Koliki električni naboj imaju elektroni? Koje električne naboje imaju elektroni i neutroni? Primjeri rješavanja problema

Sve do početka 20. stoljeća znanstvenici su vjerovali da je atom najmanja nedjeljiva čestica materije, no to se pokazalo pogrešnim. Zapravo, u središtu atoma nalazi se njegova jezgra s pozitivno nabijenim protonima i neutralnim neutronima, a negativno nabijeni elektroni rotiraju u orbitalama oko jezgre (ovaj model atoma predložio je 1911. E. Rutherford). Zanimljivo je da su mase protona i neutrona gotovo jednake, ali je masa elektrona oko 2000 puta manja.

Iako atom sadrži i pozitivno i negativno nabijene čestice, njegov naboj je neutralan, jer atom ima isti broj protona i elektrona, a različito nabijene čestice se međusobno neutraliziraju.

Kasnije su znanstvenici otkrili da elektroni i protoni imaju istu količinu naboja, jednaku 1,6 10 -19 C (C je kulon, jedinica električnog naboja u SI sustavu.

Jeste li ikada razmišljali o pitanju - koji broj elektrona odgovara naboju od 1 C?

1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 elektrona

Električna energija

Električni naboji utječu jedni na druge, što se očituje u obliku električna sila.

Ako tijelo ima višak elektrona, imat će ukupni negativni električni naboj, i obrnuto - ako postoji manjak elektrona, tijelo će imati ukupno pozitivan naboj.

Po analogiji s magnetskim silama, kada se jednako nabijeni polovi odbijaju, a suprotno nabijeni polovi privlače, električni se naboji ponašaju na sličan način. Međutim, u fizici nije dovoljno samo govoriti o polaritetu električnog naboja, važna je njegova brojčana vrijednost.

Da bismo saznali veličinu sile koja djeluje između nabijenih tijela, potrebno je znati ne samo veličinu naboja, već i udaljenost između njih. Sila univerzalne gravitacije već je ranije razmatrana: F = (Gm 1 m 2)/R 2

• m 1, m 2- tjelesne mase;
• R- udaljenost između središta tijela;
• G = 6,67 10 -11 Nm 2 /kg- univerzalna gravitacijska konstanta.

Kao rezultat laboratorijskih eksperimenata, fizičari su izveli sličnu formulu za silu međudjelovanja električnih naboja, koja je nazvana Coulombov zakon:

F = kq 1 q 2 /r 2

• q 1, q 2 - međusobno povezani naboji, mjereno u C;
• r udaljenost između naboja;
• k - koeficijent proporcionalnosti ( SI: k=8,99·109 Nm2Cl2; SSSE: k=1).

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

Prema Coulombovom zakonu, ako dva naboja imaju isti predznak, tada je sila F koja djeluje između njih pozitivna (naboji se međusobno odbijaju); ako su naboji suprotnih predznaka, djelujuća sila je negativna (naboji se međusobno privlače).

Koliko je ogromna sila naboja od 1 C može se procijeniti pomoću Coulombovog zakona. Na primjer, ako pretpostavimo da su dva naboja, svaki od 1 C, međusobno udaljena 10 metara, tada će se silom odbijati:

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

Ovo je prilično velika sila, otprilike usporediva s masom od 5600 tona.

Upotrijebimo sada Coulombov zakon da saznamo kojom linearnom brzinom rotira elektron u atomu vodika, pod pretpostavkom da se kreće po kružnoj orbiti.

Prema Coulombovom zakonu, elektrostatska sila koja djeluje na elektron može se izjednačiti sa centripetalnom silom:

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

Uzimajući u obzir činjenicu da je masa elektrona 9,1·10 -31 kg, a polumjer njegove orbite = 5,29·10 -11 m, dobivamo vrijednost 8,22·10 -8 N.

Sada možemo pronaći linearnu brzinu elektrona:

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

Dakle, elektron atoma vodika rotira oko svog središta brzinom od približno 7,88 milijuna km/h.

DEFINICIJA

Proton naziva se stabilna čestica koja pripada klasi hadrona, a koja je jezgra atoma vodika.

