Kakav električni naboj imaju elektroni? Koje električne naboje imaju elektroni i neutroni? Primjeri rješavanja problema

Sve do početka 20. vijeka naučnici su vjerovali da je atom najmanja nedjeljiva čestica materije, ali se to pokazalo pogrešnim. Zapravo, u središtu atoma je njegovo jezgro s pozitivno nabijenim protonima i neutralnim neutronima, a negativno nabijeni elektroni rotiraju u orbitalama oko jezgra (ovaj model atoma je 1911. predložio E. Rutherford). Važno je napomenuti da su mase protona i neutrona gotovo jednake, ali je masa elektrona oko 2000 puta manja.

Iako atom sadrži i pozitivno i negativno nabijene čestice, njegov naboj je neutralan, jer atom ima isti broj protona i elektrona, a različito nabijene čestice međusobno neutraliziraju.

Kasnije su naučnici otkrili da elektroni i protoni imaju istu količinu naboja, jednaku 1,6 10 -19 C (C je kulon, jedinica električnog naboja u SI sistemu.

Da li ste ikada razmišljali o pitanju - koji broj elektrona odgovara naelektrisanju od 1 C?

1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 elektrona

Električna energija

Električni naboji utiču jedni na druge, što se manifestuje u obliku električna sila.

Ako tijelo ima višak elektrona, ono će imati ukupni negativni električni naboj, i obrnuto - ako postoji nedostatak elektrona, tijelo će imati ukupan pozitivan naboj.

Po analogiji s magnetskim silama, kada se polovi jednakog naboja odbijaju, a suprotno nabijeni privlače, električni naboji se ponašaju na sličan način. Međutim, u fizici nije dovoljno samo govoriti o polaritetu električnog naboja, važna je njegova brojčana vrijednost.

Da biste saznali veličinu sile koja djeluje između nabijenih tijela, potrebno je znati ne samo veličinu naboja, već i udaljenost između njih. Sila univerzalne gravitacije je već razmatrana ranije: F = (Gm 1 m 2)/R 2

• m 1, m 2- tjelesne mase;
• R- rastojanje između centara tela;
• G = 6,67 10 -11 Nm 2 /kg- univerzalna gravitaciona konstanta.

Kao rezultat laboratorijskih eksperimenata, fizičari su izveli sličnu formulu za silu interakcije električnih naboja, koja je nazvana Coulombov zakon:

F = kq 1 q 2 /r 2

• q 1, q 2 - međusobno naelektrisanje, mereno u C;
• r je rastojanje između naelektrisanja;
• k - koeficijent proporcionalnosti ( 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 - električna konstanta.

Prema Coulombovom zakonu, ako dva naboja imaju isti predznak, tada je sila F koja djeluje između njih pozitivna (naboji se međusobno odbijaju); ako su naboji suprotnih predznaka, sila koja djeluje je negativna (naboji se međusobno privlače).

Koliko je ogromna sila naelektrisanja od 1 C može se procijeniti pomoću Coulombovog zakona. Na primjer, ako pretpostavimo da su dva naboja, svaki od 1 C, razmaknuta na udaljenosti od 10 metara jedno od drugog, tada će se silom odbijati:

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

Ovo je prilično velika sila, otprilike uporediva sa masom od 5600 tona.

Koristimo sada Coulombov zakon da saznamo kojom linearnom brzinom elektron rotira u atomu vodika, pod pretpostavkom da se kreće po kružnoj orbiti.

Prema Coulombovom zakonu, elektrostatička sila koja djeluje na elektron može se izjednačiti sa centripetalnom silom:

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

Uzimajući u obzir činjenicu da je masa elektrona 9,1·10 -31 kg, a radijus njegove orbite = 5,29·10 -11 m, dobijamo vrijednost 8,22·10 -8 N.

Sada možemo pronaći linearnu brzinu elektrona:

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

Dakle, elektron atoma vodika rotira oko svog centra brzinom od približno 7,88 miliona km/h.

DEFINICIJA

Proton naziva se stabilna čestica koja pripada klasi hadrona, a koja je jezgro atoma vodika.

