Законы Фарадея и гипотеза о многократно заряженных ионах

[Trifon]

В одном «самодельном» журнале: «Доклады независимость авторов» №30, dna.izdatelstwo.com, наткнулся на статью… химика, который размышляет об элементарном электрическом заряде. Меня больше заинтересовала гипотеза автора, ибо она противоречит действующей модели атома.
Одно из обоснований автора, что якобы законы Фарадея (электролиз) не доказывают существования дискретных электронов. Вопросы: 1) все ли так плохо с законами электролиза? 2) достаточно ли гипотеза безумна? Обоснована ли она? Автор там, в статье призывает к экспериментам.
Цитата из статьи: «Гипотеза автора гласит: «заряд любых атомных ионов равен единице; т. е. многократно заряженных ионов как частиц, имеющих недостаток или избыток нескольких элементарных частиц, электронов, в природе не существует».
Из гипотезы следует, что заряд альфа-частиц равен единице, а их скорость должна быть в 1,414 раз меньше, чем предполагается, например, в альфа-спектроскопии.
Для проверки гипотезы предлагается поставить ряд экспериментов, таких как:
• масс-спектрометрическая проверка природы МЗИ (раздел 2.3);
• определение скорости α-частиц перед их входом в альфа-спектрометр;
• определение скоростей МЗИ до их входа в масс-анализатор или (при определении ионизационных потерь, длин пробега частиц и др.) в вещество.
Возможно, более простым и однозначным окажется именно определение скоростей МЗИ и α-частиц. Для измерения скоростей ионов можно использовать как механические селекторы скоростей частиц (вероятно, подойдут некоторые из используемых в нейтронной спектроскопии), так и выделение заряженных частиц с определенной скоростью на щелях после их отклонения в магнитных (для α-частиц) и/или электрических полях для МЗИ».

[rockclimber]

А все эксперименты, проведенные с 1836 года, чем его не устраивают? Или он не знает про них?

Trifon в сообщении #919905 писал(а):

Из гипотезы следует, что заряд альфа-частиц равен единице, а их скорость должна быть в 1,414 раз меньше, чем предполагается, например, в альфа-спектроскопии.

Это как понимать? "Мы наблюдаем у альфа-частиц какую-то скорость, но она неправильная, должна быть в 1,414 раз меньше". Так что ли?
Есть такой анекдот про неверную жену, которая, будучи пойманной с поличным, заявила мужу: "кому ты больше веришь, мне или своим лживым глазам"?

[Евгений Машеров]

Очень странный химик. Или он химик не в профессиональном плане, а потому, что травка его уже не вставляет?
В законах Фарадея действительно дискретность заряда не требуется, и из них не выводится.

Цитата:

Первый закон электролиза Фарадея: масса вещества, осаждённого на электроде при электролизе, прямо пропорциональна количеству электричества, переданного на этот электрод. Под количеством электричества имеется в виду электрический заряд, измеряемый, как правило, в кулонах.
Второй закон электролиза Фарадея: для данного количества электричества (электрического заряда) масса химического элемента, осаждённого на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента. Эквивалентной массой вещества является его молярная масса, делённая на целое число, зависящее от химической реакции, в которой участвует вещество.

Собственно, Милликен измерил заряд электрона в 1909 году, через 77 лет после формулирования Фарадеем законов и через 42 года после смерти его. Получить оценку заряда из законов Фарадея можно, если знать число Авогадро. Или "химик" и в атомную теорию не верит?
На самом деле опыт куда проще, масс-спектроскопа не требуется. Достаточно простейшего электролизёра с двумя газометрами. Если при электролизе воды объём водорода вдвое выше кислорода - заряд иона кислорода был вдвое выше заряда иона водорода. И, замечу, опыт этот сотни раз проведен.

[Munin]

Trifon в сообщении #919905 писал(а):

Меня больше заинтересовала гипотеза автора, ибо она противоречит действующей модели атома.

