目前物体的带电理论是
: 当物体失去电子时该
物体带有正电
; 当物体得到电子时该物体带有负电。
在实际的应用中
, 人们对一个物体是否带电的判断,
主要是检测该物体相对环境或参照物的相对电位或
相对的带电状态
, 而不是真地去检测该物体内部质
子和电子的数量。这意味着和大地电位相同而被定
义为
不带电状态 的物体, 其内部的质子和电子数
量并不一定相等
结构电子与大气电场的关系
徐
超
(
河北师范大学物理学院 石家庄 050016)
结构电子的提出
目前物体的带电理论是
: 当物体失去电子时该
物体带有正电
; 当物体得到电子时该物体带有负电。
在实际的应用中
, 人们对一个物体是否带电的判断,
主要是检测该物体相对环境或参照物的相对电位或
相对的带电状态
, 而不是真地去检测该物体内部质
子和电子的数量。这意味着和大地电位相同而被定
义为
不带电状态 的物体, 其内部的质子和电子数
量并不一定相等。
以
PN 结中的P 型半导体为例, 在和大地的电
位相同时
, P 型半导体内部的电子数量多于质子数
图
1
量
, 这是由于掺杂技术改
变了本征半导体原有的
物质结构。
冰中水分子中的
4
个键、六边形网格结构
(
见图1) 会因融化而改
变
, 其中氢键会部分减
少
, 电学特性变化很大,
用
MF - 30 万用表10K
档测量蒸馏水的电阻约为
50K , 而用同样方法测量
冰的电阻则近乎于
5M 。
水的霍尔实验表明
: 水中的多数载流子的极性
为负极性。这个结论与电解水时析出物的化学当量
相等即水中正、负离子电流相等的事实
, 以及H+ 和
OH
-
质量之比为1!17 的事实均不一致。这说明在
等量互为反向移动的正、负离子流之上
, 还迭加有少
量的传导电子。这又有两种可能
: ∀ 水中正、负电荷
总的数量是平衡的
, 但是水中含有少量的自由电子;
#
水中总的正、负电荷数量是不平衡的, 由于断开的
氢键的吸引作用使水中含有少量的过量电子。
综合水蒸气在冷凝时从空气中夺取电子
( 参考
拉奇实验
∀
) ;
水冻结时向外排出电子( 参考迪杰实
验
#
) ;
冰、雪融化时吸入电子的3 种实验和现象来
看只能是第二种可能
, 即水中含有少量的过量电子。
这是由于温度变化
, 水在发生相变的过程中, 水分子
之间有不同的物质结构
( 不同的分子联结方式) , 能
量的不均等使水从周
围物质吸收少量额外
的电子以稳定水自身
的分子结构
, 所以称其为水中的结构电子较为恰当。
拉奇实验对
水中存在结构电子
推想的验证
在拉奇实验喷出的蒸汽束中
, 有一处带电量为
零的电位点
, 由此点向右做一高斯面( 见图2) , 令
其包含整个蒸汽团。由于冷凝过程中水气团
( 水和
空气团
) 整体显示为高正电位, 高斯面外为绝缘的
空气
, 高斯面内、外无电荷交换。根据电荷守恒定
律
, 在这个高斯面内, 必然有电子从空气分子中分
离出来
, 而电子去向只能是高斯面内刚刚凝结的水
中。水的生成与额外电子
( 结构电子) 的吸入应同
时发生
, 并且含有结构电子的水对外不显负电性,
空气团显正电性
, 这样就使得整个水气团呈现为高
正电性。
图
2
另一方面
, 若由零电位点向左做一高斯面, 由
于此高斯面内、外无电荷输出和输入
( 包围高斯面
的空气是绝缘的
) , 所以蒸发之前的水若不带有额
外电子
( 即结构电子) , 则蒸发少量未携带电荷的水
之后剩余的水中
, 根据电荷守恒定律是不会带电
的。但是
, 若水中本身按一定比例( 或浓度) 存在少
量额外电子
, 只是由于和外界等电位而不显负电
性
, 而喷出的水蒸气不带电子, 根据电荷守恒定律
随着蒸汽锅内水量的减少
, 势必会使原本适度过量
的结构电子因积累密度过大而不再适度
, 并逐渐显
示出负电性。因此
, 拉奇实验是水中存在结构电子
的另一证据。
16
卷5 期(总95 期) ∃ 19 ∃
雷达回波对
水中存在结构电子 推想的验证
在与暖锋和低压相联系的降水中
, 伴有稳定的
上升气流
, 在0 % 层面之下会因水蒸气的冷凝而产
生强烈的带电层带
( 水蒸气凝结成水时会吸入结构
电子
, 使空气带正电) ; 在0 % 层面之上由于水的冻
结排出结构电子也会使层面带负电。这两个带电层
带必然会在
RHI 雷达( 距离高度显示器) 上产生较
强的回波。因此
, 这两条强回波带是否存在是对水
中含有结构电子 推想的验证。事实上
, 确实存在两
条雷达回波的强反射带
, 云物理学分别称其为融化
带
( 位于0 % 层面之下) 和高带 ( 位于0 % 层面之
上
) 。现在的问题是, 产生两条强回波带的机理是否
与结构电子相关
?
