Milline elektrilaeng on elektronidel? Millised elektrilaengud on elektronidel ja neutronitel? Näited probleemide lahendamisest

Kuni 20. sajandi alguseni uskusid teadlased, et aatom on aine väikseim jagamatu osake, kuid see osutus valeks. Tegelikult asub aatomi keskmes selle tuum positiivselt laetud prootonite ja neutraalsete neutronitega ning negatiivselt laetud elektronid pöörlevad ümber tuuma orbitaalidel (selle aatomi mudeli pakkus välja 1911. aastal E. Rutherford). Tähelepanuväärne on see, et prootonite ja neutronite massid on peaaegu võrdsed, kuid elektroni mass on umbes 2000 korda väiksem.

Kuigi aatom sisaldab nii positiivselt kui ka negatiivselt laetud osakesi, on selle laeng neutraalne, kuna aatomis on sama arv prootoneid ja elektrone ning erinevalt laetud osakesed neutraliseerivad üksteist.

Hiljem avastasid teadlased, et elektronidel ja prootonitel on sama laeng, mis võrdub 1,6 10 -19 C (C on kulon, elektrilaengu ühik SI-süsteemis.

Kas olete kunagi mõelnud küsimusele - kui palju elektrone vastab 1 C laengule?

1/(1,6·10-19) = 6,25·10 18 elektroni

Elektrienergia

Elektrilaengud mõjutavad üksteist, mis väljendub vormis elektriline jõud.

Kui kehas on elektrone üleliigselt, on sellel negatiivne elektrilaeng ja vastupidi – elektronide defitsiidi korral on kehal positiivne kogulaeng.

Analoogiliselt magnetjõududega, kui sarnase laenguga poolused tõrjuvad ja vastupidiselt laetud poolused tõmbuvad, käituvad elektrilaengud sarnaselt. Füüsikas ei piisa aga lihtsalt elektrilaengu polaarsusest rääkimisest, oluline on selle arvväärtus.

Laetud kehade vahel mõjuva jõu suuruse väljaselgitamiseks on vaja teada mitte ainult laengute suurust, vaid ka nendevahelist kaugust. Universaalse gravitatsioonijõuga on juba varem arvestatud: F = (Gm 1 m 2)/R 2

• m 1, m 2- kehamassid;
• R- kehade keskpunktide vaheline kaugus;
• G = 6,67 10-11 Nm2/kg- universaalne gravitatsioonikonstant.

Füüsikud tuletasid laboratoorsete katsete tulemusena elektrilaengute vastastikmõju jõu kohta sarnase valemi, mis sai nn. Coulombi seadus:

F = kq 1 q 2 /r 2

• q 1, q 2 - interakteeruvad laengud, mõõdetuna C-s;
• r on laengute vaheline kaugus;
• k - proportsionaalsuskoefitsient ( SI: k=8,99·10 9 Nm2Cl2; SSSE: k=1).

• k=1/(4πε 0).
• ε 0 ≈8,85·10 -12 C 2 N -1 m -2 - elektriline konstant.

Coulombi seaduse järgi, kui kahel laengul on sama märk, siis nende vahel mõjuv jõud F on positiivne (laengud tõrjuvad üksteist); kui laengutel on vastandmärgid, on mõjujõud negatiivne (laengud tõmbavad üksteist).

Kui tohutu on 1 C laengu jõud, saab hinnata Coulombi seaduse abil. Näiteks kui eeldame, et kaks laengut, kumbki 1 C, asuvad üksteisest 10 meetri kaugusel, tõrjuvad nad üksteist jõuga:

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

See on üsna suur jõud, mis on ligikaudu võrreldav 5600-tonnise massiga.

Kasutame nüüd Coulombi seadust, et teada saada, millise lineaarse kiirusega elektron vesinikuaatomis pöörleb, eeldades, et see liigub ringorbiidil.