Naučnici se ne slažu oko toga koji naučni događaj treba smatrati otkrićem protona. Važnu ulogu u otkriću protona odigrali su:

1. stvaranje planetarnog modela atoma E. Rutherforda;
2. otkriće izotopa od strane F. Soddyja, J. Thomsona, F. Astona;
3. zapažanja ponašanja jezgara atoma vodika kada ih alfa čestice izbiju iz jezgri dušika E. Rutherford.

Prve fotografije protonskih tragova dobio je P. Blackett u komori oblaka proučavajući procese vještačke transformacije elemenata. Blackett je proučavao proces hvatanja alfa čestica jezgrima dušika. U ovom procesu, emitiran je proton i jezgro dušika je pretvoreno u izotop kisika.

Protoni su, zajedno sa neutronima, deo jezgara svih hemijskih elemenata. Broj protona u jezgru određuje atomski broj elementa u periodnom sistemu D.I. Mendeljejev.

Proton je pozitivno nabijena čestica. Njegov naboj je po veličini jednak elementarnom naboju, odnosno vrijednosti naboja elektrona. Naboj protona se često označava kao , tada možemo napisati da:

Trenutno se vjeruje da proton nije elementarna čestica. Ima složenu strukturu i sastoji se od dva u-kvarka i jednog d-kvarka. Električni naboj u-kvarka () je pozitivan i jednak je

Električni naboj d-kvarka () je negativan i jednak je:

Kvarkovi povezuju razmjenu gluona, koji su kvanti polja; oni podnose snažnu interakciju. Činjenica da protoni u svojoj strukturi imaju nekoliko centara raspršenja potvrđuju eksperimenti raspršenja elektrona protonima.

Proton ima konačnu veličinu, oko čega se naučnici još uvijek raspravljaju. Trenutno je proton predstavljen kao oblak koji ima zamagljenu granicu. Takva granica se sastoji od virtuelnih čestica koje se neprestano pojavljuju i uništavaju. Ali u većini jednostavnih problema, proton se, naravno, može smatrati tačkastim nabojem. Masa mirovanja protona () je približno jednaka:

Masa protona je 1836 puta veća od mase elektrona.

Protoni učestvuju u svim fundamentalnim interakcijama: jake interakcije ujedinjuju protone i neutrone u jezgra, elektroni i protoni se spajaju u atome pomoću elektromagnetnih interakcija. Kao slabu interakciju možemo navesti, na primjer, beta raspad neutrona (n):

gdje je p proton; — elektron; - antineutrino.

Protonski raspad još nije dobijen. Ovo je jedan od važnih savremenih problema fizike, jer bi ovo otkriće predstavljalo značajan korak u razumijevanju jedinstva prirodnih sila.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Vježbajte	Jezgra atoma natrijuma su bombardovana protonima. Kolika je sila elektrostatičkog odbijanja protona od jezgra atoma ako je proton na udaljenosti m. Smatrajte da je naboj jezgra atoma natrijuma 11 puta veći od naboja protona. Uticaj elektronske ljuske atoma natrijuma može se zanemariti.
Rješenje	Kao osnovu za rješavanje problema uzet ćemo Coulombov zakon, koji se za naš problem može napisati (pod pretpostavkom da su čestice točkaste) na sljedeći način: gdje je F sila elektrostatičke interakcije nabijenih čestica; Cl je protonski naboj; - naboj jezgra atoma natrijuma; - dielektrična konstanta vakuuma; - električna konstanta. Koristeći podatke koje imamo, možemo izračunati potrebnu silu odbijanja:
Odgovori	N

PRIMJER 2

Vježbajte	Uzimajući u obzir najjednostavniji model atoma vodika, vjeruje se da se elektron kreće po kružnoj orbiti oko protona (jezgra atoma vodika). Kolika je brzina elektrona ako je radijus njegove orbite m?
Rješenje	Razmotrimo sile (slika 1) koje djeluju na elektron koji se kreće u krugu. Ovo je sila privlačenja od protona. Prema Coulombovom zakonu, pišemo da je njegova vrijednost jednaka (): gde je =— naelektrisanje elektrona; - protonski naboj; - električna konstanta. Sila privlačenja između elektrona i protona u bilo kojoj tački u orbiti elektrona usmjerena je od elektrona do protona duž polumjera kruga.