云物理学对融化带的解释是
: 高空下落的雪片
到融化带上时会完全融化
, 因为水的介电常数( 78)
大于冰的介电常数
( 317) , 所以, 在此带上回波将变
强。这种解释只强调降雪的过程
, 未考虑到稳定的
上升气流
, 并且把0 % 层面划为雪区与雨区的分界
面是与事实不符的
, 因为从0 % 层面到- 15 % 层面
之间的区域有大量的过冷水存在
, 而且表面蒙有水
的冰、雪粒子对雷达波的散射特性与同截面的水滴
相同。因此
, 单纯从融雪上讲, 无法说明在融化带的
上方雷达回波强度大幅削弱的原因。若引入结构电
子的观点
, 解释融化带的强回波是简单的: 来自地面
上升的水蒸气在
0 % 层面下方的凝结会因吸收结构
电子
, 而使空气强烈带有正电; 而来自上面的融雪对
结构电子的吸收也会使这一层带的空气电位大幅升
高
, 因此, 这一层带的带电状态使回波散射特性大大
加强
; 从融化带到- 15 % 层面区间, 在无冻结也无凝
结的情况下
, 无带电层产生, 这是这一区间回波变弱
的主要原因。另一方面
, 高带一般出现的位置是
- 16
% 层面附近, 而- 16 % 层面正是云中的过冷水
自然产生冰晶的温度。根据迪杰实验这一过程将
有结构电子排出
, 这一层带的带电必然会使回波加
强。高带向
0 % 层面的降落( 而不应是融化带) , 其
速度大于云中粒子的速度
, 表明这不是粒子流, 而
是在
- 16 % 附近冰晶产生之后引发的过冷水向冰
晶转化时
, 从高向下迅速蔓延的锋面。正是这个带
电的锋面产生了高带下落的雷达观测效果。需要
指出的是
, 随着潜热的释放, 原来- 16 % 层面的温
度也将升高
, 使其恢复到- 16 % 层面需要一定时
间
, 这应该是高带以大约20 分钟间隔向0 % 层面降
落的原因。
对高带的一种解释是
, 这是降雨水纹接近所形
成的
, 这一假设若成立, 则对应的降水云团的远离应
有高带向上的升起
, 但未见此类报道。
1950
年冈恩对雷雨云在不同高度的雨滴采样,
测量电荷电量。证实在
45km 处正、负电荷的比值
最大。如按夏季地面温度
28 % 计算45km 处的温
度约为
1~ 2 % , 此位置与融化带相当。冈恩的测量
同时证实了在
0 % 层的上、下, 为负、正电荷的分布。
综上所述
, 可以认为这两条雷达回波带是水中
的结构电子在云中发生相变
, 导致空气层发生带电
现象的直接证据。
结构电子与大气电场的形成机理
由结构电子推测大气电场的形成。从地球表面
上升的干燥的水蒸气是不带电的
, 而空中的降水带
有过量的负电荷
& & & 结构电子。这就形成了从空中
到地面的电子流的单向运动
, 也就形成了空中为正、
地面为负的大气电场。如果这种推测是正确的
, 那
么
, 水蒸气蒸发量大的地方水在空气中的凝结量也
会随之增大
, 由此产生的大气电场场强也应相应的
加强。与此推测一致的现象是地表的平均场强为
120V/ m,
而蒸发量大的海洋上则为130V/ m; 城市工
业区的
热岛效应 使水蒸气的排放量更大, 场强也
应更强
, 丘( Kew, 英国地名) 工业地区的平均场强为
363V/ m
。这个特点以及大气的活动性显然与雷电
产生大气电场的现有理论是无关的。从大气层的垂
直剖面上看
, 大气场强极大值的区域正位于低层水
蒸气的凝结区域。
通常对大气电场讨论仅限于大气电场垂直分量
而忽略水平分量
, 如果结构电子是产生大气电场的
主要原因
, 那么, 蒸发量大的地方其高空的冷凝量也
大
, 水、气分离后其高空带正电荷的空气分子数量以
及扩散到外太空的正极性粒子也应较多。因此
, 就
全球的高空而言
, 大气电场的水平分量是从赤道指
向两极的。这个分析与
1998 年升空的阿尔法磁谱
仪在赤道附近发现正电子是负电子的
4 倍的观测结
果是一致的。
1950
年6 月21 日7: 20~ 20: 00 史密斯对有关
雨滴的大小和电荷关系的测量反映出中、小雨滴的
电量密集区在零点附近
; 大雨滴多带负电荷; 所测雨
滴的总的平均值为负值。
1921
年、1938 年班纳等5 人分别对8 次不同类
型的降雨的测量中
, 雨滴电量均值为负的有7 次, 均
值为正的仅有
1 次。
∃
20 ∃ 现代物理知识
需强调的是
