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液氢沸点来历的计算 已有1人参与
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液氢沸点来历的计算 田江南 （高坪畜牧局 四川•南充 637000） 摘要：对氢元素由液态转为气态的临界状态的物理机制进行分析，计算出液氢沸点，与实验值符合很好。并指出，液氢状态时原子之间是由磁场力吸引在一起，因而凝聚。 关键词：原子结团，玻尔模型，磁场势能，液氢原子，分离，右边原子。 中图分类号：0571.51 文献标识码：B 一、初步分析 实验测得，氢元素的沸点是零下252.77度，转化成热力学温度，是 T=20.36开 （1） 对于这个数据，它的来历是怎么回事，或者说为什么氢的沸点是这么多，我们可由微观结构和运动算出来。以下，我们就推导这一过程。 从逻辑上推断，氢原子呈电中性，而液氢原子是聚合在一起的，因而，液氢原子之间不可能靠电场力而吸引。但是，液氢原子之间是有磁场力的，它们可由磁场力结合。 因为根据玻尔氢原子模型，电子在绕核运动，其存在电流I，且I=e/t。其中e 是元电量，t是周期。这个电流要产生磁场，因而两氢原子之间会发生磁力作用。我们又知道，两块磁铁靠近作用，总会转到吸引状态，且是最大吸引状态，因此，两氢原子也一样，它们的磁作用总是相互吸引的。又液态时原子是紧挨在一起的，而气态时原子是分离的。因此，氢由液态转为气态，就可看成在外加能量的情况下，克服磁引力势能做功，原子由吸引而分离的过程。 这一过程的能量是多少，我们可计算。 二、计算过程 首先，两氢原子紧挨在一起时，其磁场势能是E，有 E= • 这里， 是真空磁导率，l是电流长度，r为氢原子半径。 由于两氢原子靠在一起，又两氢原子半径一样大，因此，这里距离取2r。此式运用了微积分的结论。 当然，这里仍把氢原子看作球体，Il相当于电荷， 替换了真空介电常数 ，因此，此式表达式类似于点电荷电势能公式。 又由于 ， ，故 ，v为氢原子基态平均轨道速度。因而，此式可化为 （2） 我们又知道，一左一右两氢原子紧靠在一起时，并不十分对称、平衡、稳定，还得有一上，一下，一前，一后的四个氢原子加进来，紧靠在一起，才能完全对称、稳定。我们把这六个紧靠在一起的氢原子叫做氢原子结团，它可看成液氢的组成单元。 那么，结团中，某个氢原子要脱离这个结团中其它原子对它的磁引力束缚，跑到无穷远处去，需要能量，这个能量是多少？如右边的氢原子要跑到无穷远处，首先得克服左边氢原子对它吸引能E，这个E我们可按（2）式计算。同时，它也受到上、下、前、后的氢原子的引力，而且，上、下、前、后的氢原子对右边原子的引力势能是相等的（根据对称分析得出）。那么，如上边氢原子对右边氢原子的磁引力势能E0是多少？根据几何知识和受力分解，我们可算出 这里，为什么要除以2，是因为上边原子中电子绕核运动平面要与右边原子中电子绕核运动平面垂直（上边原子电子运动平面要与下边原子电子运动平面平行，且电子运动同向，同相，读者可画图分析），因而两原子中电子运动有一半的时间平行，一半的时候垂直，对磁引力势的贡献只有一半，所以除以2。 那么，上、下、前、后对右边原子的引力势一样大，故右边氢原子脱离原子结团向右运动到无穷远处所需能量为E+4E0，即 把 ， ， ， 代进去，得 （1+4×0.707/2） =2.80844×10-22J 把这个能量换算成热力学温度只需除以玻尔兹曼常数K，得 开 与前面实验值比较，理论值与它相符合，说明我们推导的正确性。 三、小结 以上推算也说明液态原子间结合靠磁场提供引力，但是，可能有人会问，氢原子结团以外的氢原子为何不对右边氢原子施加磁影响，为什么不计算结团以外的氢原子的磁场势，作者回答是：固体中原子和原子结团规则排列，对称而有序，就像晶体那样。而液体有流动性，根据布朗运动，说明液体中原子结团是无序的、混乱的，因而其它原子结团对以上分析的某个原子结团的能量影响是对称的，它们进行了抵消，所以可不计算其它原子结团对右边氢原子的影响。就像玻尔计算氢的电离能，不会考虑其它原子的影响一样。 总的来说，本文计算过程说得还不够详细，尤其没作图说明，希望读者谅解。读者可仔细分析，便能了解这一过程。  4  1  2  3 |
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2楼2011-10-30 15:02:02
