Какъв електрически заряд имат електроните? Какви електрически заряди имат електроните и неутроните? Примери за решаване на проблеми

До началото на 20 век учените смятаха, че атомът е най-малката неделима частица материя, но това се оказа погрешно. Всъщност в центъра на атома е неговото ядро ​​с положително заредени протони и неутрални неутрони, а отрицателно заредените електрони се въртят в орбитали около ядрото (този модел на атома е предложен през 1911 г. от Е. Ръдърфорд). Трябва да се отбележи, че масите на протоните и неутроните са почти равни, но масата на електрона е около 2000 пъти по-малка.

Въпреки че един атом съдържа както положително, така и отрицателно заредени частици, неговият заряд е неутрален, тъй като атомът има еднакъв брой протони и електрони, а различно заредените частици се неутрализират взаимно.

По-късно учените установиха, че електроните и протоните имат еднакво количество заряд, равно на 1,6 10 -19 C (C е кулон, единица за електрически заряд в системата SI.

Замисляли ли сте се над въпроса - какъв брой електрони отговаря на заряд от 1 C?

1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 електрона

Електрическа енергия

Електрическите заряди си влияят взаимно, което се проявява във формата електрическа сила.

Ако едно тяло има излишък от електрони, то ще има общ отрицателен електрически заряд и обратното – ако има недостиг на електрони, тялото ще има общ положителен заряд.

По аналогия с магнитните сили, когато еднакво заредените полюси се отблъскват и противоположно заредените полюси се привличат, електрическите заряди се държат по подобен начин. Във физиката обаче не е достатъчно просто да се говори за полярността на електрическия заряд; важна е неговата числена стойност.

За да разберете големината на силата, действаща между заредените тела, е необходимо да знаете не само големината на зарядите, но и разстоянието между тях. Силата на универсалната гравитация вече беше разгледана по-рано: F = (Gm 1 m 2)/R 2

• m 1, m 2- телесни маси;
• Р- разстоянието между центровете на телата;
• G = 6,67 10 -11 Nm 2 /kg- универсална гравитационна константа.

В резултат на лабораторни експерименти физиците извеждат подобна формула за силата на взаимодействие на електрическите заряди, която се нарича Закон на Кулон:

F = kq 1 q 2 /r 2

• q 1, q 2 - взаимодействащи заряди, измерени в C;
• r е разстоянието между зарядите;
• k - коефициент на пропорционалност ( SI: k=8,99·109 Nm 2 Cl 2; SSSE: k=1).

• k=1/(4πε 0).
• ε 0 ≈8.85·10 -12 C 2 N -1 m -2 - електрическа константа.

Според закона на Кулон, ако два заряда имат еднакъв знак, тогава силата F, действаща между тях, е положителна (зарядите се отблъскват); ако зарядите имат противоположни знаци, действащата сила е отрицателна (зарядите се привличат).

Колко огромна е силата на заряд от 1 C може да се прецени с помощта на закона на Кулон. Например, ако приемем, че два заряда, всеки 1 C, са разположени на разстояние 10 метра един от друг, тогава те ще се отблъскват един друг със сила:

F = kq 1 q 2 /r 2 F = (8,99 10 9) 1 1/(10 2) = -8,99 10 7 N

Това е доста голяма сила, приблизително сравнима с маса от 5600 тона.

Нека сега използваме закона на Кулон, за да разберем с каква линейна скорост се върти електронът във водороден атом, като приемем, че се движи по кръгова орбита.

Съгласно закона на Кулон, електростатичната сила, действаща върху електрона, може да се приравни на центростремителна сила:

F = kq 1 q 2 /r 2 = mv 2 /r

Като вземем предвид факта, че масата на електрона е 9,1·10 -31 kg, а радиусът на орбитата му = 5,29·10 -11 m, получаваме стойността 8,22·10 -8 N.

Сега можем да намерим линейната скорост на електрона:

8,22·10 -8 = (9,1·10 -31)v 2 /(5,29·10 -11) v = 2,19·10 6 m/s

Така електронът на водородния атом се върти около центъра си със скорост приблизително 7,88 милиона км/ч.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Протоннаречена стабилна частица, принадлежаща към класа на адроните, която е ядрото на водороден атом.

