Який електричний заряд мають електрони. Якими електричними зарядами володіє електрон та нейтрон? Приклади розв'язання задач

До початку 20 століття вчені вважали атом найдрібнішою неподільною часткою речовини, але це виявилося не так. Насправді, в центрі атома розташовується його ядро ​​з позитивно зарядженими протонами і нейтральними нейтронами, навколо ядра по орбіталям обертаються негативно заряджені електрони (дана модель атома була в 1911 році запропонована Е. Резерфордом). Примітно, що маси протонів і нейтронів практично рівні, а ось маса електрона приблизно в 2000 разів менша.

Хоча атом містить як позитивно заряджені частинки, і негативно, його заряд нейтральний, т.к., в атомі однакова кількість протонів і електронів, а різнозаряджені частинки нейтралізують одна одну.

Пізніше вчені з'ясували, що електрони і протони мають однакову величину заряду, що дорівнює 1,6 · 10 -19 Кл (Кл - кулон, одиниця електричного заряду в системі СІ).

Ніколи не замислювалися над питанням - яка кількість електронів відповідає заряду в 1 Кл?

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

Електрична сила

Електричні заряди впливають один на одного, що проявляється у вигляді електричної сили.

Якщо якесь тіло має надлишок електронів, воно матиме сумарний негативний електричний заряд, і навпаки - при дефіциті електронів, тіло матиме сумарний позитивний заряд.

За аналогією з магнітними силами, коли однойменно заряджені полюси відштовхуються, а різноіменно притягуються, електричні заряди поводяться аналогічним чином. Однак, у фізиці недостатньо говорити просто про полюсність електричного заряду, важливо його числове значення.

Щоб дізнатися про величину сили, що діє між зарядженими тілами, необхідно знати не тільки величину зарядів, а й відстань між ними. Раніше вже розглядалася сила всесвітнього тяжіння: F = (Gm 1 m 2)/R 2

• m 1 , m 2- маси тіл;
• R- Відстань між центрами тіл;
• G = 6,67 · 10 -11 Нм 2 / кг- Універсальна гравітаційна постійна.

В результаті проведених лабораторних дослідів, фізики вивели аналогічну формулу для сили взаємодії електричних зарядів, яка отримала назву закон Кулону:

F = kq 1 q 2 /r 2

• q 1 , q 2 - заряди, що взаємодіють, виміряні в Кл;
• r – відстань між зарядами;
• k - коефіцієнт пропорційності ( СІ: k = 8,99 · 10 9 Нм 2 Кл 2; СДСЕ: k = 1).

• k=1/(4πε 0).
• ε 0 ≈8,85·10 -12 Кл 2 Н -1 м -2 - Постійна електрична.

Відповідно до закону Кулона, якщо два заряди мають однаковий знак, то діюча між ними сила F позитивна (заряди відштовхуються один від одного); якщо заряди мають протилежні знаки, сила, що діє, негативна (заряди притягуються один до одного).

Про те, наскільки величезним за силою є заряд 1 Кл, можна судити, використовуючи закон Кулона. Наприклад, якщо припустити, що два заряди, кожен в 1Кл рознести на відстань один від одного в 10 метрів, то вони будуть відштовхуватися один від одного з силою:

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

Це досить велика сила, приблизно співставна з масою 5600 тонн.

Давайте тепер за допомогою закону Кулона дізнаємося, з якою лінійною швидкістю обертається електрон в атомі водню, вважаючи, що він рухається круговою орбітою.

Електростатичну силу, що діє на електрон, за законом Кулона можна прирівняти до доцентрової сили:

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

Враховуючи той факт, що маса електрона дорівнює 9,1 10 -31 кг, а радіус його орбіти = 5,29 10 -11 м, отримуємо значення 8,22 10 -8 Н.

Тепер можна знайти лінійну швидкість електрона:

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

Таким чином, електрон атома водню обертається навколо його центру зі швидкістю, що дорівнює приблизно 7,88 млн км/год.

ВИЗНАЧЕННЯ

Протономназивають стабільну частинку, що належить класу адронів, яка є ядром атома водню.