Слишком интересоваться измышлениями безумцев - само ведёт к безумию.

[druggist]

Понимаю, что офф-топ, но все же, есть ли что-нибудь более-менее свежее безумное про постоянную тонкой структуры, вернее, по поводу ее целочисленности, т.е., спекуляций на тему:
$1/\alpha=137=4\pi^2((\pi^2/(1*3*5))^1/3)$....?

[warlock66613]

druggist в сообщении #920053 писал(а):

по поводу ее целочисленности

По поводу целочисленности - есть. Она не целочисленна. Хотя это не очень новое, но не исключаю, что для кого-то это будет открытием.

[Munin]

Насчёт целочисленности - всегда было скорее шуткой. И наконец, известно, что на самом деле эта константа - "бегущая", то есть при разных значениях энергии принимает разные значения, и значение $\approx 1/137$ принимается только в пределе при нулевой энергии (мир, где мы живём). На ускорителях достигнуты существенно отличающиеся значения этой константы, насколько я помню, где-то до $\approx 1/127\ldots 129$ (последнюю цифру я всё время забываю).

[Евгений Машеров]

(Оффтоп)

Представил себе разочарованного Артура Эддингтона (который, собственно, и поверил в целочисленность, решив, что она выражает некое число степеней свободы) и его разозлённую родню, водящих по селу Постоянную Тонкой Структуры с надетым на шею вымазанным дёгтем хомутом - оказалась нецелой!

Вообще же на то, что там не целое число, указали вскоре после публикации им такой гипотезы, в конце 1920-х.

[Munin]

(Оффтоп)

Мне царапает слух слово "поверил". Допустил такую возможность - может быть. Увлёкся ею - тоже возможно (вообще, Эддингтон, по отзывам, был увлекающимся человеком).

Ну а потом анекдотов понарассказывали...

Физики шутят писал(а):

К квантовой теории абсолютного нуля температуры
Ниже помещен перевод заметки» написанной известными физиками и опубликованной в «Natur-wissenschaften». Редакторы журнала «попались на удочку громких имен» и, не вдаваясь в существо написанного, направили полученный материал в набор, не разглядев в нем шутки.
Д. Бак, Г. Бете, В. Рицлер (Кембридж) [5]
В данной работе нами был рассмотрен кристалл с гексагональной решеткой. Как известно, при абсолютном нуле температуры в, системе происходит вымораживание всех степеней свободы, то есть прекращаются полностью все внутренние колебания. Однако для электрона, движущегося по боровской орбите, это обстоятельство не имеет места. Каждый такой электрон, согласно Эддингтону, обладает $1/\alpha$ степенями свободы, где $\alpha$ – введенная Зоммерфельдом постоянная тонкой структуры. Поскольку рассматриваемый нами кристалл состоит также из протонов, которые по теории Дирака можно рассматривать как дырки в электронном газе, то к $1/\alpha$ степеням свободы электрона следует добавить столько же степеней свободы протона. Таким образом, чтобы достичь абсолютного нуля температуры, мы должны отнять у нашей нейтральной системы (наш кристалл должен быть электрически нейтральным), состоящей из одного электрона и протона (в расчете на один нейтрон), $- (2/\alpha- 1)$ степеней свободы (Freiheitsgrade). Единицу мы вычли, чтобы не учитывать вращательного движения.
Следовательно, для температуры абсолютного нуля находим $T_0 = - (2/\alpha-1)$ градусов (Grade). Подставив сюда $T_0 = -273,$ находим, что $\alpha= 1/137.$ Это значение в пределах ошибок находится в замечательном согласии с ранее известным значением. Легко показать, что этот результат не зависит от выбора структуры кристаллической решетки.
Напечатано в журнале «Naturwissenschaften», 19, № 2 (1931).

[Trifon]

Приношу свои извинения. Данную тему лучше переместить в "Дискуссионные темы". Для ответа напоследок вынужден процитировать относительно роли законов электролиза в признании элементарного заряда (т.к. нельзя форумчан часто отсылать к первоисточнику).