Учените не са съгласни кое научно събитие трябва да се счита за откриването на протона. Важна роля в откриването на протона изиграха:

1. създаване на планетарен модел на атома от Е. Ръдърфорд;
2. откриване на изотопи от Ф. Соди, Дж. Томсън, Ф. Астън;
3. наблюдения на поведението на ядрата на водородните атоми, когато те са избити от алфа частици от азотни ядра от Е. Ръдърфорд.

Първите снимки на протонни следи са получени от P. Blackett в облачна камера при изучаване на процесите на изкуствена трансформация на елементи. Блекет изучава процеса на улавяне на алфа частици от азотни ядра. При този процес е бил излъчен протон и азотното ядро ​​се е превърнало в изотоп на кислорода.

Протоните, заедно с неутроните, са част от ядрата на всички химични елементи. Броят на протоните в ядрото определя атомния номер на елемента в периодичната таблица D.I. Менделеев.

Протонът е положително заредена частица. Неговият заряд е равен по големина на елементарния заряд, тоест стойността на заряда на електрона. Зарядът на протона често се означава като , тогава можем да напишем, че:

Понастоящем се смята, че протонът не е елементарна частица. Има сложна структура и се състои от два u-кварка и един d-кварк. Електрическият заряд на u-кварк () е положителен и е равен на

Електрическият заряд на d-кварк () е отрицателен и е равен на:

Кварките свързват обмена на глуони, които са полеви кванти; те издържат на силно взаимодействие. Фактът, че протоните имат няколко точкови разсейващи центрове в тяхната структура, се потвърждава от експерименти за разсейване на електрони от протони.

Протонът има краен размер, за който учените все още спорят. В момента протонът е представен като облак с размита граница. Такава граница се състои от постоянно възникващи и унищожаващи виртуални частици. Но в повечето прости задачи протонът може, разбира се, да се счита за точков заряд. Масата на покой на протон () е приблизително равна на:

Масата на протона е 1836 пъти по-голяма от масата на електрона.

Протоните участват във всички фундаментални взаимодействия: силните взаимодействия обединяват протоните и неутроните в ядра, електроните и протоните се обединяват в атоми чрез електромагнитни взаимодействия. Като слабо взаимодействие можем да цитираме например бета-разпадането на неутрон (n):

където р е протон; — електрон; - антинеутрино.

Протонният разпад все още не е получен. Това е един от важните съвременни проблеми на физиката, тъй като това откритие би било значителна стъпка в разбирането на единството на природните сили.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Упражнение	Ядрата на натриевия атом са бомбардирани с протони. Каква е силата на електростатичното отблъскване на протон от ядрото на атома, ако протонът е на разстояние м. Помислете, че зарядът на ядрото на натриев атом е 11 пъти по-голям от заряда на протона. Влиянието на електронната обвивка на натриевия атом може да се пренебрегне.
Решение	Като основа за решаване на проблема ще вземем закона на Кулон, който може да бъде написан за нашия проблем (приемайки, че частиците са точкови) по следния начин: където F е силата на електростатично взаимодействие на заредени частици; Cl е зарядът на протона; - заряд на ядрото на натриевия атом; - диелектрична константа на вакуум; - електрическа константа. Използвайки данните, с които разполагаме, можем да изчислим необходимата отблъскваща сила:
Отговор	н

ПРИМЕР 2

Упражнение

Като се има предвид най-простият модел на водородния атом, се смята, че електронът се движи по кръгова орбита около протона (ядрото на водородния атом). Каква е скоростта на електрона, ако радиусът на неговата орбита е m?

Решение

Нека разгледаме силите (фиг. 1), които действат върху електрон, движещ се в кръг. Това е силата на привличане от протона. Според закона на Кулон записваме, че стойността му е равна на (): където =— заряд на електрона; - протонен заряд; - електрическа константа. Силата на привличане между електрон и протон във всяка точка от орбитата на електрона е насочена от електрона към протона по радиуса на окръжността.

