Kokį elektros krūvį turi elektronai? Kokius elektros krūvius turi elektronai ir neutronai? Problemų sprendimo pavyzdžiai

Iki XX amžiaus pradžios mokslininkai manė, kad atomas yra mažiausia nedaloma materijos dalelė, tačiau tai pasirodė klaidinga. Tiesą sakant, atomo centre yra jo branduolys su teigiamai įkrautais protonais ir neutraliais neutronais, o neigiamo krūvio elektronai sukasi orbitose aplink branduolį (šį atomo modelį 1911 m. pasiūlė E. Rutherfordas). Pastebėtina, kad protonų ir neutronų masės yra beveik lygios, tačiau elektrono masė yra apie 2000 kartų mažesnė.

Nors atome yra ir teigiamai, ir neigiamai įkrautų dalelių, jo krūvis yra neutralus, nes atomas turi vienodą protonų ir elektronų skaičių, o skirtingai įkrautos dalelės viena kitą neutralizuoja.

Vėliau mokslininkai išsiaiškino, kad elektronai ir protonai turi vienodą krūvį, lygų 1,6 10 -19 C (C yra kulonas, elektros krūvio vienetas SI sistemoje.

Ar kada susimąstėte apie klausimą – koks elektronų skaičius atitinka 1 C krūvį?

1/(1,6·10-19) = 6,25·10 18 elektronų

Elektros energija

Elektros krūviai veikia vienas kitą, o tai pasireiškia forma elektrinė jėga.

Jei kūne yra elektronų perteklius, jis turės bendrą neigiamą elektros krūvį, ir atvirkščiai – jei yra elektronų trūkumas, kūnas turės bendrą teigiamą krūvį.

Analogiškai su magnetinėmis jėgomis, kai panašaus krūvio poliai atstumia, o priešingai įkrauti poliai traukia, elektros krūviai elgiasi panašiai. Tačiau fizikoje neužtenka vien kalbėti apie elektros krūvio poliškumą, svarbi jo skaitinė reikšmė.

Norint sužinoti tarp įkrautų kūnų veikiančios jėgos dydį, reikia žinoti ne tik krūvių dydį, bet ir atstumą tarp jų. Visuotinės gravitacijos jėga jau buvo svarstyta anksčiau: F = (Gm 1 m 2)/R 2

• m 1, m 2- kūno masės;
• R- atstumas tarp kūnų centrų;
• G = 6,67 10 -11 Nm 2 /kg- universali gravitacinė konstanta.

Laboratorinių eksperimentų dėka fizikai išvedė panašią elektros krūvių sąveikos jėgos formulę, kuri buvo vadinama Kulono dėsnis:

F = kq 1 q 2 /r 2

• q 1, q 2 - sąveikaujantys krūviai, matuojami C;
• r – atstumas tarp krūvių;
• k - proporcingumo koeficientas ( 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 - elektrinė konstanta.

Pagal Kulono dėsnį, jei du krūviai turi tą patį ženklą, tai tarp jų veikianti jėga F yra teigiama (krūviai atstumia vienas kitą); jei krūviai turi priešingus ženklus, veikianti jėga yra neigiama (krūviai traukia vienas kitą).

Kokia milžiniška yra 1 C krūvio jėga, galima spręsti pagal Kulono dėsnį. Pavyzdžiui, jei darysime prielaidą, kad du krūviai, kurių kiekvienas yra 1 C, yra išdėstyti 10 metrų atstumu vienas nuo kito, jie atstums vienas kitą jėga:

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

Tai gana didelė jėga, maždaug panaši į 5600 tonų masę.

Dabar naudokime Kulono dėsnį, kad išsiaiškintume, kokiu tiesiniu greičiu elektronas sukasi vandenilio atome, darant prielaidą, kad jis juda apskrita orbita.

Pagal Kulono dėsnį elektrostatinė jėga, veikianti elektroną, gali būti prilyginama įcentrinei jėgai:

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

Atsižvelgdami į tai, kad elektrono masė yra 9,1·10 -31 kg, o jo orbitos spindulys = 5,29·10 -11 m, gauname reikšmę 8,22·10 -8 N.