Ako protrljate staklenu šipku o list papira, štap će steći sposobnost da privlači lišće "sultana" (vidi sliku 1.1), paperje i tanke mlazove vode. Kada češljate suhu kosu plastičnim češljem, kosu privlači češalj. U ovim jednostavnim primjerima nailazimo na ispoljavanje sila koje se nazivaju električni.

Rice. 1.1. Privlačenje listova "sultana" elektrificiranom staklenom šipkom.

Zovu se tijela ili čestice koje na okolne objekte djeluju električnim silama naplaćeno ili elektrificirana. Na primjer, gore spomenuta staklena šipka, nakon što se trlja o komad papira, postaje naelektrizirana.

Čestice imaju električni naboj ako međusobno djeluju putem električnih sila. Električne sile se smanjuju sa povećanjem udaljenosti između čestica. Električne sile su mnogo puta veće od sila univerzalne gravitacije.

Električno punjenje je fizička veličina koja određuje intenzitet elektromagnetnih interakcija. Elektromagnetne interakcije su interakcije između nabijenih čestica ili tijela.

Električni naboji se dijele na pozitivne i negativne. Stabilne elementarne čestice imaju pozitivan naboj - protona I pozitrona, kao i joni atoma metala itd. Stabilni nosioci negativnog naboja su elektron I antiproton.

Postoje električno nenabijene čestice, odnosno neutralne: neutron, neutrino. Ove čestice ne učestvuju u električnim interakcijama, jer je njihov električni naboj jednak nuli. Postoje čestice bez električnog naboja, ali električni naboj ne postoji bez čestice.

Pozitivni naboji se pojavljuju na staklu natrljanom svilom. Ebonit utrljan o krzno ima negativne naboje. Čestice se odbijaju kada naelektrisanja imaju iste predznake ( optužbe istog imena), i sa različitim znakovima ( za razliku od optužbi) čestice se privlače.

Sva tijela su napravljena od atoma. Atomi se sastoje od pozitivno nabijenog atomskog jezgra i negativno nabijenih elektrona koji se kreću oko atomskog jezgra. Atomsko jezgro se sastoji od pozitivno nabijenih protona i neutralnih čestica - neutrona. Naboji u atomu su raspoređeni na način da je atom kao cjelina neutralan, odnosno da je zbroj pozitivnih i negativnih naboja u atomu nula.

Elektroni i protoni su dio bilo koje tvari i najmanje su stabilne elementarne čestice. Ove čestice mogu postojati u slobodnom stanju neograničeno vrijeme. Električni naboj elektrona i protona naziva se elementarni naboj.

Elementarno punjenje- ovo je minimalni naboj koji imaju sve nabijene elementarne čestice. Električni naboj protona je po apsolutnoj vrijednosti jednak naboju elektrona:

E = 1,6021892(46) * 10 -19 C Veličina svakog naboja je višestruka u apsolutnoj vrijednosti elementarnog naboja, odnosno naboja elektrona. Elektron preveden sa grčkog elektron - ćilibar, proton - sa grčkog protos - prvo, neutron sa latinskog neutrum - ni jedno ni drugo.

Provodnici i dielektrici

Električni naboji se mogu kretati. Tvari u kojima se električni naboji mogu slobodno kretati nazivaju se provodnici. Dobri provodnici su svi metali (provodnici prve vrste), vodeni rastvori soli i kiselina - elektroliti(provodnici tipa II), kao i vrući plinovi i druge tvari. Ljudsko tijelo je takođe provodnik. Provodnici imaju visoku električnu provodljivost, odnosno dobro provode električnu struju.

Tvari u kojima se električni naboji ne mogu slobodno kretati nazivaju se dielektrika(od engleskog dielektrik, od grčkog dia - kroz, kroz i engleskog electric - električni). Ove supstance se još nazivaju izolatori. Električna provodljivost dielektrika je veoma niska u poređenju sa metalima. Dobri izolatori su porcelan, staklo, ćilibar, ebonit, guma, svila, gasovi na sobnoj temperaturi i druge supstance.

Podjela na vodiče i izolatore je proizvoljna, jer provodljivost ovisi o različitim faktorima, uključujući temperaturu. Na primjer, staklo dobro izolira samo na suhom zraku i postaje loš izolator kada je vlažnost zraka visoka.

