Ce sarcină electrică au electronii? Ce sarcini electrice au electronii și neutronii? Exemple de rezolvare a problemelor

Până la începutul secolului al XX-lea, oamenii de știință credeau că un atom este cea mai mică particulă indivizibilă de materie, dar acest lucru s-a dovedit a fi greșit. De fapt, în centrul atomului se află nucleul acestuia cu protoni încărcați pozitiv și neutroni neutri, iar electronii încărcați negativ se rotesc în orbiti în jurul nucleului (acest model al atomului a fost propus în 1911 de E. Rutherford). Este de remarcat faptul că masele de protoni și neutroni sunt aproape egale, dar masa unui electron este de aproximativ 2000 de ori mai mică.

Deși un atom conține atât particule încărcate pozitiv, cât și negative, sarcina lui este neutră, deoarece un atom are același număr de protoni și electroni, iar particulele încărcate diferit se neutralizează reciproc.

Mai târziu, oamenii de știință au descoperit că electronii și protonii au aceeași cantitate de sarcină, egală cu 1,6 10 -19 C (C este un coulomb, o unitate de sarcină electrică în sistemul SI.

Te-ai gândit vreodată la întrebarea - ce număr de electroni corespunde unei sarcini de 1 C?

1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 electroni

Energie electrică

Sarcinile electrice se influenteaza reciproc, care se manifesta sub forma forta electrica.

Dacă un corp are un exces de electroni, acesta va avea o sarcină electrică negativă totală și invers - dacă există o deficiență de electroni, corpul va avea o sarcină totală pozitivă.

Prin analogie cu forțele magnetice, când polii cu încărcare similară se resping și polii încărcați opus se atrag, sarcinile electrice se comportă într-un mod similar. Cu toate acestea, în fizică nu este suficient să vorbim pur și simplu despre polaritatea unei sarcini electrice; valoarea sa numerică este importantă.

Pentru a afla magnitudinea forței care acționează între corpurile încărcate, este necesar să se cunoască nu numai mărimea sarcinilor, ci și distanța dintre ele. Forța gravitației universale a fost deja luată în considerare anterior: F = (Gm 1 m 2)/R 2

• m 1, m 2- masele corporale;
• R- distanta dintre centrele corpurilor;
• G = 6,67 10-11 Nm2/kg- constantă gravitațională universală.

Ca rezultat al experimentelor de laborator, fizicienii au derivat o formulă similară pentru forța de interacțiune a sarcinilor electrice, care a fost numită legea lui Coulomb:

F = kq 1 q 2 /r 2

• q 1, q 2 - sarcini care interacționează, măsurate în C;
• r este distanța dintre sarcini;
• k - coeficientul de proporționalitate ( SI: k=8,99.109 Nm2CI2; SSSE: k=1).

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

Conform legii lui Coulomb, dacă două sarcini au același semn, atunci forța F care acționează între ele este pozitivă (sarcinile se resping reciproc); dacă sarcinile au semne opuse, forța care acționează este negativă (sarcinile se atrag între ele).

Cât de enormă este forța unei sarcini de 1 C poate fi apreciată folosind legea lui Coulomb. De exemplu, dacă presupunem că două sarcini, fiecare de 1 C, sunt distanțate la o distanță de 10 metri una de cealaltă, atunci se vor respinge cu forță:

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

Aceasta este o forță destul de mare, aproximativ comparabilă cu o masă de 5600 de tone.

Să folosim acum legea lui Coulomb pentru a afla cu ce viteză liniară se rotește electronul într-un atom de hidrogen, presupunând că se mișcă pe o orbită circulară.

Conform legii lui Coulomb, forța electrostatică care acționează asupra unui electron poate fi echivalată cu forța centripetă:

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

Ținând cont de faptul că masa electronului este de 9,1·10 -31 kg, iar raza orbitei sale = 5,29·10 -11 m, obținem valoarea 8,22·10 -8 N.

Acum putem găsi viteza liniară a electronului:

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

Astfel, electronul atomului de hidrogen se rotește în jurul centrului său cu o viteză de aproximativ 7,88 milioane km/h.

DEFINIȚIE

Proton numită particulă stabilă aparținând clasei de hadroni, care este nucleul unui atom de hidrogen.