Coulombi seaduse järgi võib elektronile mõjuva elektrostaatilise jõu võrdsustada tsentripetaaljõuga:

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

Võttes arvesse asjaolu, et elektroni mass on 9,1 · 10 -31 kg ja tema orbiidi raadius = 5,29 · 10 -11 m, saame väärtuse 8,22 · 10 -8 N.

Nüüd leiame elektroni lineaarkiiruse:

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

Seega pöörleb vesinikuaatomi elektron ümber oma keskpunkti kiirusega ligikaudu 7,88 miljonit km/h.

MÄÄRATLUS

Prooton nimetatakse hadronite klassi kuuluvaks stabiilseks osakeseks, mis on vesinikuaatomi tuum.

Teadlased on eriarvamusel, millist teaduslikku sündmust tuleks pidada prootoni avastamiseks. Olulist rolli prootoni avastamisel mängisid:

1. aatomi planetaarse mudeli loomine E. Rutherfordi poolt;
2. isotoopide avastamine, F. Soddy, J. Thomson, F. Aston;
3. E. Rutherfordi tähelepanekud vesinikuaatomite tuumade käitumisest, kui need alfaosakesed lämmastiku tuumadest välja löövad.

Esimesed fotod prootoni jälgedest sai P. Blackett pilvekambris elementide kunstliku muundumise protsesse uurides. Blackett uuris alfaosakeste püüdmise protsessi lämmastiku tuumade poolt. Selle protsessi käigus eraldus prooton ja lämmastiku tuum muudeti hapniku isotoobiks.

Prootonid koos neutronitega on osa kõigi keemiliste elementide tuumadest. Prootonite arv tuumas määrab elemendi aatomnumbri perioodilisustabelis D.I. Mendelejev.

Prooton on positiivselt laetud osake. Selle laeng on suuruselt võrdne elementaarlaenguga, see tähendab elektroni laengu väärtusega. Prootoni laengut tähistatakse sageli kui , siis võime kirjutada, et:

Praegu arvatakse, et prooton ei ole elementaarosake. Sellel on keeruline struktuur ja see koosneb kahest u-kvargist ja ühest d-kvargist. U-kvargi () elektrilaeng on positiivne ja see on võrdne

D-kvargi () elektrilaeng on negatiivne ja võrdne:

Kvargid ühendavad gluoonide vahetust, mis on välja kvantid; nad taluvad tugevat vastasmõju. Seda, et prootonite struktuuris on mitu punkthajumiskeskust, kinnitavad katsed elektronide prootonite hajutamise kohta.

Prootonil on piiratud suurus, mille üle teadlased siiani vaidlevad. Praegu on prootonit kujutatud pilvena, millel on hägune piir. Selline piir koosneb pidevalt esilekerkivatest ja hävitavatest virtuaalosakestest. Kuid enamiku lihtsate ülesannete puhul võib prootonit mõistagi pidada punktlaenguks. Prootoni () ülejäänud mass on ligikaudu võrdne:

Prootoni mass on 1836 korda suurem kui elektroni mass.

Prootonid osalevad kõigis fundamentaalsetes interaktsioonides: tugev vastastikmõju ühendab prootonid ja neutronid tuumadeks, elektronid ja prootonid ühinevad aatomiteks elektromagnetilise vastasmõju abil. Nõrga interaktsioonina võime tuua näiteks neutroni beeta-lagunemise (n):

kus p on prooton; - elektron; - antineutriino.

Prootoni lagunemist pole veel saavutatud. See on üks olulisi kaasaegseid füüsikaprobleeme, kuna see avastus oleks märkimisväärne samm loodusjõudude ühtsuse mõistmisel.

