Muatan listrik apa yang dimiliki elektron? Muatan listrik apa yang dimiliki elektron dan neutron? Contoh pemecahan masalah

Hingga awal abad ke-20, para ilmuwan percaya bahwa atom adalah partikel materi terkecil yang tidak dapat dibagi lagi, namun ternyata anggapan tersebut salah. Faktanya, di pusat atom terdapat nukleusnya dengan proton bermuatan positif dan neutron netral, dan elektron bermuatan negatif berputar dalam orbital di sekitar nukleus (model atom ini diusulkan pada tahun 1911 oleh E. Rutherford). Patut dicatat bahwa massa proton dan neutron hampir sama, tetapi massa elektron sekitar 2000 kali lebih kecil.

Meskipun sebuah atom mengandung partikel bermuatan positif dan negatif, muatannya netral, karena sebuah atom memiliki jumlah proton dan elektron yang sama, dan partikel bermuatan berbeda saling menetralkan.

Belakangan, para ilmuwan menemukan bahwa elektron dan proton memiliki jumlah muatan yang sama, yaitu sebesar 1,6 · 10 -19 C (C adalah coulomb, satuan muatan listrik dalam sistem SI.

Pernahkah Anda memikirkan pertanyaan - berapa jumlah elektron yang sesuai dengan muatan 1 C?

1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 elektron

Tenaga listrik

Muatan listrik saling mempengaruhi, yang diwujudkan dalam bentuk kekuatan listrik.

Jika suatu benda kelebihan elektron maka benda tersebut akan mempunyai muatan listrik negatif total, dan sebaliknya jika kekurangan elektron maka benda tersebut akan mempunyai muatan listrik total positif.

Dengan analogi gaya magnet, ketika kutub-kutub yang bermuatan sejenis akan tolak-menolak dan kutub-kutub yang bermuatan berlawanan akan tarik-menarik, maka muatan listrik akan berperilaku serupa. Namun, dalam fisika tidak cukup hanya membicarakan polaritas muatan listrik;

Untuk mengetahui besarnya gaya yang bekerja antar benda bermuatan, perlu diketahui tidak hanya besar muatannya, tetapi juga jarak antar benda. Gaya gravitasi universal telah dibahas sebelumnya: F = (Gm 1 m 2)/R 2

m 1, m 2- massa benda;
R- jarak antara pusat benda;
G = 6,67 · 10 -11 Nm 2 /kg- konstanta gravitasi universal.

Sebagai hasil percobaan laboratorium, fisikawan memperoleh rumus serupa untuk gaya interaksi muatan listrik, yang disebut hukum Coulomb:

F = kq 1 q 2 /r 2

q 1, q 2 - muatan yang berinteraksi, diukur dalam C;
r adalah jarak antar muatan;
k - koefisien proporsionalitas ( SI: k=8,99·10 9 Nm 2 Cl 2; SSSE: k=1).

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

Menurut hukum Coulomb, jika dua muatan mempunyai tanda yang sama, maka gaya F yang bekerja di antara keduanya adalah positif (muatan-muatan itu saling tolak menolak); jika muatan-muatan mempunyai tanda yang berlawanan, maka gaya yang bekerja adalah negatif (muatan-muatan saling tarik-menarik).

Seberapa kuat muatan sebesar 1 C dapat dinilai dengan menggunakan hukum Coulomb. Misalnya, jika kita asumsikan dua muatan, masing-masing 1 C, berjarak 10 meter satu sama lain, maka kedua muatan tersebut akan saling tolak menolak dengan gaya:

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

Ini adalah kekuatan yang cukup besar, kira-kira sebanding dengan massa 5.600 ton.

Sekarang mari kita gunakan hukum Coulomb untuk mengetahui berapa kecepatan linier elektron berputar dalam atom hidrogen, dengan asumsi elektron bergerak dalam orbit melingkar.