Вчені розходяться на думці, яку і наукові події вважати відкриттям протона. Важливу роль у відкритті протона відіграли:

1. створення Е. Резерфордом планетарної моделі атома;
2. відкриття ізотопів Ф. Содді, Дж. Томсон, Ф. Астоном;
3. спостереження за поведінкою ядер атомів водню при вибиванні їх альфа-частинками з ядер азоту Е. Резерфорд.

Перші фотографії слідів протона було отримано П. Блекеттом у камері Вільсона щодо процесів штучного перетворення елементів. Блекет досліджував процес захоплення альфа частинок ядрами азоту. У цьому процесі випускався протон і ядро ​​азоту перетворювалося на ізотоп кисню.

Протони разом із нейтронами входять до складу ядер всіх хімічних елементів. Кількість протонів у ядрі визначає атомний номер елемента у періодичній системі Д.І. Менделєєва.

Протон – це позитивно заряджена частка. Її заряд дорівнює модулю елементарному заряду, тобто величині заряду електрона. Заряд протона часто позначають як , тоді можна записати, що:

В даний час вважають, що протон не є елементарною частинкою. Він має складну структуру і складається з двох u-кварків та одного d-кварка. Електричний заряд u - кварка () позитивний і він дорівнює

Електричний заряд d - кварка () негативний і дорівнює:

Кварки пов'язують обмін глюонами, які є квантами поля, вони переносять сильну взаємодію. Те, що протони мають у своїй структурі кілька точкових центрів розсіювання, підтверджено експериментами з розсіювання електронів на протонах.

Протон має кінцеві розміри, про які вчені й досі сперечаються. В даний час протон представляють як хмару, яка має розмитий кордон. Така межа складається з постійно виникаючих та анігілюючих віртуальних частинок. Але в більшості простих завдань протон, звичайно, можна вважати точковим зарядом. Маса спокою протона () приблизно дорівнює:

Маса протона у 1836 разів більша, ніж маса електрона.

Протони беруть участь у всіх фундаментальних взаємодіях: сильні взаємодії поєднують протони та нейтрони в ядра, електрони та протони за допомогою електромагнітних взаємодій з'єднуються в атомах. Як слабку взаємодію можна навести, наприклад, бета-розпад нейтрону (n):

де p – протон; - Електрон; - Антинейтрино.

Розпад протона отриманий поки що не був. Це є одним із важливих сучасних завдань фізики, оскільки це відкриття стало б суттєвим кроком у розумінні єдності сил природи.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Ядра атома натрію бомбардують протонами. Якою є сила електростатичного відштовхування протона від ядра атома, якщо протон знаходиться на відстані м. Вважайте, що заряд ядра атома натрію в 11 разів більший за заряд протона. Вплив електронної оболонки атома натрію не можна читати.
Рішення	За основу розв'язання задачі ухвалимо закон Кулона, який можна для нашого завдання (вважаючи частки точковими) записати так: де F – сила електростатичної взаємодії заряджених частинок; Кл - заряд протона; - Заряд ядра атома натрію; - діелектрична проникність вакууму; - Електрична постійна. Використовуючи наявні дані можна провести обчислення шуканої сили відштовхування:
Відповідь	Н

ПРИКЛАД 2

Завдання	Розглядаючи найпростішу модель атома водню, вважають, що електрон рухається круговою орбітою навколо протона (ядра атома водню). Чому дорівнює швидкість руху електрона, якщо радіус його орбіти дорівнює м?
Рішення	Розглянемо сили (рис.1), які діють на електрон, що рухається по колу. Це сила тяжіння з боку протону. За законом Кулона ми запишемо, що її величина дорівнює (): де = - Заряд електрона; - Заряд протона; - Електрична постійна. Сила тяжіння меду електроном та протоном у будь-якій точці орбіти електрона спрямована від електрона до протону по радіусу кола.

Якщо потерти скляну паличку об аркуш паперу, то паличка набуде здатності притягувати до себе листочки «султана» (див. рис. 1.1), пушинки, тонкі цівки води. При розчісуванні сухого волосся пластикової гребінцем волосся притягується до гребінця. У цих простих прикладах ми зустрічаємося з проявом сил, які отримали назву електричних.