Dabar galime rasti tiesinį elektrono greitį:

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

Taigi vandenilio atomo elektronas sukasi aplink savo centrą maždaug 7,88 mln. km/h greičiu.

APIBRĖŽIMAS

Protonas vadinama stabilia dalele, priklausančia hadronų klasei, kuri yra vandenilio atomo branduolys.

Mokslininkai nesutaria, kuris mokslinis įvykis turėtų būti laikomas protono atradimu. Svarbų vaidmenį atrandant protoną atliko:

1. E. Rutherfordo sukurtas planetinis atomo modelis;
2. izotopų atradimas F. Soddy, J. Thomson, F. Aston;
3. vandenilio atomų branduolių elgsenos stebėjimus, kai juos alfa dalelės išmuša iš azoto branduolių E. Rutherfordas.

Pirmąsias protonų pėdsakų nuotraukas P. Blackettas gavo debesų kameroje, tyrinėdamas dirbtinio elementų virsmo procesus. Blackettas tyrinėjo alfa dalelių gaudymo azoto branduoliais procesą. Šio proceso metu buvo išmestas protonas, o azoto branduolys buvo paverstas deguonies izotopu.

Protonai kartu su neutronais yra visų cheminių elementų branduolių dalis. Protonų skaičius branduolyje lemia elemento atominį skaičių periodinėje lentelėje D.I. Mendelejevas.

Protonas yra teigiamai įkrauta dalelė. Jo krūvis yra lygus elementariajam krūviui, tai yra elektrono krūvio dydžiui. Protono krūvis dažnai žymimas kaip , tada galime parašyti, kad:

Šiuo metu manoma, kad protonas nėra elementarioji dalelė. Jis turi sudėtingą struktūrą ir susideda iš dviejų u-kvarkų ir vieno d-kvarko. U-kvarko () elektros krūvis yra teigiamas ir lygus

D-kvarko () elektros krūvis yra neigiamas ir lygus:

Kvarkai jungia gliuonų, kurie yra lauko kvantai, mainus; jie ištveria stiprią sąveiką. Tai, kad protonai savo struktūroje turi keletą taškinių sklaidos centrų, patvirtina protonų elektronų sklaidos eksperimentai.

Protonas turi ribotą dydį, dėl kurio mokslininkai vis dar ginčijasi. Šiuo metu protonas vaizduojamas kaip debesis, kurio riba yra neryški. Tokia riba susideda iš nuolat atsirandančių ir naikinamų virtualių dalelių. Tačiau daugelyje paprastų problemų protonas, žinoma, gali būti laikomas taškiniu krūviu. Likusi protono masė () yra maždaug lygi:

Protono masė yra 1836 kartus didesnė už elektrono masę.

Protonai dalyvauja visose esminėse sąveikose: stipri sąveika sujungia protonus ir neutronus į branduolius, elektronai ir protonai susijungia į atomus pasitelkdami elektromagnetinę sąveiką. Kaip silpną sąveiką galime paminėti, pavyzdžiui, neutrono (n) beta skilimą:

kur p yra protonas; - elektronas; - antineutrino.

Protonų skilimas dar nebuvo gautas. Tai viena iš svarbiausių šiuolaikinių fizikos problemų, nes šis atradimas būtų reikšmingas žingsnis siekiant suprasti gamtos jėgų vienybę.