, 由于大地带负电性, 当雨滴相对大
地带电量为零时
, 即表明雨滴相对于常态的大气环
境已带有负电荷了
; 因为雨滴总的平均值为负值, 所
以证实了雨水对地球有充电作用。
水中含有结构电子是由实验得出的
, 不以大气
电场的存在为先决条件。若加上大气的运动和因密
度差异的分离
, 足以说明大气中负电荷向大气底层
汇集的原因。云地闪电、降雨、地表植物的尖端放
电
, 则是这种积累后的电量向大地输送电子的几种
不同的方式。
结构电子在水中的密度
如果结构电子是大气电场的主要形成机理
, 那
么
, 水蒸气的蒸发量、降水量就是形成1 800A 大气
电场充电电流的主要原因
, 由此可求出结构电子在
水中的大约密度。
1 800A
对应的每秒移动的电子个数为: 1 800/
( 1
602 ∋ 10- 19) = 1236 ∋ 1022个。全球年均降水量
为
577 ∋ 10
20
cm
3
。全球秒均降水量为: 577 ∋
10
20cm3/ ( 365 ∋ 24 ∋ 3600) = 1829655 ∋ 1013( cm3/ s) 。
两者之比为
: 1236 ∋ 10
22
个/ 1829655 ∋ 10
13
cm
3
=
6
14 ∋ 108 ( 个电子/ cm3) 。即结构电子在水中的平
均密度大约为
: 614 ∋ 10
8
个电子/ cm
3
。
以上是根据
1800A 大气电场充电电流和年均降
水量为
577 000km
3
得出的, 需注意的是, 这个平均密
度值与
Dinger 和Gunn ( 1946 年) 及MacGready 和
Proudfit( 1965
年) 发现的冰、水之间引发的单位体积
水的电子含量变化数值
( 2 ∋ 108~ 40 ∋ 108 个电子/
cm
3) 是基本吻合的。
Dinger
和Gunn( 1946 年) 首先报道在冰的每克
融水中可以获得大约零点几个到
2 个静电单位的正
电荷
( 含电荷的数值量随大气污染程度的加大而减
小
) ; MacGready 和Proudfit ( 1965 年) 发现的正电荷含
量下限值约为
01 个静电单位。由于自然界的水并
非十分纯净
, 所以零点几个静电单位是在误差范围
内的。
1968
年Drake 用振簧静电仪证实了, 冰的融化与
正电荷的出现同步发生。
1 个静电单位= 1/ ( 3 ∋ 10
9
)
库仑
= 1/ ( 3 ∋ 109) / ( 1602 ∋ 10- 19) ( 电子电量) =
2
081∋ 10
9
个电子的电量。即01~ 2 个静电单位
约合
2 ∋ 108~ 40 ∋ 108 个电子。
结构电子和水分子的比例
: 614 ∋ 10
8
/
( 6
023 ∋ 1023/ 18) = 1/ ( 545 ∋ 1013) 。即在大约55
万亿个水分子中仅含有
1 个结构电子。
相关实验简介
∀
拉奇实验示意以及实验结论
用煤气加热对外绝缘的盛水的铜锅
A, 喷出的
干蒸汽不带电
, 水蒸气在B 处冷凝时, B 处为高正
电位
, A 为高负电位( 如图3) 。
图
3
#
迪杰实验
原实验的结论是
: 当水凝固时水从一开始的
+ 0
25V急剧下降为- 75V, 然后慢慢回升为原电位
(
如图4) 。
图
4
(
水含有结构性电子的实验( 自行完成)
图
5
在盛水的玻璃杯中
, 正交放有四个炭精棒( 由
2B
铅笔笔芯代替) 电极a、b、c、d, 水杯之下垫起的
玻璃板下面
( 如图5) , 有N 极朝上的磁铁, 外接电压
U
dc= 4V, 对Uab1 多次测量的平均值为- 0075V; 在
保持其他条件不变的情况下
, 当磁铁换S 极时
U
ab 2= + 007V。霍尔电压Uab = ( Uab1 - Uab 2) / 2=
- 0
0725V。磁铁的直径与烧杯相同。稳压电源和万
用表均为实验室常见类型
, 因为实验的目的是验证水
中存在结构电子
, 所以没有考虑到温度、气压和磁场
的影响。接触电阻的影响可相互抵消。实验中的水
为蒸馏水、普通水或浓度
) 35% 的不同的NaCl 溶
液
, 实验结果均表明水中的多数载流子为负离子。
16
卷5 期(总95 期) ∃ 21 ∃
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