Jaki ładunek elektryczny mają elektrony? Jakie ładunki elektryczne mają elektrony i neutrony? Przykłady rozwiązywania problemów

Do początków XX wieku naukowcy uważali, że atom jest najmniejszą niepodzielną cząstką materii, ale okazało się to błędne. Tak naprawdę w centrum atomu znajduje się jego jądro z dodatnio naładowanymi protonami i obojętnymi neutronami, a ujemnie naładowane elektrony krążą po orbitach wokół jądra (ten model atomu zaproponował w 1911 r. E. Rutherford). Warto zauważyć, że masy protonów i neutronów są prawie równe, ale masa elektronu jest około 2000 razy mniejsza.

Chociaż atom zawiera cząstki naładowane zarówno dodatnio, jak i ujemnie, jego ładunek jest obojętny, ponieważ atom ma taką samą liczbę protonów i elektronów, a cząstki o różnym ładunku neutralizują się nawzajem.

Później naukowcy odkryli, że elektrony i protony mają taki sam ładunek, równy 1,6 · 10 -19 C (C to kulomb, jednostka ładunku elektrycznego w układzie SI.

Czy zastanawiałeś się kiedyś nad pytaniem - jaka liczba elektronów odpowiada ładunkowi 1 C?

1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 elektronów

Energia elektryczna

Ładunki elektryczne oddziałują na siebie, co objawia się w formie siła elektryczna.

Jeśli ciało będzie miało nadmiar elektronów, będzie miało całkowity ujemny ładunek elektryczny i odwrotnie – jeśli będzie niedobór elektronów, ciało będzie miało całkowity ładunek dodatni.

Analogicznie do sił magnetycznych, gdy podobnie naładowane bieguny odpychają się, a przeciwnie naładowane bieguny przyciągają, ładunki elektryczne zachowują się w podobny sposób. Jednak w fizyce nie wystarczy po prostu mówić o polaryzacji ładunku elektrycznego, ważna jest jego wartość liczbowa.

Aby poznać wielkość siły działającej pomiędzy naładowanymi ciałami, należy znać nie tylko wielkość ładunków, ale także odległość między nimi. Siłę powszechnego ciążenia rozważaliśmy już wcześniej: F = (Gm 1 m 2)/R 2

• m 1, m 2- masy ciała;
• R- odległość między środkami ciał;
• G = 6,67 10 -11 Nm 2 /kg- uniwersalna stała grawitacyjna.

W wyniku eksperymentów laboratoryjnych fizycy wyprowadzili podobny wzór na siłę oddziaływania ładunków elektrycznych, który nazwano prawo Coulomba:

F = kq 1 q 2 /r 2

• q 1, q 2 - ładunki oddziałujące, mierzone w C;
• r jest odległością między ładunkami;
• k - współczynnik proporcjonalności ( 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 - stała elektryczna.

Zgodnie z prawem Coulomba, jeśli dwa ładunki mają ten sam znak, to działająca między nimi siła F jest dodatnia (ładunki odpychają się); jeśli ładunki mają przeciwne znaki, działająca siła jest ujemna (ładunki przyciągają się).

Jak ogromną siłę ma ładunek 1 C, można ocenić, korzystając z prawa Coulomba. Przykładowo, jeśli założymy, że dwa ładunki, każdy o masie 1 C, znajdują się w odległości 10 metrów od siebie, to będą się odpychać z siłą:

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

Jest to dość duża siła, mniej więcej porównywalna z masą 5600 ton.

Skorzystajmy teraz z prawa Coulomba, aby dowiedzieć się, z jaką prędkością liniową elektron obraca się w atomie wodoru, zakładając, że porusza się on po orbicie kołowej.

Zgodnie z prawem Coulomba siłę elektrostatyczną działającą na elektron można przyrównać do siły dośrodkowej:

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

Biorąc pod uwagę fakt, że masa elektronu wynosi 9,1·10 -31 kg, a promień jego orbity = 5,29·10 -11 m, otrzymujemy wartość 8,22·10 -8 N.

