(jì)算出液氫沸點(diǎn)，與實(shí)驗(yàn)值符合很好。并指出，液氫狀態(tài)時(shí)原子之間是由磁場(chǎng)力吸引在一起，因而凝聚。 關(guān)鍵詞：原子結(jié)團(tuán)，玻爾模型，磁場(chǎng)勢(shì)能，液氫原子，分離，右邊原子。 中圖分類(lèi)號(hào)：0571.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 一、初步分析 實(shí)驗(yàn)測(cè)得，氫元素的沸點(diǎn)是零下252.77度，轉(zhuǎn)化成熱力學(xué)溫度，是 T=20.36開(kāi) （1） 對(duì)于這個(gè)數(shù)據(jù)，它的來(lái)歷是怎么回事，或者說(shuō)為什么氫的沸點(diǎn)是這么多，我們可由微觀(guān)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)算出來(lái)。以下，我們就推導(dǎo)這一過(guò)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(chǎng)力而吸引。但是，液氫原子之間是有磁場(chǎng)力的，它們可由磁場(chǎng)力結(jié)合。 因?yàn)楦鶕?jù)玻爾氫原子模型，電子在繞核運(yùn)動(dòng)，其存在電流I，且I=e/t。其中e 是元電量，t是周期。這個(gè)電流要產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而兩氫原子之間會(huì)發(fā)生磁力作用。我們又知道，兩塊磁鐵靠近作用，總會(huì)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(shí)原子是緊挨在一起的，而氣態(tài)時(shí)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(shì)能做功，原子由吸引而分離的過(guò)程。 這一過(guò)程的能量是多少，我們可計(jì)算。 二、計(jì)算過(guò)程 首先，兩氫原子緊挨在一起時(shí)，其磁場(chǎng)勢(shì)能是E，有 E= • 這里， 是真空磁導(dǎo)率，l是電流長(zhǎng)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(yùn)用了微積分的結(jié)論。 當(dāng)然，這里仍把氫原子看作球體，Il相當(dāng)于電荷， 替換了真空介電常數(shù) ，因此，此式表達(dá)式類(lèi)似于點(diǎn)電荷電勢(shì)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(shí)，并不十分對(duì)稱(chēng)、平衡、穩(wěn)定，還得有一上，一下，一前，一后的四個(gè)氫原子加進(jìn)來(lái)，緊靠在一起，才能完全對(duì)稱(chēng)、穩(wěn)定。我們把這六個(gè)緊靠在一起的氫原子叫做氫原子結(jié)團(tuán)，它可看成液氫的組成單元。 那么，結(jié)團(tuán)中，某個(gè)氫原子要脫離這個(gè)結(jié)團(tuán)中其它原子對(duì)它的磁引力束縛，跑到無(wú)窮遠(yuǎn)處去，需要能量，這個(gè)能量是多少？如右邊的氫原子要跑到無(wú)窮遠(yuǎn)處，首先得克服左邊氫原子對(duì)它吸引能E，這個(gè)E我們可按（2）式計(jì)算。同時(shí)，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(duì)右邊原子的引力勢(shì)能是相等的（根據(jù)對(duì)稱(chēng)分析得出）。那么，如上邊氫原子對(duì)右邊氫原子的磁引力勢(shì)能E0是多少？根據(jù)幾何知識(shí)和受力分解，我們可算出 這里，為什么要除以2，是因?yàn)樯线呍又须娮永@核運(yùn)動(dòng)平面要與右邊原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)平面垂直（上邊原子電子運(yùn)動(dòng)平面要與下邊原子電子運(yùn)動(dòng)平面平行，且電子運(yùn)動(dòng)同向，同相，讀者可畫(huà)圖分析），因而兩原子中電子運(yùn)動(dòng)有一半的時(shí)間平行，一半的時(shí)候垂直，對(duì)磁引力勢(shì)的貢獻(xiàn)只有一半，所以除以2。 那么，上、下、前、后對(duì)右邊原子的引力勢(shì)一樣大，故右邊氫原子脫離原子結(jié)團(tuán)向右運(yùn)動(dòng)到無(wú)窮遠(yuǎn)處所需能量為E+4E0，即 把 ， ， ， 代進(jìn)去，得 （1+4×0.707/2） =2.80844×10-22J 把這個(gè)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(kāi) 與前面實(shí)驗(yàn)值比較，理論值與它相符合，說(shuō)明我們推導(dǎo)的正確性。 三、小結(jié) 以上推算也說(shuō)明液態(tài)原子間結(jié)合靠磁場(chǎng)提供引力，但是，可能有人會(huì)問(wèn)，氫原子結(jié)團(tuán)以外的氫原子為何不對(duì)右邊氫原子施加磁影響，為什么不計(jì)算結(jié)團(tuán)以外的氫原子的磁場(chǎng)勢(shì)，作者回答是：固體中原子和原子結(jié)團(tuán)規(guī)則排列，對(duì)稱(chēng)而有序，就像晶體那樣。而液體有流動(dòng)性，根據(jù)布朗運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明液體中原子結(jié)團(tuán)是無(wú)序的、混亂的，因而其它原子結(jié)團(tuán)對(duì)以上分析的某個(gè)原子結(jié)團(tuán)的能量影響是對(duì)稱(chēng)的，它們進(jìn)行了抵消，所以可不計(jì)算其它原子結(jié)團(tuán)對(duì)右邊氫原子的影響。就像玻爾計(jì)算氫的電離能，不會(huì)考慮其它原子的影響一樣。 總的來(lái)說(shuō)，本文計(jì)算過(guò)程說(shuō)得還不夠詳細(xì)，尤其沒(méi)作圖說(shuō)明，希望讀者諒解。讀者可仔細(xì)分析，便能了解這一過(guò)程。 4 1 2 3 |
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2樓2011-10-30 15:02:02
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