Menurut hukum Coulomb, gaya elektrostatis yang bekerja pada elektron dapat disamakan dengan gaya sentripetal:

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

Dengan memperhitungkan massa elektron adalah 9,1·10 -31 kg, dan jari-jari orbitnya = 5,29·10 -11 m, maka diperoleh nilai 8,22·10 -8 N.

Sekarang kita dapat mencari kecepatan linier elektron:

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

Jadi, elektron atom hidrogen berputar mengelilingi pusatnya dengan kecepatan kira-kira 7,88 juta km/jam.

DEFINISI

Proton disebut partikel stabil yang termasuk dalam golongan hadron, yaitu inti atom hidrogen.

Para ilmuwan tidak sepakat mengenai peristiwa ilmiah mana yang harus dianggap sebagai penemuan proton. Peran penting dalam penemuan proton dimainkan oleh:

penciptaan model atom planet oleh E. Rutherford;
penemuan isotop oleh F. Soddy, J. Thomson, F. Aston;
pengamatan perilaku inti atom hidrogen ketika tersingkir oleh partikel alfa dari inti nitrogen oleh E. Rutherford.

Foto pertama jejak proton diperoleh oleh P. Blackett di ruang awan saat mempelajari proses transformasi unsur secara buatan. Blackett mempelajari proses penangkapan partikel alfa oleh inti nitrogen. Dalam proses ini, sebuah proton dipancarkan dan inti nitrogen diubah menjadi isotop oksigen.

Proton, bersama dengan neutron, adalah bagian dari inti semua unsur kimia. Jumlah proton dalam inti menentukan nomor atom suatu unsur dalam tabel periodik D.I. Mendeleev.

Proton adalah partikel bermuatan positif. Muatannya sama besarnya dengan muatan dasar, yaitu nilai muatan elektron. Muatan suatu proton sering dilambangkan dengan , maka kita dapat menulis bahwa:

Saat ini diyakini bahwa proton bukanlah partikel elementer. Ia memiliki struktur yang kompleks dan terdiri dari dua u-quark dan satu d-quark. Muatan listrik u-quark () adalah positif dan sama dengan

Muatan listrik d-quark () bernilai negatif dan sama dengan:

Quark menghubungkan pertukaran gluon, yang merupakan kuanta medan; mereka mengalami interaksi yang kuat. Fakta bahwa proton memiliki beberapa pusat hamburan titik dalam strukturnya dikonfirmasi oleh eksperimen hamburan elektron oleh proton.

Proton memiliki ukuran terbatas, yang masih diperdebatkan oleh para ilmuwan. Saat ini, proton direpresentasikan sebagai awan yang memiliki batas kabur. Batas seperti itu terdiri dari partikel maya yang terus muncul dan musnah. Namun dalam sebagian besar permasalahan sederhana, proton tentu saja dapat dianggap sebagai muatan titik. Massa sisa proton () kira-kira sama dengan:

Massa proton 1836 kali lebih besar dari massa elektron.

Proton mengambil bagian dalam semua interaksi mendasar: interaksi kuat menyatukan proton dan neutron menjadi inti, elektron dan proton bergabung menjadi atom menggunakan interaksi elektromagnetik. Sebagai interaksi lemah, kita dapat mengutip, misalnya, peluruhan beta sebuah neutron (n):

dimana p adalah proton; — elektron; - antineutrino.

Peluruhan proton belum diperoleh. Ini adalah salah satu masalah fisika modern yang penting, karena penemuan ini akan menjadi langkah penting dalam memahami kesatuan kekuatan alam.

Contoh pemecahan masalah

CONTOH 1

Latihan

Inti atom natrium dibombardir dengan proton. Berapakah gaya tolak menolak elektrostatik proton dari inti atom jika proton berada pada jarak

m. Misalkan muatan inti atom natrium 11 kali lebih besar dari muatan proton. Pengaruh kulit elektron atom natrium dapat diabaikan.