Oamenii de știință nu sunt de acord asupra evenimentului științific care ar trebui considerat descoperirea protonului. Un rol important în descoperirea protonului l-au jucat:

1. crearea unui model planetar al atomului de către E. Rutherford;
2. descoperirea izotopilor de către F. Soddy, J. Thomson, F. Aston;
3. observații ale comportamentului nucleelor ​​atomilor de hidrogen atunci când sunt eliminați de particulele alfa din nucleele de azot de E. Rutherford.

Primele fotografii ale urmelor de protoni au fost obținute de P. Blackett într-o cameră cu nori în timp ce studia procesele de transformare artificială a elementelor. Blackett a studiat procesul de captare a particulelor alfa de către nucleele de azot. În acest proces, a fost emis un proton și nucleul de azot a fost transformat într-un izotop de oxigen.

Protonii, împreună cu neutronii, fac parte din nucleele tuturor elementelor chimice. Numărul de protoni din nucleu determină numărul atomic al elementului din tabelul periodic D.I. Mendeleev.

Un proton este o particulă încărcată pozitiv. Sarcina sa este egală ca mărime cu sarcina elementară, adică valoarea sarcinii electronului. Sarcina unui proton este adesea notată ca , atunci putem scrie că:

În prezent se crede că protonul nu este o particulă elementară. Are o structură complexă și constă din doi cuarci u și un cuarc d. Sarcina electrică a unui cuarc u () este pozitivă și este egală cu

Sarcina electrică a unui d-quark () este negativă și egală cu:

Quarcii conectează schimbul de gluoni, care sunt cuante de câmp; ei suportă o interacțiune puternică. Faptul că protonii au mai mulți centri de împrăștiere punctuali în structura lor este confirmat de experimentele privind împrăștierea electronilor de către protoni.

Protonul are o dimensiune finită, despre care oamenii de știință încă se ceartă. În prezent, protonul este reprezentat ca un nor care are o limită neclară. O astfel de graniță constă în apariția și anihilarea constantă a particulelor virtuale. Dar în majoritatea problemelor simple, un proton poate fi, desigur, considerat o sarcină punctuală. Masa în repaus a unui proton () este aproximativ egală cu:

Masa unui proton este de 1836 de ori mai mare decât masa unui electron.

Protonii iau parte la toate interacțiunile fundamentale: interacțiunile puternice unesc protonii și neutronii în nuclee, electronii și protonii se unesc în atomi folosind interacțiuni electromagnetice. Ca o interacțiune slabă, putem cita, de exemplu, dezintegrarea beta a unui neutron (n):

unde p este proton; — electron; - antineutrino.

Dezintegrarea protonilor nu a fost încă obținută. Aceasta este una dintre problemele moderne importante ale fizicii, deoarece această descoperire ar fi un pas semnificativ în înțelegerea unității forțelor naturii.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Exercițiu	Nucleele atomului de sodiu sunt bombardate cu protoni. Care este forța de repulsie electrostatică a unui proton din nucleul unui atom dacă protonul se află la distanță m. Să considerăm că sarcina nucleului unui atom de sodiu este de 11 ori mai mare decât sarcina unui proton. Influența învelișului electronic al atomului de sodiu poate fi ignorată.
Soluţie	Ca bază pentru rezolvarea problemei, vom lua legea lui Coulomb, care poate fi scrisă pentru problema noastră (presupunând că particulele sunt particule punctiforme) după cum urmează: unde F este forța interacțiunii electrostatice a particulelor încărcate; Cl este sarcina de proton; - sarcina nucleului atomului de sodiu; - constanta dielectrica a vidului; - constanta electrica. Folosind datele pe care le avem, putem calcula forța de respingere necesară:
Răspuns	N

EXEMPLUL 2

Exercițiu

Având în vedere cel mai simplu model al atomului de hidrogen, se crede că electronul se mișcă pe o orbită circulară în jurul protonului (nucleul atomului de hidrogen). Care este viteza unui electron dacă raza orbitei sale este m?

Soluţie

Să luăm în considerare forțele (Fig. 1) care acționează asupra unui electron care se mișcă într-un cerc. Aceasta este forța de atracție a protonului. Conform legii lui Coulomb, scriem că valoarea sa este egală cu (): unde =— sarcina electronilor; - sarcina de protoni; - constantă electrică. Forța de atracție dintre un electron și un proton în orice punct al orbitei electronului este direcționată de la electron la proton de-a lungul razei cercului.