Näited probleemide lahendamisest

NÄIDE 1

Harjutus	Naatriumi aatomi tuumad pommitatakse prootonitega. Kui suur on prootoni elektrostaatiline tõukejõud aatomi tuumast, kui prooton on kaugel m Arvestage, et naatriumi aatomi tuuma laeng on 11 korda suurem kui prootoni laeng. Naatriumi aatomi elektronkihi mõju võib ignoreerida.
Lahendus	Ülesande lahendamise aluseks võtame Coulombi seaduse, mille saab meie ülesande jaoks kirjutada (eeldusel, et osakesed on punktosakesed) järgmiselt: kus F on laetud osakeste elektrostaatilise vastasmõju jõud; Cl on prootonilaeng; - naatriumi aatomi tuuma laeng; - vaakumi dielektriline konstant; - elektriline konstant. Kasutades olemasolevaid andmeid, saame arvutada vajaliku tõukejõu:
Vastus	N

NÄIDE 2

Harjutus	Arvestades vesinikuaatomi lihtsaimat mudelit, arvatakse, et elektron liigub ringorbiidil ümber prootoni (vesinikuaatomi tuum). Kui suur on elektroni kiirus, kui tema orbiidi raadius on m?
Lahendus	Vaatleme jõude (joonis 1), mis mõjuvad ringjoonel liikuvale elektronile. See on prootoni külgetõmbejõud. Vastavalt Coulombi seadusele kirjutame, et selle väärtus on võrdne (): kus =— elektroni laeng; - prootonilaeng; - elektriline konstant. Elektroni ja prootoni vaheline tõmbejõud elektroni orbiidi mis tahes punktis on suunatud elektronilt prootonile piki ringi raadiust.

Kui hõõruda klaaspulka paberilehele, omandab varras võime meelitada ligi “sultani” lehti (vt joonis 1.1), kohevust ja õhukesi veejugasid. Kuivi juukseid plastkammiga kammides tõmbavad juuksed kammi külge. Nendes lihtsates näidetes kohtame jõudude avaldumist, mida nimetatakse elektriline.

Riis. 1.1. “Sultani” lehtede meelitamine elektrifitseeritud klaaspulgaga.

Nimetatakse kehasid või osakesi, mis mõjuvad ümbritsevatele objektidele elektrijõududega laetud või elektrifitseeritud. Näiteks eelpool mainitud klaaspulk elektriseerub pärast paberile hõõrumist.

Osakestel on elektrilaeng, kui nad interakteeruvad üksteisega elektriliste jõudude kaudu. Elektrilised jõud vähenevad osakeste vahelise kauguse suurenedes. Elektrilised jõud on mitu korda suuremad kui universaalse gravitatsiooni jõud.

Elektrilaeng on füüsikaline suurus, mis määrab elektromagnetiliste vastastikmõjude intensiivsuse. Elektromagnetilised vastasmõjud on interaktsioonid laetud osakeste või kehade vahel.

Elektrilaengud jagunevad positiivseteks ja negatiivseteks. Stabiilsetel elementaarosakestel on positiivne laeng - prootonid Ja positronid, samuti metalliaatomite ioonid jne. Stabiilsed negatiivse laengu kandjad on elektron Ja antiprooton.

Seal on elektriliselt laenguta osakesi, see tähendab neutraalseid osakesi: neutron, neutriino. Need osakesed ei osale elektrilistes interaktsioonides, kuna nende elektrilaeng on null. On olemas osakesi ilma elektrilaenguta, kuid elektrilaengut ei eksisteeri ilma osakeseta.

Siidiga hõõrutud klaasile ilmuvad positiivsed laengud. Karusnahale hõõrutud eboniidil on negatiivsed laengud. Osakesed tõrjuvad ära, kui laengutel on samad märgid ( samanimelised tasud) ja erinevate märkidega ( erinevalt süüdistustest) tõmbavad osakesed ligi.

Kõik kehad on valmistatud aatomitest. Aatomid koosnevad positiivselt laetud aatomituumast ja negatiivselt laetud elektronidest, mis liiguvad ümber aatomituuma. Aatomituum koosneb positiivselt laetud prootonitest ja neutraalsetest osakestest – neutronitest. Aatomis on laengud jaotatud nii, et aatom tervikuna on neutraalne, see tähendab, et aatomi positiivsete ja negatiivsete laengute summa on null.