Teraz możemy znaleźć prędkość liniową elektronu:

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

Zatem elektron atomu wodoru obraca się wokół swojego środka z prędkością około 7,88 miliona km/h.

DEFINICJA

Proton nazywana cząstką stabilną należącą do klasy hadronów, która jest jądrem atomu wodoru.

Naukowcy nie są zgodni co do tego, które wydarzenie naukowe należy uznać za odkrycie protonu. Ważną rolę w odkryciu protonu odegrali:

1. stworzenie planetarnego modelu atomu przez E. Rutherforda;
2. odkrycie izotopów przez F. Soddy'ego, J. Thomsona, F. Astona;
3. obserwacje zachowania się jąder atomów wodoru przy wybijaniu ich przez cząstki alfa z jąder azotu przez E. Rutherforda.

Pierwsze zdjęcia śladów protonów P. Blackett uzyskał w komorze chmurowej, badając procesy sztucznej transformacji pierwiastków. Blackett badał proces wychwytywania cząstek alfa przez jądra azotu. W procesie tym wyemitowano proton, a jądro azotu zostało przekształcone w izotop tlenu.

Protony wraz z neutronami wchodzą w skład jąder wszystkich pierwiastków chemicznych. Liczba protonów w jądrze określa liczbę atomową pierwiastka w układzie okresowym D.I. Mendelejew.

Proton jest cząstką naładowaną dodatnio. Jego ładunek jest równy ładunkowi elementarnemu, to znaczy wartości ładunku elektronu. Ładunek protonu jest często oznaczany jako , wtedy możemy napisać, że:

Obecnie uważa się, że proton nie jest cząstką elementarną. Ma złożoną strukturę i składa się z dwóch kwarków u i jednego kwarku d. Ładunek elektryczny u-kwarka () jest dodatni i równy

Ładunek elektryczny kwarka d () jest ujemny i równy:

Kwarki łączą wymianę gluonów, które są kwantami pola, wytrzymują silne oddziaływanie. Fakt, że protony posiadają w swojej strukturze kilka punktowych centrów rozpraszania, potwierdzają eksperymenty dotyczące rozpraszania elektronów przez protony.

Proton ma skończoną wielkość, co do której naukowcy wciąż się spierają. Obecnie proton jest przedstawiany jako chmura o niewyraźnych granicach. Na taką granicę składają się stale pojawiające się i unicestwiające cząstki wirtualne. Ale w większości prostych problemów proton można oczywiście uznać za ładunek punktowy. Masa spoczynkowa protonu () jest w przybliżeniu równa:

Masa protonu jest 1836 razy większa niż masa elektronu.

Protony biorą udział we wszystkich podstawowych interakcjach: oddziaływania silne łączą protony i neutrony w jądra, elektrony i protony łączą się w atomy za pomocą oddziaływań elektromagnetycznych. Jako oddziaływanie słabe możemy przytoczyć np. rozpad beta neutronu (n):

gdzie p oznacza proton; — elektron; - antyneutrino.

Nie uzyskano jeszcze rozpadu protonu. Jest to jeden z ważnych współczesnych problemów fizyki, ponieważ to odkrycie byłoby znaczącym krokiem w zrozumieniu jedności sił natury.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia	Jądra atomu sodu bombardowane są protonami. Jaka jest siła odpychania elektrostatycznego protonu od jądra atomu, jeśli proton znajduje się w pewnej odległości m. Weź pod uwagę, że ładunek jądra atomu sodu jest 11 razy większy niż ładunek protonu. Wpływ powłoki elektronowej atomu sodu można zignorować.
Rozwiązanie	Za podstawę rozwiązania problemu weźmiemy prawo Coulomba, które można zapisać dla naszego problemu (zakładając, że cząstki są punktowe) w następujący sposób: gdzie F jest siłą oddziaływania elektrostatycznego naładowanych cząstek; Cl to ładunek protonu; - ładunek jądra atomu sodu; - stała dielektryczna próżni; - stała elektryczna. Korzystając z posiadanych danych, możemy obliczyć wymaganą siłę odpychania:
Odpowiedź	N