Problemų sprendimo pavyzdžiai

1 PAVYZDYS

Pratimas	Natrio atomo branduoliai yra bombarduojami protonais. Kokia elektrostatinės protono atstūmimo jėga iš atomo branduolio, jei protonas yra per atstumą m. Apsvarstykite, kad natrio atomo branduolio krūvis yra 11 kartų didesnis už protono krūvį. Galima nepaisyti natrio atomo elektroninio apvalkalo įtakos.
Sprendimas	Norėdami išspręsti problemą, naudosime Kulono dėsnį, kuris gali būti parašytas mūsų problemai (darant prielaidą, kad dalelės yra taškinės dalelės) taip: čia F – įkrautų dalelių elektrostatinės sąveikos jėga; Cl yra protonų krūvis; - natrio atomo branduolio krūvis; - vakuumo dielektrinė konstanta; - elektros konstanta. Naudodami turimus duomenis galime apskaičiuoti reikiamą atstūmimo jėgą:
Atsakymas	N

2 PAVYZDYS

Pratimas	Atsižvelgiant į paprasčiausią vandenilio atomo modelį, manoma, kad elektronas juda žiedine orbita aplink protoną (vandenilio atomo branduolį). Koks yra elektrono greitis, jei jo orbitos spindulys yra m?
Sprendimas	Panagrinėkime jėgas (1 pav.), veikiančias apskritimu judantį elektroną. Tai protono traukos jėga. Pagal Kulono dėsnį rašome, kad jo reikšmė lygi (): kur =— elektrono krūvis; - protonų krūvis; - elektros konstanta. Elektrono ir protono traukos jėga bet kuriame elektrono orbitos taške yra nukreipta iš elektrono į protoną išilgai apskritimo spindulio.

Jei ant popieriaus lapo patrinsite stiklinę lazdelę, strypas įgis savybę pritraukti „sultono“ lapus (žr. 1.1 pav.), pūkus ir plonas vandens sroves. Kai šukuojate sausus plaukus plastikinėmis šukomis, plaukai pritraukiami prie šukos. Šiuose paprastuose pavyzdžiuose susiduriame su jėgų, kurios vadinamos, pasireiškimu elektrinis.

Ryžiai. 1.1. „Sultono“ lapų pritraukimas elektrifikuoto stiklo lazdele.

Vadinami kūnai ar dalelės, kurios veikia aplinkinius objektus elektros jėgomis apmokestintas arba elektrifikuotas. Pavyzdžiui, minėtas stiklo strypas, įtrynus ant popieriaus lapo, įsielektrina.

Dalelės turi elektrinį krūvį, jei sąveikauja viena su kita per elektros jėgas. Didėjant atstumui tarp dalelių, elektros jėgos mažėja. Elektrinės jėgos yra daug kartų didesnės už visuotinės gravitacijos jėgas.

Elektros krūvis yra fizikinis dydis, lemiantis elektromagnetinės sąveikos intensyvumą. Elektromagnetinė sąveika yra sąveika tarp įkrautų dalelių arba kūnų.

Elektros krūviai skirstomi į teigiamus ir neigiamus. Stabilios elementarios dalelės turi teigiamą krūvį - protonų Ir pozitronai, taip pat metalo atomų jonai ir kt. Stabilūs neigiami krūvininkai yra elektronas Ir antiprotonas.

Yra elektriškai neįkrautų dalelių, tai yra neutralių: neutronas, neutrino. Šios dalelės nedalyvauja elektrinėje sąveikoje, nes jų elektros krūvis lygus nuliui. Yra dalelių be elektros krūvio, bet elektros krūvis neegzistuoja be dalelės.

Ant šilku įtrinto stiklo atsiranda teigiami krūviai. Ant kailio įtrintas ebonitas turi neigiamų krūvių. Dalelės atstumia, kai krūviai turi tuos pačius ženklus ( to paties pavadinimo mokesčiai), ir su skirtingais ženklais ( skirtingai nei kaltinimai) pritraukia daleles.

Visi kūnai sudaryti iš atomų. Atomai susideda iš teigiamai įkrauto atomo branduolio ir neigiamo krūvio elektronų, kurie juda aplink atomo branduolį. Atomo branduolys susideda iš teigiamai įkrautų protonų ir neutralių dalelių – neutronų. Krūviai atome pasiskirsto taip, kad visas atomas būtų neutralus, tai yra, atomo teigiamų ir neigiamų krūvių suma yra lygi nuliui.

Elektronai ir protonai yra bet kurios medžiagos dalis ir yra mažiausios stabilios elementarios dalelės. Šios dalelės gali egzistuoti laisvoje būsenoje neribotą laiką. Elektrono ir protono elektrinis krūvis vadinamas elementariuoju krūviu.