Elektronid ja prootonid on osa mis tahes ainest ja on väikseimad stabiilsed elementaarosakesed. Need osakesed võivad eksisteerida vabas olekus piiramatu aja. Elektroni ja prootoni elektrilaengut nimetatakse elementaarlaenguks.

Elementaarne tasu- see on minimaalne laeng, mis kõigil laetud elementaarosakestel on. Prootoni elektrilaeng on absoluutväärtuses võrdne elektroni laenguga:

E = 1,6021892(46) * 10 -19 C Iga laengu suurus on elementaarlaengu, st elektroni laengu absoluutväärtuse kordne. Elektron tõlgitud kreeka keelest elektron - merevaik, prooton - kreeka keelest protos - esiteks, neutron ladina keelest neutrum - ei üks ega teine.

Dirigendid ja dielektrikud

Elektrilaengud võivad liikuda. Nimetatakse aineid, milles elektrilaengud saavad vabalt liikuda dirigendid. Head juhid on kõik metallid (esimest tüüpi juhid), soolade ja hapete vesilahused - elektrolüüdid(II tüüpi juhid), samuti kuumad gaasid ja muud ained. Inimkeha on ka juht. Juhtidel on kõrge elektrijuhtivus, see tähendab, et nad juhivad hästi elektrivoolu.

Nimetatakse aineid, milles elektrilaengud ei saa vabalt liikuda dielektrikud(inglise keelest dielektrik, kreeka keelest dia - läbi, läbi ja inglise keelest elektriline - elektriline). Neid aineid nimetatakse ka isolaatorid. Dielektrikute elektrijuhtivus on metallidega võrreldes väga madal. Head isolaatorid on portselan, klaas, merevaik, eboniit, kumm, siid, toatemperatuuril gaasid ja muud ained.

Juhtideks ja isolaatoriteks jagamine on meelevaldne, kuna juhtivus sõltub erinevatest teguritest, sealhulgas temperatuurist. Näiteks klaas isoleerib hästi ainult kuivas õhus ja muutub halvaks isolaatoriks, kui õhuniiskus on kõrge.

Juhtidel ja dielektrikutel on tänapäevastes elektrirakendustes tohutu roll.

Mis on aatom? Vene keelde tõlgituna tähendab aatom jagamatut. Pikka aega ei suutnud keegi seda väidet ümber lükata. Lõpuks tõestati 19. sajandi lõpus, et aatom jaguneb väiksemateks osakesteks, millest peamised on elektronid, prootonid ja neutronid.

Neid osakesi uurides selgus, et prootonitel ja elektronidel on elektrilaengud ning nende laengud on suuruselt võrdsed, kuid märgilt vastupidised. Elektroni laeng viitab sellele elektrile, mida nimetatakse negatiivseks, ja prootoni laeng viitab sellele, mida nimetatakse positiivseks.

Elektroni mass on ligikaudu 1840 korda väiksem kui prootoni mass.

Kuna elektronid ja prootonid on elektriliselt laetud, järgivad nad elektrilaengute vastastikmõju seadust: nagu laengud tõrjuvad (prooton prootoniga ja elektron elektroniga) ja erinevalt laengud tõmbavad (prooton elektroniga).

Neutron- kolmas osake aatomis, mass võrdub prootoniga, kuid neutronil puudub elektrilaeng. Väidetavalt on see elektriliselt neutraalne, sellest ka nimi – neutron.

Nagu eespool mainitud, on aatomil väga keeruline struktuur, kuid esimest korda saame piirduda järgmise lihtsustatud ideega selle struktuurist.

Aatomi keskmes on tuum, see koosneb prootonitest ja neutronitest, seega on see positiivselt laetud. Elektronid tiirlevad ümber tuuma muljetavaldava kaugusel, mis on selle suurusest sadu tuhandeid kordi suurem.