Цитата:

Предположение, что закон Фарадея, вместе с гипотезой о существовании атомов, приводит к заключению, что и электричество, по крайней мере, при электролизе, должно состоять из дискретных элементарных зарядов, было впервые заявлено Стонеем и Гельмгольцем (в речи, посвященной памяти Фарадея 5 апреля 1881 г.). Проанализируем доказательства существования дискретности электричества, приводимые Гельмгольцем, и другими физиками, разбив их на тезисы [Шпольский Атомная физика, стр.11].

Тезис "А": "Из законов электролиза следует, что если пропускать одно и то же количество электричества через различные электролиты, то количество веществ, выделяемых в растворах одновалентных ионов, будет пропорционально атомным весам ионов. Если это количество электричества как раз таково, что оно выделяет один г-ат определенных ионов, то в любом другом электролите, содержащем одновалентные ионы, оно выделит тоже один г-ат ионов".

Тезис Б: "Так как электрический ток в электролите обусловлен движением ионов, то можно сформулировать установленный факт, утверждая, что один г-ат одновалентных ионов, содержащий одинаковое количество частиц, равное числу Авогадро: $N_{Av} = 6.02\cdot 10^{23}$, несет с собою всегда одно и тоже количество электричества $F = 96485.31$ Кл, вне зависимости от природы этих ионов. Наиболее вероятно, что весь электрический заряд распределен равномерно по всем частицам, и заряд, переносимый одним ионом, будет иметь совершенно определенную величину, равную $F/N_{Av} = e^-$; заряд, переносимый каждым двухвалентным ионом, будет $2e^- = 2F/N_{Av}$; z-валентным ионом:$ z\cdot e^- = z\cdotF/N_{Av}$. Т. е. различные ионы могут нести на себе заряды, кратные $e^-$: равные $1e^-$, $2e^-$, …, $ze^-$".

Анализ тезиса "А" начнем с того, что "количество веществ, выделяемых в растворах одновалентных ионов, будет пропорционально атомным весам ионов" тогда, когда в разных химических реакциях превращаются одинаковые числа $n$ атомов или молекул, ибо масса любых продуктов реакции $m = n\cdot M$, где $M$ — масса молекулы полученного вещества. Так как в законах электролиза количество электричества, равное числу Фарадея, жестко привязано к превращению числа частиц $N_{Av}$, то массы превращенных веществ оказываются пропорциональными и атомным весам ионов, и количеству электричества.
Помимо этого, при анализе тезиса "А" следует исходить из факта, что количество электричества, которым оперируют в электролизе, через электролит не "пропускается", а подводится от внешнего источника тока к электродам для создания и поддержания на них требуемой для электролиза разности потенциалов $U_1$. К тому же на электролиз затрачивается не количество электричества, а электрическая энергия. На первые акты химического превращения израсходуется электрическая энергия: $\Delta W = \Delta U \cdot I \cdot \Delta t$, и без подключенного внешнего источника тока напряжение на электродах электролизера уменьшится до $U_2$. Включение вновь источника тока, вызовет, в результате возникшей разности потенциалов ($\Delta U = U_1 – U_2$) между ним и электродами электролизера, протекание электрического тока $I$ в течение времени $ \Delta t$, пока напряжение на электродах не восстановится до $U_1$ (или до значения, при котором возможен электролиз). Это количество электричества $\Delta q = I\cdot \Delta t$, восстанавливающее напряжение на электродах, пропорционально количеству превращенного вещества, ибо протекание тока $I$ вызвано химическими процессами, идущими в течение времени $\Delta t$. Т. к. химические реакции идут согласно закону кратных отношений, то и количество электричества будет пропорционально эквивалентам превращенных веществ. Энергия в электрохимических процессах подводится (отводится) электрическим током, который измеряется во внешней цепи, а не в электролите.
Для выяснения вопроса о переносе электрического тока ионами рассмотрим обобщенный закон Фарадея:

$$m = \frac{Mq}{zF} \qquad \qquad (1) $$

где $M$ — молекулярная масса вещества, участвующего в электролизе; $q = I \cdot t$ — количество электричества, которое подводится к электродам в процессе электролиза;$F$ — постоянная Фарадея; $z$ — эквивалентное число (или число электронов).