Elementarus mokestis– tai minimalus krūvis, kurį turi visos įkrautos elementarios dalelės. Protono elektrinis krūvis absoliučia reikšme yra lygus elektrono krūviui:

E = 1,6021892(46) * 10 -19 C Bet kurio krūvio dydis yra elementaraus krūvio, tai yra elektrono krūvio, absoliučios vertės kartotinis. Elektronas išvertus iš graikų kalbos elektronas – gintaras, protonas – iš graikų protos – pirmas, neutronas iš lotynų kalbos neutrum – nei vienas, nei kitas.

Laidininkai ir dielektrikai

Elektros krūviai gali judėti. Vadinamos medžiagos, kuriose elektros krūviai gali laisvai judėti laidininkai. Geri laidininkai yra visi metalai (pirmosios rūšies laidininkai), vandeniniai druskų ir rūgščių tirpalai - elektrolitų(II tipo laidininkai), taip pat karštos dujos ir kitos medžiagos. Žmogaus kūnas taip pat yra laidininkas. Laidininkai turi didelį elektros laidumą, tai yra, jie gerai praleidžia elektros srovę.

Vadinamos medžiagos, kuriose elektros krūviai negali laisvai judėti dielektrikai(iš anglų kalbos dielektrikas, iš graikų dia - per, per ir iš anglų kalbos - elektrinis). Šios medžiagos taip pat vadinamos izoliatoriai. Dielektrikų elektrinis laidumas yra labai mažas, palyginti su metalais. Geri izoliatoriai yra porcelianas, stiklas, gintaras, ebonitas, guma, šilkas, kambario temperatūros dujos ir kitos medžiagos.

Skirstymas į laidininkus ir izoliatorius yra savavališkas, nes laidumas priklauso nuo įvairių veiksnių, įskaitant temperatūrą. Pavyzdžiui, stiklas gerai izoliuoja tik sausame ore, o esant didelei oro drėgmei tampa prastu izoliatoriumi.

Laidininkai ir dielektrikai atlieka didžiulį vaidmenį šiuolaikinėse elektros srityse.

Kas yra atomas? Išvertus į rusų kalbą atomas reiškia nedalomas. Ilgą laiką niekas negalėjo paneigti šio teiginio. Galiausiai XIX amžiaus pabaigoje buvo įrodyta, kad atomas yra padalintas į mažesnes daleles, kurių pagrindinės yra elektronai, protonai ir neutronai.

Tiriant šias daleles paaiškėjo, kad protonai ir elektronai turi elektros krūvius, o jų krūviai yra vienodo dydžio, bet priešingo ženklo. Elektrono krūvis reiškia tą elektros energiją, kuri vadinama neigiama, o protono krūvis reiškia tą, kuri vadinama teigiama.

Elektrono masė yra maždaug 1840 kartų mažesnė už protono masę.

Kadangi elektronai ir protonai yra elektriškai įkrauti, jie paklūsta elektros krūvių sąveikos dėsniams: kaip krūviai atstumia (protonas su protonu ir elektronas su elektronu), o skirtingai nei krūviai traukia (protonas su elektronu).

Neutronas- trečioji atomo dalelė, masė lygi protonui, bet neutronas neturi elektros krūvio. Teigiama, kad jis elektra neutralus, todėl ir pavadintas – neutronas.

Kaip minėta aukščiau, atomo struktūra yra labai sudėtinga, tačiau pirmą kartą galime apsiriboti šia supaprastinta jo struktūros idėja.

Atomo centre yra branduolys, jis susideda iš protonų ir neutronų, todėl yra teigiamai įkrautas. Elektronai aplink branduolį sukasi įspūdingu atstumu, šimtus tūkstančių kartų didesniu už jo dydį.

Kadangi kiekvienas atomas turi tiek pat elektronų, kiek ir protonų skaičius, jis laikomas elektriškai neutraliu.