Мал. 1.1. Притягування листочків «султана» наелектризованою скляною паличкою.

Тіла або частинки, що діють на навколишні предмети електричними силами, називають зарядженимиабо наелектризованими. Наприклад, згадана вище скляна паличка після того, як її потерти об аркуш паперу, стає наелектризованою.

Частинки мають електричний заряд, якщо вони взаємодіють один з одним за допомогою електричних сил. Електричні сили зменшуються із збільшенням відстані між частинками. Електричні сили багато разів перевищують сили всесвітнього тяжіння.

Електричний заряд– це фізична величина, що визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій. Електромагнітні взаємодії – це взаємодії між зарядженими частинками чи тілами.

Електричні заряди поділяються на позитивні та негативні. Позитивним зарядом мають стабільні елементарні частинки - протониі позитрониа також іони атомів металів і т.д. Стабільними носіями негативного заряду є електроні антипротон.

Існують електрично незаряджені частинки, тобто нейтральні: нейтрон, нейтрино. У електричних взаємодіях ці частинки не беруть участь, оскільки їхній електричний заряд дорівнює нулю. Бувають частинки без заряду, але електричний заряд не існує без частки.

На склі, потертому об шовк, виникають позитивні заряди. На ебоніті, потертому про хутро – негативні заряди. Частинки відштовхуються при зарядах однакових знаків ( однойменні заряди), а при різних знаках ( різноіменні заряди) частинки притягуються.

Усі тіла складаються з атомів. Атоми складаються з позитивно зарядженого атомного ядра та негативно заряджених електронів, що рухаються довкола ядра атома. Атомне ядро ​​складається з позитивно заряджених протонів та нейтральних частинок – нейтронів. Заряди в атомі розподілені таким чином, що атом загалом є нейтральним, тобто сума позитивних та негативних зарядів в атомі дорівнює нулю.

Електрони та протони входять до складу будь-якої речовини та є найменшими стійкими елементарними частинками. Ці частки можуть необмежено довго існувати у вільному стані. Електричний заряд електрона та протона називається елементарним зарядом.

Елементарний заряд- Це мінімальний заряд, яким володіють усі заряджені елементарні частинки. Електричний заряд протона дорівнює по абсолютній величині заряду електрона:

Е = 1,6021892 (46) * 10 -19 Кл Величина будь-якого заряду кратна по абсолютній величині елементарного заряду, тобто заряд електрона. Електрон у перекладі з грецької electron – бурштин, протон – від грецької protos – перший, нейтрон від латинського neutrum – ні те, ні інше.

Провідники та діелектрики

Електричні заряди можуть рухатися. Речовини, в яких електричні заряди можуть вільно переміщатися, називаються провідниками. Хорошими провідниками є всі метали (провідники I роду), водні розчини солей та кислот – електроліти(провідники ІІ роду), а також розжарені гази та інші речовини. Тіло людини також є провідником. Провідники мають високу електропровідність, тобто добре проводять електричний струм.

Речовини, в яких електричні заряди не можуть вільно переміщатися, називаються діелектриками(Від англійської dielectric, від грецької dia – через, крізь та англійської electric – електричний). Ці речовини також називають ізоляторами. Електропровідність діелектриків дуже мала порівняно з металами. Хорошими ізоляторами є порцеляна, скло, бурштин, ебоніт, гума, шовк, гази при кімнатних температурах та інші речовини.

Поділ на провідники та ізолятори умовний, оскільки провідність залежить від різних факторів, у тому числі від температури. Наприклад, скло добре ізолює тільки в сухому повітрі і стає поганим ізолятором за великої вологості повітря.

Провідники та діелектрики відіграють величезну роль у сучасному застосуванні електрики.

Що таке атом?У перекладі російською мовою атом означає неподільний. Довгий час ніхто не міг спростувати це твердження. І, насамкінець, наприкінці 19-го століття було доведено, що атом ділиться більш дрібні частки, головними у тому числі є електрони, протони і нейтрони.