PRZYKŁAD 2

Ćwiczenia	Biorąc pod uwagę najprostszy model atomu wodoru, uważa się, że elektron porusza się po orbicie kołowej wokół protonu (jądra atomu wodoru). Jaka jest prędkość elektronu, jeśli promień jego orbity wynosi m?
Rozwiązanie	Rozważmy siły (ryc. 1), które działają na elektron poruszający się po okręgu. Jest to siła przyciągania protonu. Zgodnie z prawem Coulomba piszemy, że jego wartość jest równa (): gdzie =— ładunek elektronu; - ładunek protonowy; - stała elektryczna. Siła przyciągania pomiędzy elektronem i protonem w dowolnym punkcie orbity elektronu jest kierowana od elektronu do protonu wzdłuż promienia okręgu.

Jeśli pocierasz szklany pręt o kartkę papieru, pręt nabędzie zdolność przyciągania liści „sułtana” (patrz ryc. 1.1), puchu i cienkich strumieni wody. Kiedy czeszesz suche włosy plastikowym grzebieniem, grzebień przyciąga je. W tych prostych przykładach spotykamy przejaw sił tzw elektryczny.

Ryż. 1.1. Przyciąganie liści „sułtana” za pomocą naelektryzowanego szklanego pręta.

Nazywa się ciała lub cząstki, które działają na otaczające obiekty siłami elektrycznymi naładowany Lub zelektryzowany. Przykładowo wspomniany pręt szklany po potarciu o kartkę papieru ulega naelektryzowaniu.

Cząstki mają ładunek elektryczny, jeśli oddziałują ze sobą za pomocą sił elektrycznych. Siły elektryczne zmniejszają się wraz ze wzrostem odległości między cząstkami. Siły elektryczne są wielokrotnie większe niż siły powszechnej grawitacji.

Ładunek elektryczny jest wielkością fizyczną określającą intensywność oddziaływań elektromagnetycznych. Oddziaływania elektromagnetyczne to oddziaływania pomiędzy naładowanymi cząstkami lub ciałami.

Ładunki elektryczne dzielą się na dodatnie i ujemne. Stabilne cząstki elementarne mają ładunek dodatni - protony I pozytony, a także jony atomów metali itp. Stabilne nośniki ładunku ujemnego są elektron I antyproton.

Istnieją cząstki elektrycznie nienaładowane, czyli neutralne: neutron, neutrino. Cząstki te nie biorą udziału w oddziaływaniach elektrycznych, ponieważ ich ładunek elektryczny wynosi zero. Istnieją cząstki bez ładunku elektrycznego, ale ładunek elektryczny nie istnieje bez cząstki.

Ładunki dodatnie pojawiają się na szkle potartym jedwabiem. Ebonit wcierany w futro ma ładunki ujemne. Cząstki odpychają się, gdy ładunki mają te same znaki ( zarzuty o tej samej nazwie) i z różnymi znakami ( w odróżnieniu od opłat) cząstki są przyciągane.

Wszystkie ciała składają się z atomów. Atomy składają się z dodatnio naładowanego jądra atomowego i ujemnie naładowanych elektronów, które poruszają się wokół jądra atomowego. Jądro atomowe składa się z dodatnio naładowanych protonów i cząstek neutralnych - neutronów. Ładunki w atomie są rozmieszczone w taki sposób, że atom jako całość jest obojętny, to znaczy suma ładunków dodatnich i ujemnych w atomie wynosi zero.

Elektrony i protony są częścią każdej substancji i są najmniejszymi stabilnymi cząstkami elementarnymi. Cząstki te mogą istnieć w stanie wolnym przez nieograniczony czas. Ładunek elektryczny elektronu i protonu nazywany jest ładunkiem elementarnym.