Paprasčiausias atomas pagal struktūrą yra vandenilio atomas, jo branduolys susideda iš vieno protono, aplink kurį sukasi vienas elektronas.

Įvairių medžiagų atomai skiriasi vienas nuo kito protonų, neutronų ir elektronų skaičiumi.

Kas yra jonas? Jei atomas kažkaip netenka vieno ar daugiau elektronų, jis bus teigiamai įkrautas, toks atomas bus vadinamas teigiamu jonu, o jei atomas gaus vieną ar daugiau elektronų, jis bus vadinamas neigiamu jonu, nes bus neigiamai įkrautas. .

Elektrinis laukas. Mokslininkai nustatė, kad egzistuoja ypatinga materijos rūšis – laukas. Aplink elektros krūvius taip pat yra laukas, vadinamas elektriniu. Būdingas šio lauko bruožas yra mechaninė jėga, veikianti šiame lauke esančius elektros krūvius. Dažniausiai elektrinis laukas brėžiniuose vaizduojamas rodyklėmis, rodančiomis kryptį, kuria laisvas teigiamas krūvis judėtų veikiamas šio lauko jėgų. Šios linijos dar vadinamos elektros linijomis. Tiesą sakant, nėra jokių linijų.

Laidininkai ir izoliatoriai. Įvairiose medžiagose elektronai su savo atomais jungiasi nevienodai, vienų ryšys stiprus, kitų – ne. Elektronai, kurie yra prastai surišti su atomais ir gali lengvai juos palikti, vadinami laisvaisiais elektronais. Jei viename iš medžiagos taškų, kuriuose yra laisvųjų elektronų, susidaro jų perteklius, o kitame - trūkumas, tada jie, išlaikydami chaotišką judėjimą, pradės judėti visa savo mase į tą tašką, ta pusė, kurioje nėra pakankamai elektronų. Šis vienpusis judėjimas bus vadinamas elektros srove. Medžiagos, kuriose yra laisvųjų elektronų, vadinamos elektros srovės laidininkais. Kitose medžiagose, pavyzdžiui, žėrutis, kaučiukas, elektronai, atvirkščiai, yra labai glaudžiai surišti su savo atomais ir normaliomis sąlygomis negalės jų palikti; tokiose medžiagose srovė niekada neatsiras, todėl jie vadinami nelaidininkai arba izoliatoriai.

1. Pagrindiniai molekulinės kinetinės teorijos principai? 2. Kaip energija perduodama iš Saulės į Žemę? 3. Kuris

ar karštu oru medžiaga bus karščiausia liesti?

E) Stiklas

4. Kiek šilumos išsiskirs visiškai sudegus 5 kg sveriančiam benzinui Savitoji benzino degimo šiluma yra 4,6 * 10^7 J/kg.

5.Kokius elektros krūvius turi elektronas ir protonas?

1) Nustatykite elektros srovės stiprumą lemputėje, jei per 10 minučių pro jos siūlą praeina 300 C elektros krūvis.

2) Koks elektros krūvis praeis per ampermetrą per 3 minutes, kai srovė grandinėje yra 0,2 A?

3) Suvirinant elektra srovė siekia 200 A. Kiek laiko per elektrodo skerspjūvį praeina 60 000 C krūvis?

4) Elektrinės viryklės spirale per 2 minutes prasiskverbė 600 C krūvis.Kokio stiprumo srovė spiralėje?

5) Srovės stipris lygintuvėje yra 0,2 A. Koks elektros krūvis per 5 minutes praeis pro jos ritę?

6) Per kiek laiko per laidininko skerspjūvį, esant 200 mA srovei, praeis krūvis, lygus 30 C?

PRAŠAU PADĖKITE AA!! Nustatykite elektros lempos srovės stiprumą, jei per 10 minučių per jos siūlą praeina 300 C elektros krūvis

Koks elektros krūvis praeis per ampermetrą per 3 minutes, kai srovė grandinėje yra 0,2A?