Znanstvenici se ne slažu oko toga koji znanstveni događaj treba smatrati otkrićem protona. Važnu ulogu u otkriću protona odigrali su:

1. stvaranje planetarnog modela atoma E. Rutherforda;
2. otkriće izotopa F. Soddyja, J. Thomsona, F. Astona;
3. promatranja ponašanja jezgri vodikovih atoma kada ih alfa čestice izbace iz jezgri dušika E. Rutherforda.

Prve fotografije tragova protona dobio je P. Blackett u oblačnoj komori proučavajući procese umjetne transformacije elemenata. Blackett je proučavao proces hvatanja alfa čestica jezgrama dušika. U tom procesu emitiran je proton, a jezgra dušika pretvorena je u izotop kisika.

Protoni su zajedno s neutronima dio jezgri svih kemijskih elemenata. Broj protona u jezgri određuje atomski broj elementa u periodnom sustavu D.I. Mendeljejev.

Proton je pozitivno nabijena čestica. Njegov je naboj po veličini jednak elementarnom naboju, odnosno vrijednosti naboja elektrona. Naboj protona često se označava kao , tada možemo napisati da je:

Trenutno se vjeruje da proton nije elementarna čestica. Ima složenu strukturu i sastoji se od dva u-kvarka i jednog d-kvarka. Električni naboj u-kvarka () je pozitivan i jednak je

Električni naboj d-kvarka () je negativan i jednak je:

Kvarkovi povezuju razmjenu gluona, koji su kvanti polja, podnose snažnu interakciju. Činjenicu da protoni u svojoj strukturi imaju nekoliko točkastih centara raspršenja potvrđuju pokusi raspršenja elektrona na protonima.

Proton ima konačnu veličinu, oko koje se znanstvenici još uvijek spore. Trenutno je proton predstavljen kao oblak koji ima zamagljene granice. Takva se granica sastoji od virtualnih čestica koje stalno nastaju i uništavaju se. Ali u većini jednostavnih problema, proton se, naravno, može smatrati točkastim nabojem. Masa mirovanja protona () približno je jednaka:

Masa protona je 1836 puta veća od mase elektrona.

Protoni sudjeluju u svim temeljnim interakcijama: jake interakcije spajaju protone i neutrone u jezgre, elektroni i protoni spajaju se u atome pomoću elektromagnetskih interakcija. Kao slabu interakciju možemo navesti npr. beta raspad neutrona (n):

gdje je p proton; — elektron; - antineutrino.

Raspad protona još nije dobiven. Ovo je jedan od važnih suvremenih problema fizike, budući da bi ovo otkriće bilo značajan korak u razumijevanju jedinstva sila prirode.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Vježbajte	Jezgre atoma natrija bombardirane su protonima. Kolika je sila elektrostatskog odbijanja protona od jezgre atoma ako je proton udaljen m. Smatrajte da je naboj jezgre atoma natrija 11 puta veći od naboja protona. Utjecaj elektronske ljuske atoma natrija može se zanemariti.
Riješenje	Kao osnovu za rješavanje problema uzet ćemo Coulombov zakon koji se za naš problem (pod pretpostavkom da su čestice točkaste čestice) može napisati na sljedeći način: gdje je F sila elektrostatske interakcije nabijenih čestica; Cl je naboj protona; - naboj jezgre atoma natrija; - dielektrična konstanta vakuuma; - električna konstanta. Koristeći podatke koje imamo, možemo izračunati potrebnu odbojnu silu:
Odgovor	N

PRIMJER 2

Vježbajte	Uzimajući u obzir najjednostavniji model atoma vodika, smatra se da se elektron kreće po kružnoj orbiti oko protona (jezgre atoma vodika). Kolika je brzina elektrona ako je polumjer njegove orbite m?
Riješenje	Razmotrimo sile (slika 1) koje djeluju na elektron koji se kreće po kružnici. To je sila privlačenja protona. Prema Coulombovom zakonu pišemo da je njegova vrijednost jednaka (): gdje je =— naboj elektrona; - protonski naboj; - električna konstanta. Privlačna sila između elektrona i protona u bilo kojoj točki elektronove orbite usmjerena je od elektrona prema protonu duž polumjera kruga.

Ako staklenu šipku trljate o list papira, šipka će steći sposobnost da privuče lišće "sultana" (vidi sl. 1.1), pahuljice i tanke mlazove vode. Kada suhu kosu češljate plastičnim češljem, kosa privlači češalj. U ovim jednostavnim primjerima susrećemo se s pojavom sila koje su tzv električni.