Ако разтриете стъклена пръчка върху лист хартия, пръчката ще придобие способността да привлича листата на „султана“ (виж фиг. 1.1), мъх и тънки струи вода. Когато разресвате суха коса с пластмасов гребен, косата се привлича от гребена. В тези прости примери се сблъскваме с проявата на сили, които се наричат електрически.

Ориз. 1.1. Привличане на листата на „султана“ с електрифицирана стъклена пръчка.

Наричат ​​се тела или частици, които действат върху околните обекти с електрически сили зареденаили електрифициран. Например споменатата по-горе стъклена пръчка, след като се потърка върху лист хартия, се наелектризира.

Частиците имат електрически заряд, ако взаимодействат една с друга чрез електрически сили. Електрическите сили намаляват с увеличаване на разстоянието между частиците. Електрическите сили са многократно по-големи от силите на всемирната гравитация.

Електрически заряде физическа величина, която определя интензивността на електромагнитните взаимодействия. Електромагнитните взаимодействия са взаимодействия между заредени частици или тела.

Електрическите заряди се делят на положителни и отрицателни. Стабилните елементарни частици имат положителен заряд - протониИ позитрони, както и йони на метални атоми и др. Стабилни носители на отрицателен заряд са електронИ антипротон.

Има електрически незаредени частици, тоест неутрални: неутрон, неутрино. Тези частици не участват в електрически взаимодействия, тъй като техният електрически заряд е нула. Има частици без електрически заряд, но електрически заряд не съществува без частица.

Положителните заряди се появяват върху стъкло, натъркано с коприна. Ебонитът, натрит върху козината, има отрицателни заряди. Частиците се отблъскват, когато зарядите имат еднакви знаци ( обвинения със същото име), и с различни знаци ( за разлика от таксите) частиците се привличат.

Всички тела са изградени от атоми. Атомите се състоят от положително заредено атомно ядро ​​и отрицателно заредени електрони, които се движат около атомното ядро. Атомното ядро ​​се състои от положително заредени протони и неутрални частици - неутрони. Зарядите в атома са разпределени по такъв начин, че атомът като цяло е неутрален, тоест сумата от положителните и отрицателните заряди в атома е нула.

Електроните и протоните са част от всяко вещество и са най-малките стабилни елементарни частици. Тези частици могат да съществуват в свободно състояние неограничено време. Електрическият заряд на електрона и протона се нарича елементарен заряд.

Елементарно зареждане- това е минималният заряд, който имат всички заредени елементарни частици. Електрическият заряд на протона е равен по абсолютна стойност на заряда на електрона:

E = 1,6021892(46) * 10 -19 C Големината на всеки заряд е кратна по абсолютна стойност на елементарния заряд, т.е. заряда на електрона. Електрон в превод от гръцки електрон - кехлибар, протон - от гръцки protos - първи, неутрон от латински neutrum - нито едното, нито другото.

Проводници и диелектрици

Електрическите заряди могат да се движат. Наричат ​​се вещества, в които електрическите заряди могат да се движат свободно проводници. Добри проводници са всички метали (проводници от първи вид), водни разтвори на соли и киселини - електролити(проводници тип II), както и горещи газове и други вещества. Човешкото тяло също е проводник. Проводниците имат висока електрическа проводимост, тоест те провеждат добре електрически ток.

Наричат ​​се вещества, в които електрическите заряди не могат да се движат свободно диелектрици(от англ. dielectric, от гръцки dia - през, през и англ. electric - електрически). Тези вещества се наричат ​​още изолатори. Електрическата проводимост на диелектриците е много ниска в сравнение с металите. Добри изолатори са порцелан, стъкло, кехлибар, ебонит, каучук, коприна, газове при стайна температура и други вещества.

Разделянето на проводници и изолатори е произволно, тъй като проводимостта зависи от различни фактори, включително температура. Например стъклото изолира добре само при сух въздух и става лош изолатор при висока влажност на въздуха.

Проводниците и диелектриците играят огромна роля в съвременните приложения на електричеството.

Какво е атом?Преведено на руски атом означава неделим. Дълго време никой не можеше да опровергае това твърдение. И накрая, в края на 19 век е доказано, че атомът е разделен на по-малки частици, основните от които са електрони, протони и неутрони.