Из тезиса "Б" следует, что число ионов $n$, перешедших за время $t$ в электролит с электрода (или обратно) и несущих общий электрический заряд: $q = n \cdot z \cdot e^-$, пропорционально количеству превращающихся на электроде частиц $n$ за это время. Ток ионов: $I = z \cdot e^- \cdot n/t$, где $z$ — зарядовое число ионов, движущихся к электроду (или от него). Если $z$ в знаменателе формулы обобщенного закона Фарадея (1) принять, как это принято, за количество электронов, участвующих в реакции, то $z$ в числителе и $z$ в знаменателе оказываются равными по величине.
Подставляя в (1) $q = n\cdot z \cdot e^-$, с учетом равенства $F = N_{Av} \cdot e^-$, после сокращений, получим формулу закона Фарадея вовсе без участия электрических зарядов:

$$ m= \frac{n}{N_{Av}}M \qquad \qquad (2) $$

где: $n/N_{Av}$ — мольная доля превращенного вещества с молекулярной массой $M$; $N_{Av}$ — число Авогадро. Масса $m$, прореагировавшего на электроде вещества, пропорциональна произведению мольной доли $n/N_{Av}$ на молекулярную массу вещества $M$. От количества электричества, фигурировавшего в (1), в формуле (2) остается только количество частиц $n$, участвующих в реакции (вне зависимости от их заряда). Согласно (2), при участии в электродных реакциях одинаковых количеств частиц $n$ разных веществ, получим массы веществ, пропорциональные молекулярным массам этих веществ. Об этом было сказано при рассмотрении тезиса "А" и говорится в законах Фарадея.
В тезисе "Б" также утверждается, что различные ионы могут нести на себе заряды, кратные $e^- (1e^-, 2e^-, …, z\cdot e^-)$. Считается, что ток электронов при электролизе идет не в электролите от электрода к электроду, а от одной клеммы внешнего источника тока к одному электроду, и от другого электрода ко второй клемме источника тока. То есть измеряемое количество электричества, входящее в законы электролиза, подводится от внешнего источника тока к электродам, на которых протекают химические реакции, для восстановления напряжения, а не переносится "на ионах" в электролите.

Движение ионов к электродам (от них) осуществляется в результате диффузии реагентов и продуктов реакций, за счет образующихся градиентов концентраций у электродов и в объеме электролита. Скорость перемещения ионов диффузией (при прочих равных условиях) определяется скоростью реакции, которая зависит от разности потенциалов на электродах. Диффузия продуктов электролитических реакций от электродов в объем, а реагентов из объема электролита (к электродам) не нуждается в электрических силах. Ионы диффундируют, получая энергию на перемещение из окружающей среды, от электродов (всегда отличных, по сравнению с электролитами, проводников тепла), от теплового эффекта реакции. Подвод (отвод) энергии для электродных реакций, осуществляемый электронами к электродам (от них), а перемещение веществ — ионами, требуется только после акта химического взаимодействия.

Как видим, законы электролиза, являющиеся базой для ввода в науку дискретной структуры электричества, описываются без привлечения элементарных электрических зарядов.