Riža. 1.1. Privlačenje lišća "sultana" elektrificiranom staklenom šipkom.

Tijela ili čestice koje na okolne objekte djeluju električnim silama nazivamo nabijen ili naelektrizirana. Na primjer, gore spomenuta staklena šipka, nakon što se trlja o komad papira, postaje naelektrizirana.

Čestice imaju električni naboj ako međusobno djeluju putem električnih sila. Električne sile opadaju s povećanjem udaljenosti između čestica. Električne sile su višestruko veće od sila univerzalne gravitacije.

Električno punjenje je fizikalna veličina koja određuje intenzitet elektromagnetskih međudjelovanja. Elektromagnetske interakcije su interakcije između nabijenih čestica ili tijela.

Električni naboji se dijele na pozitivne i negativne. Stabilne elementarne čestice imaju pozitivan naboj - protoni I pozitroni, kao i ioni metalnih atoma itd. Stabilni nosioci negativnog naboja su elektron I antiproton.

Postoje električki nenabijene čestice, odnosno neutralne: neutron, neutrino. Ove čestice ne sudjeluju u električnim interakcijama, jer je njihov električni naboj jednak nuli. Postoje čestice bez električnog naboja, ali električni naboj ne postoji bez čestice.

Na staklu natrljanom svilom pojavljuju se pozitivni naboji. Ebonit natrljan na krzno ima negativan naboj. Čestice se odbijaju kada naboji imaju iste predznake ( istoimene optužbe), i s različitim predznacima ( za razliku od optužbi) čestice se privlače.

Sva su tijela sastavljena od atoma. Atomi se sastoje od pozitivno nabijene atomske jezgre i negativno nabijenih elektrona koji se kreću oko atomske jezgre. Atomska jezgra sastoji se od pozitivno nabijenih protona i neutralnih čestica – neutrona. Naboji u atomu raspoređeni su tako da je atom kao cjelina neutralan, odnosno da je zbroj pozitivnih i negativnih naboja u atomu jednak nuli.

Elektroni i protoni dio su svake tvari i najmanje su stabilne elementarne čestice. Te čestice mogu postojati u slobodnom stanju neograničeno vrijeme. Električni naboj elektrona i protona naziva se elementarni naboj.

Elementarni naboj- ovo je minimalni naboj koji imaju sve nabijene elementarne čestice. Električni naboj protona jednak je u apsolutnoj vrijednosti naboju elektrona:

E = 1,6021892(46) * 10 -19 C Veličina bilo kojeg naboja višestruka je apsolutna vrijednost elementarnog naboja, odnosno naboja elektrona. Elektron u prijevodu s grčkog elektron - jantar, proton - s grčkog protos - prvi, neutron s latinskog neutrum - ni jedno ni drugo.

Vodiči i dielektrici

Električni naboji se mogu kretati. Tvari u kojima se električni naboji mogu slobodno kretati nazivamo dirigenti. Dobri vodiči su svi metali (vodiči prve vrste), vodene otopine soli i kiselina - elektroliti(vodiči tipa II), kao i vrući plinovi i druge tvari. Ljudsko tijelo je također dirigent. Vodiči imaju visoku električnu vodljivost, odnosno dobro provode električnu struju.

Tvari u kojima se električni naboji ne mogu slobodno kretati nazivamo dielektrici(od engleskog dielektrik, od grčkog dia - kroz, kroz i engleskog electric - električni). Ove tvari se također nazivaju izolatori. Električna vodljivost dielektrika je vrlo niska u usporedbi s metalima. Dobri izolatori su porculan, staklo, jantar, ebonit, guma, svila, plinovi na sobnoj temperaturi i druge tvari.

Podjela na vodiče i izolatore je proizvoljna, budući da vodljivost ovisi o različitim čimbenicima, uključujući temperaturu. Na primjer, staklo dobro izolira samo na suhom zraku, a postaje loš izolator kada je vlažnost zraka visoka.

Vodiči i dielektrici igraju veliku ulogu u suvremenoj primjeni električne energije.

Što je atom? Prevedeno na ruski, atom znači nedjeljiv. Dugo vremena nitko nije mogao opovrgnuti ovu izjavu. Konačno, krajem 19. stoljeća dokazano je da je atom podijeljen na manje čestice od kojih su glavne elektroni, protoni i neutroni.