Kuna igal aatomil on sama arv elektrone kui prootonite arvul, peetakse seda elektriliselt neutraalseks.

Struktuuris on kõige lihtsam aatom vesinikuaatom, mille tuum koosneb ühest prootonist, mille ümber pöörleb üks elektron.

Erinevate ainete aatomid erinevad üksteisest prootonite, neutronite ja elektronide arvu poolest.

Mis on ioon? Kui aatom mingil moel kaotab ühe või mitu elektroni, saab ta positiivse laengu, sellist aatomit nimetatakse positiivseks iooniks ja kui aatom saab ühe või mitu elektroni, nimetatakse seda negatiivseks iooniks, kuna see on negatiivselt laetud. .

Elektriväli. Teadlased on kindlaks teinud eriliigi aine – välja – olemasolu. Elektrilaengute ümber on ka väli, mida nimetatakse elektriliseks. Selle välja iseloomulikuks tunnuseks on selles väljas paiknevatele elektrilaengutele mõjuv mehaaniline jõud. Kõige sagedamini on elektrivälja kujutatud joonistel nooltena, mis näitavad suunda, kuhu vaba positiivne laeng selle välja jõudude mõjul liiguks. Neid liine nimetatakse ka elektriliinideks. Tegelikkuses pole jooni.

Juhtmed ja isolaatorid. Erinevates ainetes on elektronid oma aatomitega seotud erineval viisil, mõnel on side tugev, teistel mitte. Elektrone, mis on aatomitega halvasti seotud ja võivad neist kergesti lahkuda, nimetatakse vabadeks elektronideks. Kui aine ühes punktis, milles on vabu elektrone, tekib nende ülejääk ja teises - puudujääk, siis hakkavad nad kaootilist liikumist säilitades kogu oma massiga sellesse punkti liikuma, pool, kus elektrone pole piisavalt. Seda ühesuunalist liikumist nimetatakse elektrivooluks. Aineid, mis sisaldavad vabu elektrone, nimetatakse elektrivoolu juhtideks. Teistes ainetes, näiteks vilgukivi, kumm, elektronid on vastupidi väga tihedalt seotud oma aatomitega ega suuda normaalsetes tingimustes neist lahkuda; sellistes ainetes ei teki kunagi voolu, mistõttu neid nimetatakse. mittejuhid või isolaatorid.

1. Molekulaarkineetilise teooria aluspõhimõtted? 2. Kuidas kandub energia Päikeselt Maale? 3.Milline

kas aine tundub kuuma ilmaga katsudes kõige kuumem?

E) Klaas

4. Kui palju soojust eraldub 5 kg kaaluva bensiini täielikul põlemisel Bensiini eripõlemissoojus on 4,6 * 10^7 J/kg.

5.Millised elektrilaengud on elektronil ja prootonil?

1) Määrake lambipirni voolutugevus, kui selle hõõgniidi läbib 10 minutiga elektrilaeng 300 C.

2) Milline elektrilaeng läbib ampermeetrit 3 minutiga, kui voolutugevus ahelas on 0,2 A?

3) Elektrikeevitamisel ulatub vool 200 A. Kui kaua kulub 60 000 C laengu läbimiseks elektroodi ristlõiget?

4) Elektripliidi spiraali läbis 2 minutiga laeng 600 C. Kui suur on voolutugevus spiraalis?

5) Voolutugevus rauas on 0,2 A. Milline elektrilaeng läbib selle pooli 5 minutiga?

6) Kui kaua kulub laeng, mis on võrdne 30 C, läbib juhi ristlõike voolutugevusel 200 mA?

PALUN AITA AA!! Määrake elektrilambi voolutugevus, kui selle hõõgniidi läbib 10 minuti jooksul elektrilaeng 300 C

Milline elektrilaeng läbib ampermeetrit 3 minutiga, kui voolutugevus ahelas on 0,2A?