Larutan

Sebagai dasar penyelesaian soal, kita ambil hukum Coulomb, yang dapat dituliskan untuk soal kita (dengan asumsi partikel adalah partikel titik) sebagai berikut:

dimana F adalah gaya interaksi elektrostatis partikel bermuatan; Cl—muatan proton; - muatan inti atom natrium; - konstanta vakum dielektrik; - konstanta listrik. Dengan menggunakan data yang kita miliki, kita dapat menghitung gaya tolak menolak yang diperlukan:

Menjawab

CONTOH 2

Latihan

Mengingat model atom hidrogen yang paling sederhana, diyakini bahwa elektron bergerak dalam orbit melingkar di sekitar proton (inti atom hidrogen). Berapa kecepatan elektron jika jari-jari orbitnya m?

Larutan

Mari kita perhatikan gaya-gaya (Gbr. 1) yang bekerja pada elektron yang bergerak melingkar. Inilah gaya tarik menarik dari proton. Menurut hukum Coulomb, kita tuliskan bahwa nilainya sama dengan ():

dimana =— muatan elektron; - muatan proton; - konstanta listrik. Gaya tarik menarik antara elektron dan proton pada titik mana pun pada orbit elektron diarahkan dari elektron ke proton sepanjang jari-jari lingkaran.

Jika Anda menggosokkan batang kaca pada selembar kertas, batang tersebut akan memperoleh kemampuan untuk menarik daun “sultan” (lihat Gambar 1.1), bulu halus, dan aliran air yang tipis. Saat Anda menyisir rambut kering dengan sisir plastik, rambut tertarik ke sisir. Dalam contoh sederhana ini kita menemukan manifestasi kekuatan yang disebut listrik.

Beras. 1.1. Menarik daun “sultan” dengan batang kaca yang dialiri arus listrik.

Benda atau partikel yang bekerja pada benda disekitarnya dengan gaya listrik disebut dibebankan atau dialiri listrik. Misalnya batang kaca yang disebutkan di atas, setelah digosokkan pada selembar kertas, menjadi tersengat listrik.

Partikel mempunyai muatan listrik jika berinteraksi satu sama lain melalui gaya listrik. Gaya listrik berkurang dengan bertambahnya jarak antar partikel. Gaya listrik berkali-kali lebih besar daripada gaya gravitasi universal.

Muatan listrik adalah besaran fisis yang menentukan intensitas interaksi elektromagnetik. Interaksi elektromagnetik adalah interaksi antara partikel atau benda bermuatan.

Muatan listrik dibagi menjadi positif dan negatif. Partikel elementer yang stabil mempunyai muatan positif - proton Dan positron, serta ion atom logam, dll. Pembawa muatan negatif yang stabil adalah elektron Dan antiproton.

Ada partikel yang tidak bermuatan listrik, yaitu partikel netral: neutron, neutrino. Partikel-partikel ini tidak ikut serta dalam interaksi listrik, karena muatan listriknya nol. Ada partikel yang tidak bermuatan listrik, namun tidak ada muatan listrik tanpa partikel.

Muatan positif muncul pada kaca yang digosok dengan sutra. Ebonit yang digosokkan pada bulu mempunyai muatan negatif. Partikel akan tolak menolak jika muatan mempunyai tanda yang sama ( tuduhan dengan nama yang sama), dan dengan tanda yang berbeda ( tidak seperti biaya) partikel tertarik.

Semua benda terbuat dari atom. Atom terdiri dari inti atom yang bermuatan positif dan elektron yang bermuatan negatif yang bergerak mengelilingi inti atom. Inti atom terdiri dari proton bermuatan positif dan partikel netral - neutron. Muatan-muatan dalam suatu atom terdistribusi sedemikian rupa sehingga atom secara keseluruhan bersifat netral, yaitu jumlah muatan positif dan negatif dalam atom adalah nol.