Pri proučavanju ovih čestica pokazalo se da protoni i elektroni imaju električne naboje, a njihovi su naboji jednaki po veličini, ali suprotnog znaka. Naboj elektrona odnosi se na onaj elektricitet koji se naziva negativnim, a naboj protona na onaj koji se naziva pozitivnim.

Masa elektrona je približno 1840 puta manja od mase protona.

Budući da su elektroni i protoni električno nabijeni, oni se pokoravaju zakonu međudjelovanja električnih naboja: istolični se naboji odbijaju (proton s protonom i elektron s elektronom), a različiti naboji se privlače (proton s elektronom).

Neutron- treća čestica u atomu, mase je jednaka protonu, ali neutron nema električni naboj. Kaže se da je električki neutralan pa mu otuda i naziv - neutron.

Kao što je gore spomenuto, atom ima vrlo složenu strukturu, ali po prvi put se možemo ograničiti na sljedeću pojednostavljenu ideju njegove strukture.

U središtu atoma nalazi se jezgra, sastoji se od protona i neutrona, stoga je pozitivno nabijena. Elektroni se okreću oko jezgre na impresivnoj udaljenosti, stotinama tisuća puta većoj od njezine veličine.

Budući da svaki atom ima isti broj elektrona kao i broj protona, smatra se električki neutralnim.

Najjednostavniji atom po strukturi je atom vodika, njegova jezgra se sastoji od jednog protona, oko kojeg rotira jedan elektron.

Atomi raznih tvari međusobno se razlikuju po broju protona, neutrona i elektrona.

Što je ion? Ako na neki način atom izgubi jedan ili više elektrona, postat će pozitivno nabijen, takav atom će se zvati pozitivni ion, a ako atom dobije jedan ili više elektrona, zvat će se negativni ion, jer će biti negativno nabijen .

Električno polje. Znanstvenici su utvrdili postojanje posebne vrste materije – polja. Oko električnih naboja također postoji polje koje se naziva električno. Karakteristična značajka ovog polja je mehanička sila koja djeluje na električne naboje smještene u ovom polju. Najčešće se električno polje na crtežima prikazuje u obliku strelica koje pokazuju smjer u kojem bi se kretao slobodni pozitivni naboj pod utjecajem sila tog polja. Ovi vodovi se također nazivaju dalekovodima. U stvarnosti nema linija.

Vodiči i izolatori. U različitim tvarima, elektroni su vezani za svoje atome na različite načine, u nekima je veza jaka, u drugima nije. Elektroni koji su slabo vezani za atome i koji ih lako mogu napustiti nazivamo slobodnim elektronima. Ako se u jednoj od točaka tvari u kojoj su prisutni slobodni elektroni stvori njihov višak, au drugoj - nedostatak, tada će se oni, održavajući kaotično kretanje, početi kretati cijelom svojom masom do te točke, strana na kojoj nema dovoljno elektrona. Ovo jednosmjerno kretanje nazvat ćemo električna struja. Tvari koje sadrže slobodne elektrone nazivamo vodičima električne struje. U drugim tvarima, na primjer tinjcu, gumi, elektroni su, naprotiv, vrlo čvrsto vezani za svoje atome i pod normalnim uvjetima neće ih moći napustiti; u takvim tvarima struja nikada neće nastati, zbog čega se nazivaju nevodiče ili izolatore.

1. Osnovni principi molekularne kinetičke teorije? 2. Kako se energija prenosi sa Sunca na Zemlju? 3.Koji

hoće li tvar biti najtoplija na dodir po vrućem vremenu?

E) Staklo

4. Kolika će se toplina osloboditi pri potpunom izgaranju benzina mase 5 kg Specifična toplina izgaranja benzina je 4,6 * 10^7 J/kg.

5.Koje električne naboje imaju elektron i proton?

1) Odredi jakost struje u žarulji ako kroz njenu žarnu nit u 10 minuta prođe električni naboj od 300 C.

2) Koliki će električni naboj proći kroz ampermetar za 3 minute ako je struja u krugu 0,2 A?

3) Pri električnom zavarivanju struja doseže 200 A. Koliko vremena je potrebno da naboj od 60 000 C prođe kroz presjek elektrode?