При вивченні цих частинок виявилося, що протони і електрони мають електричні заряди, причому заряди їх рівні за величиною, але протилежні за знаком. Заряд електрона відноситься до тієї електрики, яку назвали негативною, а заряд протона – до тієї, яку назвали позитивною.

Маса електрона менша за масу протона приблизно в 1840 разів.

Так як електрони і протони електрично заряджені, вони підпорядковуються закону про взаємодію електричних зарядів: однойменні відштовхуються (протон з протоном і електрон з електроном), а різномінні притягуються (протон з електронним).

Нейтрон- третя частка у складі атома, за масою дорівнює протону, проте нейтрон не має електричного заряду. Кажуть, що він електрично нейтральний, звідси його назва – нейтрон.

Як було сказано вище, атом має дуже складну будову, але для першого разу можна обмежитися наступним спрощеним уявленням про його будову.

У центрі атома знаходиться ядро, воно складається з протонів та нейтронів, отже воно заряджено позитивно. Навколо ядра, на значній відстані, що в сотні тисяч разів перевершує його розміри, обертаються електрони.

Оскільки у кожному атомі число електронів дорівнює числу протонів, він вважається електрично нейтральним.

Найпростіший за будовою атом - атом водню, його ядро ​​складається з одного протона, навколо якого обертається один електрон.

Атоми різних речовин відрізняються одна від одної числом протонів, нейтронів та електронів.

Що таке іон?Якщо якимось чином атом втратить один або кілька електронів, він стане позитивно зарядженим, такий атом називатиметься позитивним іоном, а якщо атом придбає один або кілька електронів, він буде називатися негативним іоном, бо він буде негативно зарядженим.

Електричне поле.Вченими встановлено існування особливого виду матерії – поля. Навколо електричних зарядів теж є поле, зване електричним. Характерною особливістю цього поля є механічна сила, що діє на електричні заряди, що знаходяться у цьому полі. Найчастіше електричне поле зображують на малюнках у вигляді стрілок, що показують напрямок, в якому рухався б під дією сил цього поля вільний позитивний заряд. Також ці лінії ще називають силовими. Насправді жодних ліній немає.

Провідники та ізолятори. У різних речовинах електрони пов'язані зі своїми атомами по-різному, в деяких міцний зв'язок, в деяких - ні. Електрони, які погано пов'язані з атомами і можуть легко покинути їх, називаються вільними. Якщо в одній із точок речовини, в якій присутні вільні електрони, створити їх надлишок, а в іншому – недолік, то вони, зберігаючи хаотичний рух, почнуть усією масою переміщатися в точку, бік, де електронів недостатньо. Цей рух в один бік називатиметься електричним струмом. Речовини, які мають наявність вільних електронів, називаються провідниками електричного струму. В інших речовинах, наприклад слюді, гумі, електрони, навпаки, дуже міцно пов'язані зі своїми атомами і за нормальних умов не зможуть покинути їх, в таких речовин струм ніколи не виникне, тому вони називаються непровідниками, або ізоляторами.

1.Основні положення молекулярно-кінетичної теорії? 2.Яким способом здійснюється передача енергії від Сонця до Землі? 3.Яке

речовина на дотик здаватиметься найгарячішою в спеку?

Е) Скло

4. Яка кількість теплоти виділиться при повному згорянні бензину масою 5 кг. Питома теплота згоряння бензину 4,6*10^7 Дж/кг.

5.Які електричні заряди мають електрон і протон?

1) Визначте силу струму в електричній лампочці, якщо через її нитку розжарення за 10 хв проходить електричний заряд 300 Кл.

2) Який заряд пройде за 3 хв через амперметр при силі струму в ланцюгу 0,2 А?

3) При електрозварюванні сила струму досягає 200 А. За який час через поперечний переріз електрода проходить заряд 60000 Кл?

4) Через спіраль електроплитки за 2 хв пройшов заряд в 600 Кл. Яка сила струму в спіралі?

5) Сила струму у прасці 0,2 А. Який електричний заряд пройде через його спіраль за 5 хв?