Elektron dan proton adalah bagian dari zat apa pun dan merupakan partikel elementer terkecil yang stabil. Partikel-partikel ini dapat berada dalam keadaan bebas untuk waktu yang tidak terbatas. Muatan listrik elektron dan proton disebut muatan dasar.

Biaya dasar- ini adalah muatan minimum yang dimiliki semua partikel elementer bermuatan. Muatan listrik proton sama nilai absolutnya dengan muatan elektron:

E = 1,6021892(46) * 10 -19 C Besarnya muatan apa pun adalah kelipatan nilai absolut muatan dasar, yaitu muatan elektron. Elektron diterjemahkan dari bahasa Yunani elektron - amber, proton - dari bahasa Yunani protos - pertama, neutron dari bahasa Latin neutrum - tidak satu pun atau yang lain.

Konduktor dan dielektrik

Muatan listrik dapat bergerak. Zat yang muatan listriknya dapat bergerak bebas disebut konduktor. Konduktor yang baik adalah semua logam (konduktor jenis pertama), larutan garam dan asam dalam air - elektrolit(konduktor tipe II), serta gas panas dan zat lainnya. Tubuh manusia juga merupakan konduktor. Konduktor mempunyai daya hantar listrik yang tinggi, yaitu dapat menghantarkan arus listrik dengan baik.

Zat yang muatan listriknya tidak dapat bergerak bebas disebut dielektrik(dari bahasa Inggris dielektrik, dari bahasa Yunani dia - through, through dan bahasa Inggris electric - electric). Zat-zat ini disebut juga isolator. Konduktivitas listrik dielektrik sangat rendah dibandingkan logam. Isolator yang baik adalah porselen, kaca, amber, ebonit, karet, sutra, gas pada suhu kamar dan bahan lainnya.

Pembagian menjadi konduktor dan isolator bersifat sewenang-wenang, karena konduktivitas bergantung pada berbagai faktor, termasuk suhu. Misalnya, kaca hanya dapat berisolasi dengan baik di udara kering dan menjadi isolator yang buruk jika kelembapan udara tinggi.

Konduktor dan dielektrik memainkan peran besar dalam aplikasi listrik modern.

Apa itu atom? Diterjemahkan ke dalam bahasa Rusia, atom berarti tidak dapat dibagi. Untuk waktu yang lama tidak ada yang bisa membantah pernyataan ini. Akhirnya, pada akhir abad ke-19, terbukti bahwa atom terbagi menjadi partikel-partikel yang lebih kecil, yang utama adalah elektron, proton, dan neutron.

Ketika mempelajari partikel-partikel tersebut, ternyata proton dan elektron mempunyai muatan listrik, dan muatannya sama besarnya, tetapi berlawanan tanda. Muatan elektron mengacu pada listrik yang disebut negatif, dan muatan proton mengacu pada listrik yang disebut positif.

Massa elektron kira-kira 1840 kali lebih kecil dari massa proton.

Karena elektron dan proton bermuatan listrik, mereka mematuhi hukum interaksi muatan listrik: muatan sejenis tolak menolak (proton dengan proton dan elektron dengan elektron), dan muatan berbeda tarik menarik (proton dengan elektron).

neutron- partikel ketiga dalam atom, massanya sama dengan proton, tetapi neutron tidak bermuatan listrik. Dikatakan netral secara listrik, maka namanya - neutron.

Seperti disebutkan di atas, atom memiliki struktur yang sangat kompleks, tetapi untuk pertama kalinya kita dapat membatasi diri pada gagasan sederhana tentang strukturnya berikut ini.

Inti atom terletak di pusat atom, terdiri dari proton dan neutron, sehingga bermuatan positif. Elektron berputar mengelilingi inti pada jarak yang mengesankan, ratusan ribu kali lebih besar dari ukurannya.

Karena setiap atom memiliki jumlah elektron yang sama dengan jumlah proton, maka atom tersebut dianggap netral secara listrik.

Struktur atom yang paling sederhana adalah atom hidrogen; intinya terdiri dari satu proton, di mana satu elektron berputar.