Opłata podstawowa- jest to minimalny ładunek, jaki mają wszystkie naładowane cząstki elementarne. Ładunek elektryczny protonu jest w wartości bezwzględnej równy ładunkowi elektronu:

E = 1,6021892(46) * 10 -19 C Wielkość dowolnego ładunku jest wielokrotnością wartości bezwzględnej ładunku elementarnego, czyli ładunku elektronu. Elektron przetłumaczony z greckiego elektron - bursztyn, proton - z greckiego protos - pierwszy, neutron z łacińskiego neutrum - ani jedno, ani drugie.

Przewodniki i dielektryki

Ładunki elektryczne mogą się przemieszczać. Substancje, w których ładunki elektryczne mogą się swobodnie przemieszczać, nazywane są substancjami dyrygenci. Dobrymi przewodnikami są wszystkie metale (przewodniki pierwszego rodzaju), wodne roztwory soli i kwasów - elektrolity(przewody typu II), a także gorące gazy i inne substancje. Ciało ludzkie jest także przewodnikiem. Przewodniki mają wysoką przewodność elektryczną, to znaczy dobrze przewodzą prąd elektryczny.

Substancje, w których ładunki elektryczne nie mogą się swobodnie przemieszczać, nazywane są substancjami dielektryki(z angielskiego dielektryk, z greckiego dia - przez, przez i angielski elektryczny - elektryczny). Substancje te nazywane są również izolatory. Przewodność elektryczna dielektryków jest bardzo niska w porównaniu z metalami. Dobrymi izolatorami są porcelana, szkło, bursztyn, ebonit, guma, jedwab, gazy w temperaturze pokojowej i inne substancje.

Podział na przewodniki i izolatory jest dowolny, ponieważ przewodnictwo zależy od różnych czynników, w tym temperatury. Na przykład szkło dobrze izoluje tylko w suchym powietrzu i staje się słabym izolatorem, gdy wilgotność powietrza jest wysoka.

Przewodniki i dielektryki odgrywają ogromną rolę we współczesnych zastosowaniach energii elektrycznej.

Co to jest atom? W tłumaczeniu na język rosyjski atom oznacza niepodzielny. Przez długi czas nikt nie mógł zaprzeczyć temu stwierdzeniu. Wreszcie pod koniec XIX wieku udowodniono, że atom dzieli się na mniejsze cząstki, z których głównymi są elektrony, protony i neutrony.

Badając te cząstki, okazało się, że protony i elektrony mają ładunki elektryczne, a ich ładunki są równe pod względem wielkości, ale mają przeciwny znak. Ładunek elektronu odnosi się do elektryczności zwanej ujemną, a ładunek protonu do elektryczności zwanej dodatnią.

Masa elektronu jest około 1840 razy mniejsza niż masa protonu.

Ponieważ elektrony i protony są naładowane elektrycznie, podlegają one prawu oddziaływania ładunków elektrycznych: ładunki podobne odpychają się (proton z protonem i elektron z elektronem), a w przeciwieństwie do ładunków przyciągają (proton z elektronem).

Neutron- trzecia cząstka w atomie, masa równa protonowi, ale neutron nie ma ładunku elektrycznego. Mówi się, że jest elektrycznie obojętny, stąd jego nazwa – neutron.

Jak wspomniano powyżej, atom ma bardzo złożoną budowę, ale po raz pierwszy możemy ograniczyć się do następującego uproszczonego wyobrażenia o jego budowie.

W centrum atomu znajduje się jądro, składa się ono z protonów i neutronów, dlatego jest naładowane dodatnio. Elektrony krążą wokół jądra w imponującej odległości, setki tysięcy razy większej niż jego rozmiar.

Ponieważ każdy atom ma taką samą liczbę elektronów, jak liczba protonów, uważa się go za elektrycznie obojętny.

Najprostszym atomem w strukturze jest atom wodoru; jego jądro składa się z jednego protonu, wokół którego obraca się jeden elektron.