Dacă frecați o tijă de sticlă pe o foaie de hârtie, tija va dobândi capacitatea de a atrage frunzele „sultanului” (vezi Fig. 1.1), puf și fluxuri subțiri de apă. Când pieptănați părul uscat cu un pieptene din plastic, părul este atras de pieptene. În aceste exemple simple întâlnim manifestarea forțelor care sunt numite electric.

Orez. 1.1. Atragerea frunzelor „sultanului” cu o tijă de sticlă electrificată.

Se numesc corpuri sau particule care acționează asupra obiectelor din jur cu forțe electrice taxat sau electrificată. De exemplu, bagheta de sticla mentionata mai sus, dupa ce a fost frecata pe o bucata de hartie, se electrizeaza.

Particulele au o sarcină electrică dacă interacționează între ele prin forțe electrice. Forțele electrice scad odată cu creșterea distanței dintre particule. Forțele electrice sunt de multe ori mai mari decât forțele gravitației universale.

Incarcare electrica este o mărime fizică care determină intensitatea interacțiunilor electromagnetice. Interacțiunile electromagnetice sunt interacțiuni între particule sau corpuri încărcate.

Sarcinile electrice sunt împărțite în pozitive și negative. Particulele elementare stabile au o sarcină pozitivă - protoniȘi pozitroni, precum și ionii atomilor de metal etc. Purtătorii de sarcină negativă stabili sunt electronȘi antiproton.

Există particule neîncărcate electric, adică neutre: neutroni, neutrini. Aceste particule nu participă la interacțiunile electrice, deoarece sarcina lor electrică este zero. Există particule fără sarcină electrică, dar o sarcină electrică nu există fără o particulă.

Sarcinile pozitive apar pe sticla frecata cu mătase. Ebonita frecata pe blana are sarcini negative. Particulele se resping atunci când sarcinile au aceleași semne ( acuzații cu același nume), și cu semne diferite ( încărcături de semne contrarii) particulele sunt atrase.

Toate corpurile sunt formate din atomi. Atomii constau dintr-un nucleu atomic încărcat pozitiv și electroni încărcați negativ care se mișcă în jurul nucleului atomic. Nucleul atomic este format din protoni încărcați pozitiv și particule neutre - neutroni. Sarcinile dintr-un atom sunt distribuite în așa fel încât atomul în ansamblu să fie neutru, adică suma sarcinilor pozitive și negative din atom este zero.

Electronii și protonii fac parte din orice substanță și sunt cele mai mici particule elementare stabile. Aceste particule pot exista în stare liberă pentru un timp nelimitat. Sarcina electrică a unui electron și a unui proton se numește sarcină elementară.

Taxa elementara- aceasta este sarcina minimă pe care o au toate particulele elementare încărcate. Sarcina electrică a unui proton este egală în valoare absolută cu sarcina unui electron:

E = 1,6021892(46) * 10 -19 C Mărimea oricărei sarcini este un multiplu în valoare absolută al sarcinii elementare, adică al sarcinii electronului. Electron tradus din greacă electron - chihlimbar, proton - din greacă protos - mai întâi, neutron din latină neutrum - nici unul, nici celălalt.

Conductoare și dielectrice

Sarcinile electrice se pot muta. Sunt numite substanțe în care sarcinile electrice se pot mișca liber conductoare. Conductorii buni sunt toate metalele (conductorii de primul fel), soluțiile apoase de săruri și acizi - electroliti(conductoare tip II), precum și gaze fierbinți și alte substanțe. Corpul uman este și el conductor. Conductorii au o conductivitate electrică ridicată, adică conduc bine curentul electric.

Sunt numite substanțe în care sarcinile electrice nu se pot mișca liber dielectrice(din engleză dielectric, din greacă dia - through, through și engleză electric - electric). Aceste substanțe mai sunt numite izolatoare. Conductivitatea electrică a dielectricilor este foarte scăzută în comparație cu metalele. Izolatorii buni sunt porțelanul, sticla, chihlimbarul, ebonita, cauciucul, mătasea, gazele la temperatura camerei și alte substanțe.

Împărțirea în conductori și izolatori este arbitrară, deoarece conductivitatea depinde de diverși factori, inclusiv de temperatură. De exemplu, sticla izolează bine doar în aer uscat și devine un izolator slab atunci când umiditatea aerului este ridicată.

Conductorii și dielectricii joacă un rol imens în aplicațiile moderne ale electricității.

Ce este un atom? Tradus în rusă, atom înseamnă indivizibil. Multă vreme nimeni nu a putut infirma această afirmație. În sfârșit, la sfârșitul secolului al XIX-lea, s-a dovedit că atomul este împărțit în particule mai mici, principalele fiind electronii, protonii și neutronii.