Atom berbagai zat berbeda satu sama lain dalam jumlah proton, neutron, dan elektron.

Apa itu ion? Jika suatu atom kehilangan satu atau lebih elektron, ia akan menjadi bermuatan positif, atom tersebut disebut ion positif, dan jika atom tersebut memperoleh satu atau lebih elektron, maka disebut ion negatif, karena ia akan bermuatan negatif. .

Medan listrik. Para ilmuwan telah menetapkan keberadaan jenis materi khusus - sebuah medan. Disekitar muatan listrik juga terdapat medan yang disebut listrik. Ciri khas medan ini adalah gaya mekanik yang bekerja pada muatan listrik yang terletak pada medan tersebut. Paling sering, medan listrik digambarkan dalam gambar dalam bentuk panah yang menunjukkan arah pergerakan muatan positif bebas di bawah pengaruh gaya medan ini. Saluran-saluran ini disebut juga saluran listrik. Kenyataannya tidak ada garis.

Konduktor dan isolator. Dalam zat yang berbeda, elektron terikat pada atomnya dengan cara yang berbeda, pada beberapa zat ikatannya kuat, pada zat lain tidak. Elektron yang ikatannya buruk dengan atom dan mudah meninggalkannya disebut elektron bebas. Jika di salah satu titik suatu zat di mana terdapat elektron bebas, terjadi kelebihan elektron, dan di titik lain terjadi kekurangan, maka zat tersebut, dengan mempertahankan gerak kacau, akan mulai bergerak dengan seluruh massanya ke titik tersebut, sisi yang kekurangan elektron. Gerakan satu arah ini disebut arus listrik. Zat yang mengandung elektron bebas disebut penghantar arus listrik. Pada zat lain, misalnya mika, karet, elektron, sebaliknya, terikat sangat erat pada atomnya dan dalam kondisi normal tidak akan dapat meninggalkannya; pada zat tersebut, arus tidak akan pernah timbul, itulah sebabnya disebut non-konduktor, atau isolator.

1. Prinsip dasar teori kinetika molekuler? 2. Bagaimana energi berpindah dari Matahari ke Bumi? 3.Yang mana

akankah zat tersebut terasa terpanas saat disentuh dalam cuaca panas?

E) Kaca

4. Berapa kalor yang akan dilepaskan pada pembakaran sempurna bensin seberat 5 kg. Kalor jenis pembakaran bensin adalah 4,6 * 10^7 J/kg.

5.Muatan listrik apa yang dimiliki elektron dan proton?

1) Tentukan kuat arus pada bola lampu jika muatan listrik 300 C melewati filamennya dalam waktu 10 menit.

2) Berapa muatan listrik yang akan melewati amperemeter dalam waktu 3 menit jika kuat arus pada rangkaian 0,2 A?

3) Pada saat pengelasan listrik, arusnya mencapai 200 A. Berapa lama waktu yang diperlukan agar muatan sebesar 60.000 C melewati penampang elektroda?

4) Muatan sebesar 600 C melewati spiral kompor listrik dalam waktu 2 menit.

5) Kuat arus pada besi adalah 0,2 A. Berapakah muatan listrik yang melewati kumparannya dalam waktu 5 menit?

6) Berapa lama waktu yang diperlukan muatan sebesar 30 C untuk melewati penampang penghantar dengan arus 200 mA?

TOLONG BANTU AA!! Tentukan kuat arus lampu listrik jika muatan listrik 300 C melewati filamennya dalam waktu 10 menit

Berapa muatan listrik yang akan melewati amperemeter dalam waktu 3 menit jika kuat arus pada rangkaian 0,2A?