Atomy różnych substancji różnią się między sobą liczbą protonów, neutronów i elektronów.

Co to jest jon? Jeśli w jakiś sposób atom straci jeden lub więcej elektronów, stanie się naładowany dodatnio, taki atom będzie nazywany jonem dodatnim, a jeśli atom zdobędzie jeden lub więcej elektronów, będzie nazywany jonem ujemnym, ponieważ będzie naładowany ujemnie .

Pole elektryczne. Naukowcy ustalili istnienie specjalnego rodzaju materii – pola. Wokół ładunków elektrycznych istnieje również pole zwane elektrycznym. Cechą charakterystyczną tego pola jest siła mechaniczna działająca na ładunki elektryczne znajdujące się w tym polu. Najczęściej pole elektryczne jest przedstawiane na rysunkach w postaci strzałek pokazujących kierunek, w którym poruszałby się swobodny ładunek dodatni pod wpływem sił tego pola. Linie te nazywane są również liniami energetycznymi. W rzeczywistości nie ma żadnych linii.

Przewodniki i izolatory. W różnych substancjach elektrony są związane ze swoimi atomami na różne sposoby, w niektórych wiązanie jest mocne, w innych nie. Elektrony słabo związane z atomami i mogące z łatwością je opuścić nazywane są elektronami swobodnymi. Jeżeli w jednym z punktów substancji, w którym znajdują się wolne elektrony, powstanie ich nadmiar, a w innym niedobór, wówczas zachowując chaotyczny ruch, zaczną przemieszczać się całą masą do tego punktu, stronę, na której nie ma wystarczającej liczby elektronów. Ten jednokierunkowy ruch będzie nazywany prądem elektrycznym. Substancje zawierające wolne elektrony nazywane są przewodnikami prądu elektrycznego. W innych substancjach, na przykład w mice, gumie, elektrony, wręcz przeciwnie, są bardzo ściśle związane ze swoimi atomami i w normalnych warunkach nie będą mogły ich opuścić; w takich substancjach prąd nigdy nie powstanie, dlatego nazywa się je materiały nieprzewodzące lub izolatory.

1. Podstawowe zasady teorii kinetyki molekularnej? 2. W jaki sposób energia przekazywana jest ze Słońca na Ziemię? 3. Które

czy substancja będzie najgorętsza w dotyku podczas upałów?

E) Szkło

4. Ile ciepła wydzieli się podczas całkowitego spalenia benzyny o masie 5 kg Ciepło właściwe spalania benzyny wynosi 4,6 * 10^7 J/kg.

5.Jakie ładunki elektryczne mają elektron i proton?

1) Określ natężenie prądu w żarówce, jeżeli w ciągu 10 minut przez jej żarnik przepływa ładunek elektryczny o temperaturze 300 C.

2) Jaki ładunek elektryczny przejdzie przez amperomierz w ciągu 3 minut, gdy prąd w obwodzie będzie wynosił 0,2 A?

3) Podczas spawania elektrycznego prąd osiąga 200 A. Ile czasu potrzeba, aby ładunek o temperaturze 60 000 C przeszedł przez przekrój elektrody?

4) Przez spiralę kuchenki elektrycznej przepłynął ładunek o temperaturze 600 C w ciągu 2 minut. Jakie jest natężenie prądu w spirali?

5) Natężenie prądu w żelazku wynosi 0,2 A. Jaki ładunek elektryczny przepłynie przez cewkę w ciągu 5 minut?

6) W jakim czasie ładunek o temperaturze 30 C przejdzie przez przekrój przewodnika przy prądzie 200 mA?

PROSZĘ O POMOC AA!! Oblicz natężenie prądu w lampie elektrycznej, jeżeli przez jej żarnik w ciągu 10 minut przepływa ładunek elektryczny o temperaturze 300 C

Jaki ładunek elektryczny przejdzie przez amperomierz w ciągu 3 minut, gdy prąd w obwodzie będzie wynosił 0,2 A?