Când am studiat aceste particule, s-a dovedit că protonii și electronii au sarcini electrice, iar sarcinile lor sunt egale ca mărime, dar cu semn opus. Sarcina unui electron se referă la acea electricitate numită negativă, iar sarcina unui proton se referă la cea care se numește pozitivă.

Masa unui electron este de aproximativ 1840 de ori mai mică decât masa unui proton.

Deoarece electronii și protonii sunt încărcați electric, ei respectă legea privind interacțiunea sarcinilor electrice: sarcinile asemănătoare se resping (proton cu proton și electron cu electron) și, spre deosebire de sarcini, se atrag (proton cu electron).

Neutroni- a treia particulă din atom, masa este egală cu protonul, dar neutronul nu are sarcină electrică. Se spune că este neutru din punct de vedere electric, de unde și numele - neutron.

După cum am menționat mai sus, atomul are o structură foarte complexă, dar pentru prima dată ne putem limita la următoarea idee simplificată a structurii sale.

În centrul atomului se află nucleul, este format din protoni și neutroni, prin urmare este încărcat pozitiv. Electronii se rotesc în jurul nucleului la o distanță impresionantă, de sute de mii de ori mai mare decât dimensiunea acestuia.

Deoarece fiecare atom are același număr de electroni ca și numărul de protoni, este considerat neutru din punct de vedere electric.

Cel mai simplu atom în structură este atomul de hidrogen; nucleul său este format dintr-un proton, în jurul căruia se rotește un electron.

Atomii diferitelor substanțe diferă unul de altul prin numărul de protoni, neutroni și electroni.

Ce este un ion? Dacă cumva un atom pierde unul sau mai mulți electroni, va deveni încărcat pozitiv, un astfel de atom va fi numit ion pozitiv, iar dacă atomul câștigă unul sau mai mulți electroni, va fi numit ion negativ, deoarece va fi încărcat negativ. .

Câmp electric. Oamenii de știință au stabilit existența unui tip special de materie - un câmp. În jurul sarcinilor electrice există și un câmp numit electric. O trăsătură caracteristică a acestui câmp este forța mecanică care acționează asupra sarcinilor electrice situate în acest câmp. Cel mai adesea, câmpul electric este reprezentat în desene sub formă de săgeți care arată direcția în care o sarcină pozitivă liberă s-ar mișca sub influența forțelor acestui câmp. Aceste linii sunt numite și linii electrice. În realitate, nu există linii.

Conductoare și izolatori. În diferite substanțe, electronii sunt legați de atomii lor în moduri diferite, în unele legătura este puternică, în altele nu. Electronii care sunt slab legați de atomi și care îi pot părăsi cu ușurință se numesc electroni liberi. Dacă într-unul dintre punctele unei substanțe în care sunt prezenți electroni liberi, se creează un exces al acestora, iar în altul - o deficiență, atunci ei, menținând o mișcare haotică, vor începe să se miște cu întreaga lor masă până în acel punct, partea în care nu sunt destui electroni. Această mișcare unidirecțională se va numi curent electric. Substanțele care conțin electroni liberi se numesc conductoare de curent electric. În alte substanțe, de exemplu mica, cauciucul, electronii, dimpotrivă, sunt foarte strâns legați de atomii lor și, în condiții normale, nu le vor putea părăsi; în astfel de substanțe, curentul nu va apărea niciodată, motiv pentru care sunt numite. neconductori sau izolatori.

1. Principii de bază ale teoriei cinetice moleculare? 2. Cum se transferă energia de la Soare pe Pământ? 3.Care

se va simți substanța cea mai fierbinte la atingere pe vreme caldă?

E) Sticla

4. Câtă căldură va fi eliberată în timpul arderii complete a benzinei cu o greutate de 5 kg.Căldura specifică de ardere a benzinei este de 4,6 * 10^7 J/kg.

5.Ce sarcini electrice au un electron și un proton?

1) Determinați puterea curentului într-un bec dacă o sarcină electrică de 300 C trece prin filamentul său în 10 minute.

2) Ce sarcină electrică va trece prin ampermetru în 3 minute când curentul din circuit este de 0,2 A?

3) La sudarea electrică, curentul ajunge la 200 A. În cât timp trece o sarcină de 60.000 C prin secțiunea transversală a electrodului?