4. Kita tidak dapat melihat elektron bergerak dalam konduktor logam. Kita dapat menilai keberadaan arus listrik dalam suatu rangkaian melalui pengaruh arus tersebut. Yang

bukankah perbuatan itu disebabkan oleh arus listrik? A) termal; B) mekanis; C) bersifat magnetis; D) kimia. 5. Pada zaman dahulu, diasumsikan bahwa muatan listrik positif dan negatif dapat bergerak di semua konduktor. Pergerakan partikel manakah dalam medan listrik yang dianggap sebagai arah arus? A) muatan positif; B) elektron; C) neutron; D) ion negatif. 6. Ampere Andre Marie - Fisikawan dan matematikawan Perancis. Ia menciptakan teori pertama yang mengungkapkan hubungan antara fenomena listrik dan magnet. Ampere mempunyai hipotesis tentang sifat kemagnetan. Dan konsep apa yang pertama kali dia perkenalkan ke dalam fisika? B) arus listrik; C) elektron; D) muatan listrik. 7. Usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya medan listrik yang menimbulkan arus listrik disebut usaha arus. Itu tergantung kekuatan saat ini. Namun pekerjaan tidak bergantung pada kekuatan saat ini saja. Kuantitas lain apa yang bergantung padanya? A) tegangan; B) kekuasaan; C) jumlah panas; D) kecepatan. 8. Untuk mengukur tegangan pada kutub-kutub sumber arus atau pada suatu bagian rangkaian, digunakan alat yang disebut voltmeter. Banyak voltmeter yang tampilannya sangat mirip dengan amperemeter. Untuk membedakannya dengan perangkat lain, huruf V ditempatkan pada skala. Tapi bagaimana voltmeter dihubungkan ke rangkaian? A) secara paralel; B) secara berurutan; C) tepat di belakang baterai; D) terhubung ke amperemeter. 9. Ketergantungan kekuatan arus pada sifat-sifat konduktor dijelaskan oleh fakta bahwa konduktor yang berbeda memiliki hambatan listrik yang berbeda. Perlawanan tidak bergantung pada apa? A) dari perbedaan struktur kisi kristal; B) menurut beratnya; C) panjangnya; D) dari luas penampang. 10. Ada dua cara menyambung konduktor: paralel dan seri. Sangat mudah untuk menggunakan koneksi paralel konsumen dalam kehidupan sehari-hari dan dalam teknologi. Berapakah besaran listrik yang sama untuk semua penghantar yang dihubungkan secara paralel: a) kuat arus; B) tegangan; C) waktu; D) resistensi. 11. Dalam gerak 5 s, sebuah benda menempuh jarak 12,5 m. Berapakah jarak yang ditempuh benda dalam gerak 6 s jika benda tersebut bergerak dengan percepatan tetap? A) 25 m; B) 13 m; C) 36 m; D) 18 m. 12. Seorang siswa menempuh sepertiga perjalanan dengan bus dengan kecepatan 60 km/jam, dan sepertiga perjalanan lainnya dengan sepeda dengan kecepatan 20 km/jam. Sepertiga terakhir perjalanan ditempuh dengan kecepatan 5 km/jam. Tentukan kecepatan rata-rata gerakan. A) 30 km/jam; B) 10 km/jam; C) 283 km/jam; D) 11,25 km/jam. 13. Massa jenis air diambil 1000 kg/m3, dan massa jenis es 900 kg/m3. Jika sebuah gumpalan es yang terapung mengapung, menonjol 50 m3 di atas permukaan air, berapakah volume seluruh gumpalan es yang terapung tersebut? A) 100 m3; B) 200 m3; C) 150 m3; D) 500 m3. 14. Beban dan () diikatkan pada ujung sebuah batang tipis yang panjangnya L. Batang digantung pada seutas benang dan ditempatkan secara horizontal. Tentukan jarak x dari massa m1 ke titik suspensi benang. Abaikan massa batang. 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. Pendaki mendaki ke puncak gunung. Bagaimana tekanan atmosfer berubah saat atlet bergerak? A) akan meningkat; B) tidak akan berubah; C) tidak ada jawaban yang benar. D) akan berkurang;