При изучаването на тези частици се оказа, че протоните и електроните имат електрически заряди и техните заряди са еднакви по големина, но противоположни по знак. Зарядът на електрона се отнася до това електричество, което се нарича отрицателно, а зарядът на протона се отнася до това, което се нарича положително.

Масата на електрона е приблизително 1840 пъти по-малка от масата на протона.

Тъй като електроните и протоните са електрически заредени, те се подчиняват на закона за взаимодействието на електрическите заряди: еднаквите заряди се отблъскват (протон с протон и електрон с електрон), а противоположните заряди се привличат (протон с електрон).

Неутрон- третата частица в атома, масата е равна на протона, но неутронът няма електрически заряд. Твърди се, че е електрически неутрален, откъдето идва и името му - неутрон.

Както бе споменато по-горе, атомът има много сложна структура, но за първи път можем да се ограничим до следната опростена идея за неговата структура.

В центъра на атома е ядрото, то се състои от протони и неутрони, следователно е положително заредено. Електроните се въртят около ядрото на внушително разстояние, стотици хиляди пъти по-голямо от неговия размер.

Тъй като всеки атом има същия брой електрони като броя на протоните, той се счита за електрически неутрален.

Най-простият атом по структура е водородният атом, неговото ядро ​​се състои от един протон, около който се върти един електрон.

Атомите на различни вещества се различават един от друг по броя на протоните, неутроните и електроните.

Какво е йон?Ако по някакъв начин един атом загуби един или повече електрони, той ще стане положително зареден, такъв атом ще се нарече положителен йон, а ако атомът спечели един или повече електрони, ще се нарече отрицателен йон, защото ще бъде отрицателно зареден .

Електрическо поле.Учените са установили съществуването на особен вид материя - поле. Около електрическите заряди също има поле, наречено електрическо. Характерна особеност на това поле е механичната сила, действаща върху електрическите заряди, разположени в това поле. Най-често електрическото поле се изобразява на чертежи под формата на стрелки, показващи посоката, в която би се движил свободен положителен заряд под въздействието на силите на това поле. Тези линии се наричат ​​още електропроводи. В действителност няма линии.

Проводници и изолатори. В различните вещества електроните са свързани с техните атоми по различни начини, при някои връзката е силна, при други не. Електроните, които са слабо свързани с атомите и които лесно могат да ги напуснат, се наричат ​​свободни електрони. Ако в една от точките на веществото, в което има свободни електрони, се създаде излишък от тях, а в друга - дефицит, тогава те, поддържайки хаотично движение, ще започнат да се движат с цялата си маса към тази точка, страната, където няма достатъчно електрони. Това еднопосочно движение ще се нарече електрически ток. Веществата, които съдържат свободни електрони, се наричат ​​проводници на електрически ток. В други вещества, например слюда, каучук, електроните, напротив, са много тясно свързани с техните атоми и при нормални условия няма да могат да ги напуснат; в такива вещества никога няма да възникне ток, поради което те се наричат непроводници или изолатори.

1. Основни принципи на молекулярно-кинетичната теория? 2. Как се пренася енергията от Слънцето към Земята? 3.Кое

веществото ще се чувства ли най-горещо на допир при горещо време?

Д) Стъкло

4. Колко топлина ще се отдели при пълното изгаряне на бензин с тегло 5 кг Специфичната топлина на изгаряне на бензина е 4,6 * 10^7 J/kg.

5. Какви електрически заряди имат електронът и протонът?

1) Определете силата на тока в електрическа крушка, ако електрически заряд от 300 C преминава през нейната жичка за 10 минути.

2) Какъв електрически заряд ще премине през амперметъра за 3 минути, когато силата на тока във веригата е 0,2 A?

3) При електрическо заваряване силата на тока достига 200 А. Колко време отнема заряд от 60 000 С да премине през напречното сечение на електрода?

4) За 2 минути през спиралата на електрическата печка е преминал заряд от 600 С. Каква е силата на тока в спиралата?

