Самым важным результатом здесь будем считать тот, что разность потенциалов (напряжение) между точкой первой орбиты и точкой n ной орбиты почти равна разности потенциалов (напряжению) между любой из точек первой орбиты и «бесконечностью».
Зачем нам понадобилось привязывать потенциалы к орбитам 1 и n? Это нужно только для того, чтобы задать точное расстояние между двумя фиксированными точками потенциального поля протона d. Потому что расстояние между любой точкой поля вблизи протона и далёкой бесконечностью (как истинное d для истинного потенциала) измерять, мягко говоря, неудобно. Но это d нам необходимо знать потому, что классика физики определяет через него напряжённость поля (поля протона, в данном случае):
где потенциальная энергия нашего «пробного» заряда (электрона как «заряда»), внесённого из бесконечности в данную точку потенциального поля протона;
заряд электрона, как поле этого заряда (о нём мы поговорим ещё более подробно ниже);
напряжённость электрического поля протона в точке внесения «пробного заряда» (электрона);
расстояние между точкой нулевого потенциала и данной точкой потенциального поля протона; здесь важно то, что (в нашем примере с n ной орбитой) расстояние между n ной орбитой и бесконечностью равно не бесконечности, но мы его принимаем «нулевым», так как ведём отсчёт потенциала не от бесконечности, а, в первом приближении, от n ной орбиты, где потенциал (между n ной орбитой и бесконечностью) мало отличается от «нуля» (от потенциала бесконечно удалённой точки как потенциала истинного там «нуля»).
Начнём с закона, проверенного временем. Таким, главным в электростатике, является закон Кулона:
где заряды и
мы обозначаем символами, принятыми в теории Бора и квантовой механике;
K электростатическая постоянная, о которой мы будем ещё говорить ниже.
Если поле создаётся зарядом (протон), то на заряд
(электрон) со стороны
действует сила Кулона. В общем случае: чем больше заряд
(протон), тем больше сила, действующая на
(электрон). Но мы говорим, для простоты формулировок, об атоме водорода, где оба заряда
и
единичные. Эту силу, действующую на
со стороны
можно рассматривать как характеристику поля заряда
(протона). Эту характеристику физики называют «напряжённостью электрического поля». Вспоминая Фарадея, напряжённость электрического поля можно ассоциировать с количеством «силовых линий» поля заряда
, пронизывающих некоторую единичную площадку, где находится, скажем, пробный единичный заряд (
). В общем случае, чем больше заряд
(электрон), тем с большей силой он должен притягиваться полем заряда
к этому заряду
(к протону). То есть электростатическая сила F должна быть прямо пропорциональной пробному заряду
. С другой стороны, она же должна быть прямо пропорциональной количеству силовых линий, то есть напряжённости поля. Таким образом, сила, действующая на заряд
в поле заряда
должна быть следующей:
откуда напряжённость поля в данной точке равна отношению силы, с которой поле (заряда ) действует на пробный точечный заряд (
) к этому заряду:
Фактически оба последних выражения это определения в электростатике силы поля и напряжённости этого поля. Сразу же разберёмся с размерностями величин.
В вольтах измеряется разность потенциалов между двумя точками электрического поля. О ней мы ниже будем подробно говорить.
Если напряжённость поля E это вектор и силовая характеристика поля, то потенциал φ это скаляр и энергетическая характеристика поля.
Потенциалом точки электростатического поля называется отношение потенциальной энергии заряда, помещённого в данную точку, к этому заряду:
Фактически потенциал это та же энергия, которую придали заряду, поместив его в данную точку поля:
Здесь заряду придана энергия
, выражаемая в «электрон-вольтах». Причём сама энергетическая характеристика «электрон-вольт» говорит о том, что в ней речь идёт о единичном заряде, который несёт на себе элементарная частица электрон. То есть фактически уже в определение потенциала внесена его нормировка. Дело в том, что в данную точку поля может вноситься не только единичный заряд, но и в общем случае сложенный составной. Но в любом случае классика измеряет любую энергию (в том числе и потенциальную
) в джоулях (Дж), а заряд в кулонах (Кл). Поэтому единица потенциала вольт (В) определяется как:
Но поскольку кулон для атомных процессов это гигантская величина, то здесь работают с единицей заряда не «кулон», а «заряд электрона». Эта единица составляет очень малую часть от заряда кулона:
Но поскольку кулон для атомных процессов это гигантская величина, то здесь работают с единицей заряда не «кулон», а «заряд электрона». Эта единица составляет очень малую часть от заряда кулона:
Поэтому для получения той же единицы потенциала «вольта» энергию уменьшают в такое же число раз и получают новую единицу энергии «электрон-вольт» (эВ):
Тогда
Здесь в энергию «электрон-вольт» включена единица заряда «e» (заряд электрона). Поэтому для получения чистого потенциала «1 вольт» надо эту энергию нормировать к единичному заряду (разделить на величину единичного заряда).