4) O sarcina de 600 C a trecut prin spirala aragazului electric in 2 minute.Care este puterea curentului in spirala?

5) Puterea curentului în fier este de 0,2 A. Ce sarcină electrică va trece prin bobina sa în 5 minute?

6) Cât timp va dura ca o sarcină egală cu 30 C să treacă prin secțiunea transversală a conductorului la un curent de 200 mA?

VĂ ROG AJUTAȚI-A!! Determinați puterea curentului într-o lampă electrică dacă o sarcină electrică de 300 C trece prin filamentul acesteia în 10 minute

Ce sarcină electrică va trece prin ampermetru în 3 minute când curentul din circuit este de 0,2A?

4. Nu putem vedea electronii mișcându-se într-un conductor metalic. Putem judeca prezența curentului electric într-un circuit după efectele curentului. Care

actiunile nu sunt cele cauzate de curent electric? A) termică; B) mecanic; C) magnetic; D) chimice. 5. În antichitate, se presupunea că atât sarcinile electrice pozitive, cât și negative se puteau mișca în toți conductorii. Mișcarea căror particule într-un câmp electric este considerată direcția curentului? A) sarcini pozitive; B) electroni; C) neutroni; D) ioni negativi. 6. Ampere Andre Marie - fizician și matematician francez. El a creat prima teorie care a exprimat legătura dintre fenomenele electrice și magnetice. Ampere are o ipoteză despre natura magnetismului. Și ce concept a introdus în fizică pentru prima dată?A) puterea curentă; B) curent electric; C) electron; d) sarcina electrica. 7. Lucrul efectuat de forțele câmpului electric care creează un curent electric se numește munca curentului. Depinde de puterea curentului. Dar munca nu depinde doar de puterea curentă. De ce altă cantitate depinde? A) tensiune; B) puterea; C) cantitatea de căldură; d) viteza. 8. Pentru a măsura tensiunea la polii unei surse de curent sau la o anumită secțiune a circuitului, se folosește un dispozitiv numit voltmetru. Multe voltmetre sunt foarte asemănătoare ca aspect cu ampermetrele. Pentru a o deosebi de alte dispozitive, pe scară este plasată litera V. Dar cum este conectat un voltmetru la circuit? A) în paralel; B) secvenţial; C) strict în spatele bateriei; D) conectat la un ampermetru. 9. Dependența puterii curentului de proprietățile conductorului se explică prin faptul că diferiți conductori au rezistență electrică diferită. De ce nu depinde rezistența? A) din diferențele de structură a rețelei cristaline; B) în greutate; C) pe lungime; D) din zona secțiunii transversale. 10. Există două moduri de a conecta conductorii: paralel și serie. Este foarte convenabil să utilizați conexiuni paralele ale consumatorilor în viața de zi cu zi și în tehnologie. Care mărime electrică este aceeași pentru toți conductoarele conectate în paralel: A) puterea curentului; B) tensiune; C) timpul; d) rezistenta. 11. În 5 s de mișcare, un corp parcurge o distanță de 12,5 m. Ce distanță va parcurge corpul în 6 s de mișcare, dacă corpul se mișcă cu accelerație constantă? A) 25 m; B) 13 m; C) 36 m; D) 18 m. 12. Un elev a parcurs o treime din drum cu autobuzul cu viteza de 60 km/h, iar o altă treime din parcurs cu bicicleta cu viteza de 20 km/h. Ultima treime a călătoriei a fost parcursă cu o viteză de 5 km/h. Determinați viteza medie de mișcare. A) 30 km/h; B) 10 km/h; C) 283 km/h; D) 11,25 km/h. 13. Densitatea apei este de 1000 kg/m3, iar densitatea gheții este de 900 kg/m3. Dacă plutește un banc de gheață, ieșind la 50 m3 deasupra suprafeței apei, care este volumul întregului banc de gheață? A) 100 mc; B) 200 mc; C) 150 mc; D) 500 mc. 14. Greutățile și () sunt atașate de capetele unei tije subțiri de lungime L. Tija este suspendată pe un fir și amplasată orizontal. Aflați distanța x de la masa m1 până la punctul de suspendare al filetului. Se neglijează masa tijei.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. Alpiniștii urcă în vârful muntelui. Cum se schimbă presiunea atmosferică pe măsură ce sportivii se mișcă? A) va crește; B) nu se va schimba; c) nu există un răspuns corect. D) va scadea;