4. Negalime matyti elektronų, judančių metaliniame laidininke. Apie elektros srovės buvimą grandinėje galime spręsti pagal srovės poveikį. Kuris

veiksmus sukelia ne elektros srovė? A) terminis; B) mechaninis; C) magnetinis; D) cheminė medžiaga. 5. Senovėje buvo manoma, kad visuose laiduose gali judėti tiek teigiami, tiek neigiami elektros krūviai. Kurių dalelių judėjimas elektriniame lauke laikomas srovės kryptimi? A) teigiami krūviai; B) elektronai; C) neutronai; D) neigiami jonai. 6. Ampere Andre Marie – prancūzų fizikas ir matematikas. Jis sukūrė pirmąją teoriją, kuri išreiškė ryšį tarp elektrinių ir magnetinių reiškinių. Ampere turi hipotezę apie magnetizmo prigimtį. O kokią sąvoką jis pirmą kartą įvedė į fiziką?A) srovės stiprumas; B) elektros srovė; C) elektronas; D) elektros krūvis. 7. Darbas, kurį atlieka elektrinio lauko jėgos, sukuriančios elektros srovę, vadinamas srovės darbu. Tai priklauso nuo srovės stiprumo. Tačiau darbas nepriklauso vien nuo srovės stiprumo. Nuo kokio dar kiekio tai priklauso? A) įtampa; B) galia; C) šilumos kiekis; D) greitis. 8. Įtampai srovės šaltinio poliuose arba tam tikroje grandinės atkarpoje matuoti naudojamas prietaisas, vadinamas voltmetru. Daugelis voltmetrų savo išvaizda yra labai panašūs į ampermetrus. Norint atskirti jį nuo kitų prietaisų, ant svarstyklių dedama raidė V. Bet kaip prie grandinės prijungiamas voltmetras? A) lygiagrečiai; B) nuosekliai; C) griežtai už akumuliatoriaus; D) prijungtas prie ampermetro. 9. Srovės priklausomybė nuo laidininko savybių paaiškinama tuo, kad skirtingi laidininkai turi skirtingą elektrinę varžą. Nuo ko nepriklauso pasipriešinimas? A) nuo kristalinės gardelės struktūros skirtumų; B) pagal svorį; C) apie ilgį; D) nuo skerspjūvio ploto. 10. Yra du būdai prijungti laidininkus: lygiagrečiai ir nuosekliai. Labai patogu naudoti lygiagrečius vartotojų ryšius kasdieniame gyvenime ir technologijose. Kuris elektros dydis yra vienodas visiems lygiagrečiai sujungtiems laidininkams: A) srovės stipris; B) įtampa; C) laikas; D) pasipriešinimas. 11. Judėdamas 5 s, kūnas nukeliauja 12,5 m. Kokį atstumą kūnas nukeliaus judėdamas per 6 s, jei kūnas juda pastoviu pagreičiu? A) 25 m; B) 13 m; C) 36 m; D) 18 m. 12. Trečdalį kelio mokinys nuvažiavo autobusu 60 km/h greičiu, kitą trečdalį – dviračiu 20 km/h greičiu. Paskutinis kelionės trečdalis buvo įveiktas 5 km/h greičiu. Nustatykite vidutinį judėjimo greitį. A) 30 km/h; B) 10 km/h; C) 283 km/h; D) 11,25 km/val. 13. Vandens tankis imamas 1000 kg/m3, o ledo tankis 900 kg/m3. Jei plūduriuoja ledo sangrūda, išsikišusi 50 m3 virš vandens paviršiaus, koks yra visos ledo lytinės tūris? A) 100 m3; B) 200 m3; C) 150 m3; D) 500 m3. 14. Prie plono L ilgio strypo galų tvirtinami svareliai ir () . Strypas pakabinamas ant sriegio ir yra horizontaliai. Raskite atstumą x nuo masės m1 iki sriegio pakabos taško. Nepaisykite strypo masės 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. Alpinistai kopia į kalno viršūnę. Kaip keičiasi atmosferos slėgis sportininkams judant? A) padidės; B) nepasikeis; C) nėra teisingo atsakymo. D) sumažės;