Дискретность электронов в атоме (или молекуле), заложенная в модель строения атома, наиболее явно выражена в понятии многократно заряженного иона как частицы, имеющей недостаток (или избыток) сразу нескольких электронов. Сущность МЗИ в электролитах объясняется валентностью элемента, его возможностью "одновременно" взаимодействовать с несколькими атомами (группами атомов). Это сказывается на потребностях в энергии на электролиз, на скорости диффузии ионов к электродам (от них) и на изменении концентраций возле электродов, а, следовательно, — на силе электрического тока, восстанавливающего напряжение на электродах. Например, в случае выделения на электроде из электролита пятивалентного металла (или растворения электрода из этого металла) "одновременно" высвобождаются (связываются) пять анионов, тогда как при выделении одновалентного элемента концентрация анионов возрастет только на один анион.
Отсутствие в химии надежных доказательств существования МЗИ, а также, исходя из того, что главным доказательством дискретности электронов в атоме считается существование МЗИ в плазме, вытекает необходимость рассмотрения природы таких ионов.

[Евгений Машеров]

Это кого цитируете-то?
А то как-то сперва человек говорит о выделении пятивалентного металла и затем об "отсутствии надёжных доказательств существования..." То есть распад логики в пределах одного абзаца.

[Trifon]

Евгений Машеров в сообщении #920127 писал(а):

Это кого цитируете-то?
А то как-то сперва человек говорит о выделении пятивалентного металла и затем об "отсутствии надёжных доказательств существования..." То есть распад логики в пределах одного абзаца.

Это цитата из статьи химика В.В. Шатова "Элементарный электрический заряд, опыты Милликена и гипотеза о многократно заряженных ионах", Доклады независимых авторов" №30, 2014. Но в этой теме меня интересуют ионы и законы электролиза. И не хотелось бы отвлекаться пока на Милликена...
Валентность то здесь причем? Может это просто общепринятый термин? Как он связан с зарядом ионов? Или мне надо цитировать всю статью и содержание статей-ссылок из нее? (Я от этого не отказываюсь, но...).

-- 18.10.2014, 12:11 --

rockclimber в сообщении #919913 писал(а):

А все эксперименты, проведенные с 1836 года, чем его не устраивают? Или он не знает про них?

Trifon в сообщении #919905 писал(а):

Из гипотезы следует, что заряд альфа-частиц равен единице, а их скорость должна быть в 1,414 раз меньше, чем предполагается, например, в альфа-спектроскопии.

Это как понимать? "Мы наблюдаем у альфа-частиц какую-то скорость, но она неправильная, должна быть в 1,414 раз меньше". Так что ли?

Насколько я понял, речь идет о связи скорости и заряда иона, а 1,414 это корень из 2. Если изначально принимается заряд =2, а он = 1, то скорость должна быть меньше...

[Евгений Машеров]

Стоп. А что Вы вообще знаете о химической связи? И, кстати, не поделитесь ли сведениями о Вашем образовательном цензе? Извините, разговор со школьником, случайно заглянувшим в учебник следующего класса, с журналистом, вдруг взволновавшимся вопросами точных наук и с носителем "сверхценной идеи" будет разный (и есть случаи - когда исключительно жестами).

[rockclimber]

Trifon в сообщении #920136 писал(а):

Валентность то здесь причем? Может это просто общепринятый термин?

Вообще-то да. Термин, и общепринятый. И с зарядом ионов он связан напрямую. В ряде случаев валентность в точности равна заряду иона.

[Trifon]

Евгений Машеров в сообщении #920141 писал(а):

Стоп. А что Вы вообще знаете о химической связи? И, кстати, не поделитесь ли сведениями о Вашем образовательном цензе? Извините, разговор со школьником, случайно заглянувшим в учебник следующего класса, с журналистом, вдруг взволновавшимся вопросами точных наук и с носителем "сверхценной идеи" будет разный (и есть случаи - когда исключительно жестами).

Имею высшее университетское естественно научное (советское) образование.
Взаимный вопрос? Вы кто, что из себя представляете?

-- 18.10.2014, 20:09 --

rockclimber в сообщении #920144 писал(а):

Trifon в сообщении #920136 писал(а):

Валентность то здесь причем? Может это просто общепринятый термин?

Вообще-то да. Термин, и общепринятый. И с зарядом ионов он связан напрямую. В ряде случаев валентность в точности равна заряду иона.

Каким образом валентность связана с зарядом иона???