4. Me ei näe metalljuhis liikuvaid elektrone. Elektrivoolu olemasolu ahelas saame hinnata voolu mõju järgi. Milline

toimingud ei ole elektrivoolu põhjustatud? A) termiline; B) mehaaniline; C) magnetiline; D) keemiline. 5. Iidsetel aegadel eeldati, et kõigis juhtides võivad liikuda nii positiivsed kui ka negatiivsed elektrilaengud. Milliste osakeste liikumist elektriväljas peetakse voolu suunaks? A) positiivsed laengud; B) elektronid; C) neutronid; D) negatiivsed ioonid. 6. Ampere Andre Marie – prantsuse füüsik ja matemaatik. Ta lõi esimese teooria, mis väljendas seost elektriliste ja magnetiliste nähtuste vahel. Amperel on hüpotees magnetismi olemuse kohta. Ja millise kontseptsiooni ta esimest korda füüsikasse tutvustas?A) voolutugevus; B) elektrivool; C) elektron; D) elektrilaeng. 7. Elektrivälja jõudude poolt tehtavat tööd, mis tekitab elektrivoolu, nimetatakse voolu tööks. Oleneb voolutugevusest. Kuid töö ei sõltu ainult voolutugevusest. Mis kogusest see veel sõltub? A) pinge; B) võimsus; C) soojushulk; D) kiirus. 8. Pinge mõõtmiseks vooluallika poolustel või vooluahela mõnel lõigul kasutatakse seadet, mida nimetatakse voltmeetriks. Paljud voltmeetrid on välimuselt väga sarnased ampermeetritega. Et eristada teistest seadmetest, asetatakse skaalale täht V. Kuidas aga ühendatakse voltmeeter ahelaga? A) paralleelselt; B) järjestikku; C) rangelt aku taga; D) ühendatud ampermeetriga. 9. Voolu sõltuvust juhi omadustest seletatakse sellega, et erinevatel juhtidel on erinev elektritakistus. Millest vastupanu ei sõltu? A) kristallvõre struktuuri erinevustest; B) kaalu järgi; C) pikkuse kohta; D) ristlõikepinnast. 10. Juhtide ühendamiseks on kaks võimalust: paralleelne ja jada. Tarbijate paralleelühendusi on väga mugav kasutada igapäevaelus ja tehnikas. Milline elektriline suurus on kõigi paralleelselt ühendatud juhtide puhul sama: A) voolutugevus; B) pinge; C) aeg; D) vastupanu. 11. 5 s liikumisega läbib keha 12,5 m. Millise vahemaa läbib keha 6 s liikumisega, kui keha liigub pideva kiirendusega? A) 25 m; B) 13 m; C) 36 m; D) 18 m 12. Õpilane läbis kolmandiku teest bussiga kiirusega 60 km/h ja teise kolmandiku teest jalgrattaga kiirusega 20 km/h. Teekonna viimane kolmandik läbiti kiirusega 5 km/h. Määrake keskmine liikumiskiirus. A) 30 km/h; B) 10 km/h; C) 283 km/h; D) 11,25 km/h. 13. Vee tiheduseks on võetud 1000 kg/m3 ja jää tiheduseks 900 kg/m3. Kui jäälaev hõljub, ulatudes 50 m3 veepinnast kõrgemale, siis kui suur on kogu jäätüki maht? A) 100 m3; B) 200 m3; C) 150 m3; D) 500 m3. 14. L pikkusega peenikese varda otste külge kinnitatakse raskused ja () Varras riputatakse keermele ja asetseb horisontaalselt. Leidke kaugus x massist m1 keerme riputuspunktini. Jäta varda mass tähelepanuta 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. Ronijad ronivad mäe tippu. Kuidas muutub atmosfäärirõhk sportlaste liikumisel? A) suureneb; B) ei muutu; C) õiget vastust pole. D) väheneb;