4) Kroz spiralu električnog štednjaka za 2 minute prošao je naboj od 600 C. Kolika je jakost struje u spirali?

5) Jačina struje u željezu je 0,2 A. Koliki će električni naboj proći kroz njegov svitak za 5 minuta?

6) Koliko će vremena trebati da naboj jednak 30 C prođe kroz presjek vodiča pri struji od 200 mA?

MOLIM POMOC AA!! Odredi jakost struje u električnoj žarulji ako kroz njenu žarnu nit u 10 minuta prođe električni naboj od 300 C

Koliki će električni naboj proći kroz ampermetar za 3 minute ako je struja u krugu 0,2A?

4. Ne možemo vidjeti kretanje elektrona u metalnom vodiču. Prisutnost električne struje u strujnom krugu možemo procijeniti prema učincima struje. Koji

radnje nisu one uzrokovane električnom strujom? A) toplinski; B) mehanički; C) magnetski; D) kemijski. 5. U davna vremena se pretpostavljalo da se i pozitivni i negativni električni naboji mogu kretati u svim vodičima. Gibanje kojih čestica u električnom polju se uzima kao smjer struje? A) pozitivni naboji; B) elektroni; C) neutroni; D) negativni ioni. 6. Ampere Andre Marie - francuski fizičar i matematičar. Stvorio je prvu teoriju koja je izražavala vezu između električnih i magnetskih pojava. Ampere ima hipotezu o prirodi magnetizma. A koji je pojam prvi put uveo u fiziku?A) jakost struje; B) električna struja; C) elektron; D) električni naboj. 7. Rad silnica električnog polja koje stvara električnu struju naziva se rad struje. Ovisi o jačini struje. Ali rad ne ovisi samo o snazi ​​struje. O kojoj još količini ovisi? A) napon; B) snaga; C) količina topline; D) brzina. 8. Za mjerenje napona na polovima izvora struje ili na nekom dijelu strujnog kruga koristi se uređaj koji se zove voltmetar. Mnogi voltmetri izgledom su vrlo slični ampermetrima. Da bi se razlikovao od ostalih uređaja, na ljestvici je stavljeno slovo V. Ali kako je voltmetar spojen na strujni krug? A) paralelno; B) sekvencijalno; C) strogo iza baterije; D) spojen na ampermetar. 9. Ovisnost jakosti struje o svojstvima vodiča objašnjava se činjenicom da različiti vodiči imaju različit električni otpor. O čemu otpor ne ovisi? A) od razlika u strukturi kristalne rešetke; B) težinski; C) po duljini; D) od površine presjeka. 10. Dva su načina spajanja vodiča: paralelno i serijski. Vrlo je prikladno koristiti paralelne veze potrošača u svakodnevnom životu i tehnologiji. Koja je električna veličina jednaka za sve paralelno spojene vodiče: A) jakost struje; B) napon; C) vrijeme; D) otpornost. 11. Tijelo za 5 s gibanja prijeđe put od 12,5 m. Koliki put će tijelo prijeći za 6 s gibanja, ako se tijelo giba stalno ubrzano? A) 25 m; B) 13 m; C) 36 m; D) 18 m. 12. Učenik je trećinu puta prešao autobusom brzinom 60 km/h, a drugu trećinu puta biciklom brzinom 20 km/h. Posljednju trećinu puta prešao je brzinom od 5 km/h. Odredite prosječnu brzinu kretanja. A) 30 km/h; B) 10 km/h; C) 283 km/h; D) 11,25 km/h. 13. Uzeta je gustoća vode 1000 kg/m3, a gustoća leda 900 kg/m3. Ako santa leda pluta i strši 50 m3 iznad površine vode, koliki je volumen cijele sante leda? A) 100 m3; B) 200 m3; C) 150 m3; D) 500 m3. 14. Na krajeve tanke šipke duljine L pričvršćeni su utezi i (). Šipka je obješena na nit i smještena vodoravno. Odredite udaljenost x od mase m1 do točke vješanja niti. Masu štapa zanemarimo 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. Penjači se penju na vrh planine. Kako se atmosferski tlak mijenja dok se sportaši kreću? A) će se povećati; B) neće se promijeniti; C) nema točnog odgovora. D) smanjit će se;