5) Силата на тока в желязото е 0,2 А. Какъв електрически заряд ще премине през намотката му за 5 минути?

6) Колко време ще отнеме заряд, равен на 30 C, за да премине през напречното сечение на проводника при ток 200 mA?

МОЛЯ, ПОМОГНЕТЕ AA!! Определете силата на тока в електрическа лампа, ако електрически заряд от 300 C преминава през нейната жичка за 10 минути

Какъв електрически заряд ще премине през амперметъра за 3 минути, когато силата на тока във веригата е 0,2 A?

4. Не можем да видим електрони, движещи се в метален проводник. Можем да съдим за наличието на електрически ток във верига по ефектите на тока. Който

действията не са причинени от електрически ток? А) топлинна; Б) механични; В) магнитни; Г) химически. 5. В древни времена се е предполагало, че както положителните, така и отрицателните електрически заряди могат да се движат във всички проводници. Движението на кои частици в електрическо поле се приема за посока на тока? А) положителни заряди; Б) електрони; В) неутрони; Г) отрицателни йони. 6. Ампер Андре Мари – френски физик и математик. Той създава първата теория, която изразява връзката между електрическите и магнитните явления. Ампер има хипотеза за природата на магнетизма. И кое понятие въвежда за първи път във физиката?А) сила на тока; Б) електрически ток; В) електрон; Г) електрически заряд. 7. Работата, извършена от силите на електричното поле, което създава електрически ток, се нарича работа на тока. Зависи от силата на тока. Но работата не зависи само от силата на тока. От какво друго количество зависи? А) напрежение; Б) мощност; В) количество топлина; Г) скорост. 8. За измерване на напрежението на полюсите на източник на ток или на някакъв участък от веригата се използва устройство, наречено волтметър. Много волтметри са много подобни на външен вид на амперметрите. За да се разграничи от другите устройства, върху скалата е поставена буквата V. Но как се свързва волтметър към веригата? А) паралелно; Б) последователно; В) строго зад батерията; Г) свързан към амперметър. 9. Зависимостта на силата на тока от свойствата на проводника се обяснява с факта, че различните проводници имат различно електрическо съпротивление. От какво не зависи съпротивлението? А) от различия в структурата на кристалната решетка; Б) тегловни; В) по дължина; Г) от площта на напречното сечение. 10. Има два начина за свързване на проводници: паралелно и последователно. Много е удобно да се използват паралелни връзки на потребителите в ежедневието и в технологиите. Коя електрическа величина е еднаква за всички паралелно свързани проводници: А) сила на тока; Б) напрежение; В) време; Г) съпротивление. 11. За 5 s движение тяло изминава 12,5 м. Какво разстояние ще измине тялото за 6 s движение, ако се движи с постоянно ускорение? А) 25 m; Б) 13 м; В) 36 m; Г) 18 м. 12. Ученик изминал една трета от пътя с автобус със скорост 60 км/ч, а друга трета от пътя с велосипед със скорост 20 км/ч. Последната трета от пътуването е измината със скорост 5 km/h. Определете средната скорост на движение. А) 30 км/ч; Б) 10 км/ч; В) 283 км/ч; Г) 11,25 км/ч. 13. Плътността на водата се приема за 1000 kg/m3, а плътността на леда е 900 kg/m3. Ако един леден къс плава, стърчащ 50 m3 над повърхността на водата, какъв е обемът на целия леден къс? А) 100 m3; Б) 200 m3; В) 150 m3; Г) 500 m3. 14. Тежести и () са прикрепени към краищата на тънка пръчка с дължина L. Прътът е окачен на нишка и е разположен хоризонтално. Намерете разстоянието x от масата m1 до точката на окачване на нишката. Пренебрегнете масата на пръта A) x = (L∙m2) / (m1 – m2); B) x = (L∙m2) / (m1 + m2); C) x = (L∙m1) / (m1 – m2); D) x = (L∙m1) / (m1 + m2). 15. Алпинистите се изкачват до върха на планината. Как се променя атмосферното налягане при движение на спортисти? А) ще се увеличи; Б) няма да се промени; В) няма верен отговор. Г) ще намалее;