4. Nie widzimy elektronów poruszających się w metalowym przewodniku. Obecność prądu elektrycznego w obwodzie możemy ocenić na podstawie jego wpływu. Który

działania nie są powodowane przez prąd elektryczny? A) termiczny; B) mechaniczne; C) magnetyczne; D) chemiczny. 5. W starożytności zakładano, że we wszystkich przewodnikach mogą poruszać się zarówno dodatnie, jak i ujemne ładunki elektryczne. Ruch jakich cząstek w polu elektrycznym uważa się za kierunek prądu? A) ładunki dodatnie; B) elektrony; C) neutrony; D) jony ujemne. 6. Ampere Andre Marie – francuski fizyk i matematyk. Stworzył pierwszą teorię, która wyraziła związek między zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi. Ampere ma hipotezę dotyczącą natury magnetyzmu. A jakie pojęcie wprowadził do fizyki po raz pierwszy?A) siła prądu; B) prąd elektryczny; C) elektron; D) ładunek elektryczny. 7. Pracę wykonaną przez siły pola elektrycznego wytwarzającą prąd elektryczny nazywa się pracą prądu. To zależy od aktualnej siły. Ale praca nie zależy wyłącznie od aktualnej siły. Od jakiej innej wielkości to zależy? A) napięcie; B) moc; C) ilość ciepła; D) prędkość. 8. Aby zmierzyć napięcie na biegunach źródła prądu lub w jakiejś części obwodu, stosuje się urządzenie zwane woltomierzem. Wiele woltomierzy ma bardzo podobny wygląd do amperomierzy. Aby odróżnić go od innych urządzeń, na skali umieszcza się literę V. Ale w jaki sposób woltomierz jest podłączony do obwodu? A) równolegle; B) sekwencyjnie; C) ściśle za akumulatorem; D) podłączony do amperomierza. 9. Zależność natężenia prądu od właściwości przewodnika tłumaczy się faktem, że różne przewodniki mają różną rezystancję elektryczną. Od czego nie zależy opór? A) z różnic w strukturze sieci krystalicznej; B) wagowo; C) na długość; D) z powierzchni przekroju. 10. Istnieją dwa sposoby łączenia przewodów: równoległe i szeregowe. Bardzo wygodne jest korzystanie z równoległych połączeń konsumentów w życiu codziennym i technologii. Która wielkość elektryczna jest taka sama dla wszystkich przewodów połączonych równolegle: A) natężenie prądu; B) napięcie; C) czas; D) opór. 11. W ciągu 5 s ruchu ciało pokonuje drogę 12,5 m. Jaką drogę przebędzie ciało w ciągu 6 s ruchu, jeśli ciało porusza się ze stałym przyspieszeniem? A) 25 m; B) 13 m; C) 36 m; D) 18 m. 12. Uczeń jedną trzecią trasy przebył autobusem z prędkością 60 km/h, a kolejną trzecią trasę rowerem z prędkością 20 km/h. Ostatnią część trasy przebył z prędkością 5 km/h. Wyznacz średnią prędkość ruchu. A) 30 km/h; B) 10 km/h; C) 283 km/h; D) 11,25 km/h. 13. Przyjmuje się, że gęstość wody wynosi 1000 kg/m3, a gęstość lodu 900 kg/m3. Jeśli krze pływa, wystając 50 m3 ponad powierzchnię wody, jaka jest objętość całej krze? A) 100 m3; B) 200 m3; C) 150 m3; D) 500 m3. 14. Odważniki i () są przymocowane do końców cienkiego pręta o długości L. Pręt zawieszony jest na nitce i umieszczony poziomo. Znajdź odległość x od masy m1 do punktu zawieszenia nitki. Pomiń masę pręta 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. Wspinacze wspinają się na szczyt góry. Jak zmienia się ciśnienie atmosferyczne podczas ruchu sportowców? A) wzrośnie; B) nie ulegnie zmianie; C) nie ma poprawnej odpowiedzi. D) zmniejszy się;