6) За який час через поперечний переріз провідника пройде заряд, що дорівнює 30 Кл, при силі струму 200 мА?

П О Ж А Л У Й С ТА ДОПОМОЖУЄЕ АА!! Визначте силу струму в електричній лампі, якщо через її нитку розжарення за 10 хв проходить електричний заряд 300 Кл.

Який електричний заряд пройде за 3хв через амперметр при силі струму в ланцюзі 0,2А?

4. Ми не можемо бачити електрони, що рухаються в металевому провіднику. Про наявність електричного струму в ланцюзі ми можемо судити з дій струму. Які

дії не належать до дій, що викликає електричний струм? А) теплове; В) механічне; С) магнітне; D) хімічна. 5. У давнину припускали, що у всіх провідниках можуть переміщатися як позитивні, так і негативні електричні заряди. Рух яких частинок в електричному полі прийнято за напрямок струму? а) позитивних зарядів; В) електронів; С) нейтронів; D) негативні іони. 6. Ампер Андре Марі - французький фізик та математик. Він створив першу теорію, яка виражала зв'язок електричних та магнітних явищ. Ампер належить гіпотеза про природу магнетизму. А яке поняття він увів у фізику вперше? А) сила струму; В) електричний струм; С) електрон; D) електричний заряд. 7. Роботу сил електричного поля, що створює електричний струм, називають роботою струму. Вона залежить від сили струму. Але від однієї сили струму залежить робота. Від якої величини вона залежить? А) напруги; В) потужності; С) кількість теплоти; D) швидкість. 8. Для вимірювання напруги на полюсах джерела струму або на якійсь ділянці ланцюга застосовують прилад, який називається вольтметром. Багато вольтметрів на вигляд дуже схожі на амперметри. На відміну від інших приладів на шкалі ставлять літеру V. А як же вольтметр включають у ланцюг? А) паралельно; В) послідовно; С) строго за акумулятором; D) підключають до амперметра. 9. Залежність сили струму від властивостей провідника пояснюється тим, що різні провідники мають різний електричний опір. Від чого не залежить опір? А) від різниці у будові кристалічних ґрат; в) від маси; З) від довжини; D) від площі поперечного перерізу. 10. Існує два способи з'єднання провідників: паралельне та послідовне. Дуже зручно застосовувати паралельне з'єднання споживачів у побуті та техніці. Яка з електричних величин однакова всім провідників, з'єднаних паралельно: А) сила струму; В) напруга; С) час; D) опір. 11. За 5 з руху тіло проходить шлях, що дорівнює 12,5 м. Який шлях пройде тіло за 6 з руху, якщо тіло рухається з постійним прискоренням? А) 25 м; У) 13 м; З) 36 м; D) 18 м. 12. Учень проїхав одну третину шляху автобусом зі швидкістю 60 км/год, ще третину шляху – велосипедом зі швидкістю 20 км/год. Останню третину шляху пройшов зі швидкістю 5 км/год. Визначте середню швидкість руху. А) 30 км/год; В) 10 км/год; З) 283 км/год; D) 11,25 км/год. 13. Щільність води прийнята рівною 1000 кг/м3 а щільність льоду – 900 кг/м3. Якщо крижина плаває, видаючись на 50 м3 над поверхнею води, то який обсяг всієї крижини? А) 100 м3; У) 200 м3; З) 150 м3; D) 500 м3. 14. На кінцях тонкого стрижня завдовжки L закріплені вантажі та (). Стрижень підвішений на нитці та розташований горизонтально. Знайдіть відстань х від вантажу m1 до точки підвісу нитки. Масу стрижня знехтувати. А) х = (L∙m2) / (m1 – m2); В) х = (L m2) / (m1 + m2); С) х = (L∙m1) / (m1 – m2); D) х = (L∙m1)/(m1+m2). 15. Альпіністи піднімаються до вершини гори. Як змінюється атмосферний тиск у міру руху спортсменів? А) збільшиться; B) не зміниться; C) немає правильної відповіді. D) зменшиться;