Provodnici i dielektrici igraju ogromnu ulogu u modernim primjenama električne energije.

Šta je atom? Prevedeno na ruski, atom znači nedjeljiv. Dugo vremena niko nije mogao opovrgnuti ovu izjavu. Konačno, krajem 19. stoljeća dokazano je da se atom dijeli na manje čestice, od kojih su glavne elektroni, protoni i neutroni.

Proučavanjem ovih čestica pokazalo se da protoni i elektroni imaju električne naboje, a njihovi naboji su jednaki po veličini, ali suprotni po predznaku. Naboj elektrona odnosi se na elektricitet koji se naziva negativnim, a naboj protona na onaj koji se naziva pozitivnim.

Masa elektrona je otprilike 1840 puta manja od mase protona.

Pošto su elektroni i protoni električno nabijeni, oni poštuju zakon o interakciji električnih naboja: slični naboji se odbijaju (proton s protonom i elektron s elektronom), a različiti naboji se privlače (proton s elektronom).

Neutron- treća čestica u atomu, masa je jednaka protonu, ali neutron nema električni naboj. Za njega se kaže da je električno neutralan, pa mu otuda i naziv - neutron.

Kao što je gore spomenuto, atom ima vrlo složenu strukturu, ali po prvi put se možemo ograničiti na sljedeću pojednostavljenu ideju o njegovoj strukturi.

U središtu atoma nalazi se jezgro, sastoji se od protona i neutrona, stoga je pozitivno nabijeno. Elektroni se okreću oko jezgra na impresivnoj udaljenosti, stotinama hiljada puta većoj od njegove veličine.

Budući da svaki atom ima isti broj elektrona kao i broj protona, smatra se električno neutralnim.

Najjednostavniji atom u strukturi je atom vodika; njegovo jezgro se sastoji od jednog protona, oko kojeg rotira jedan elektron.

Atomi različitih supstanci razlikuju se jedni od drugih po broju protona, neutrona i elektrona.

Šta je jon? Ako na neki način atom izgubi jedan ili više elektrona, postat će pozitivno nabijen, takav atom će se zvati pozitivnim ionom, a ako atom dobije jedan ili više elektrona, nazvat će se negativnim ionom, jer će biti negativno nabijen .

Električno polje. Naučnici su ustanovili postojanje posebne vrste materije - polja. Oko električnih naboja postoji i polje koje se naziva električno. Karakteristična karakteristika ovog polja je mehanička sila koja djeluje na električne naboje koji se nalaze u ovom polju. Najčešće je električno polje prikazano na crtežima u obliku strelica koje pokazuju smjer u kojem bi se slobodni pozitivni naboj kretao pod utjecajem sila ovog polja. Ovi vodovi se nazivaju i dalekovodima. U stvarnosti nema linija.

Provodnici i izolatori. U različitim supstancama elektroni su vezani za svoje atome na različite načine, u nekima je veza jaka, u drugima nije. Elektroni koji su slabo vezani za atome i koji ih lako mogu napustiti nazivaju se slobodnim elektronima. Ako se u jednoj od tačaka supstance u kojoj su prisutni slobodni elektroni stvori njihov višak, au drugoj nedostatak, onda će se oni, održavajući kaotično kretanje, početi kretati cijelom svojom masom do te točke, strana na kojoj nema dovoljno elektrona. Ovo jednosmjerno kretanje nazvat će se električna struja. Tvari koje sadrže slobodne elektrone nazivaju se provodnicima električne struje. U drugim supstancama, na primjer liskun, guma, elektroni su, naprotiv, vrlo čvrsto vezani za svoje atome i u normalnim uvjetima neće ih moći napustiti; u takvim tvarima struja nikada neće nastati, zbog čega se nazivaju neprovodnike ili izolatore.

1. Osnovni principi molekularne kinetičke teorije? 2. Kako se energija prenosi sa Sunca na Zemlju? 3.Koji

hoće li supstanca biti najtoplija na dodir po vrućem vremenu?

E) Staklo

4. Koliko toplote će se osloboditi pri potpunom sagorevanju benzina težine 5 kg Specifična toplota sagorevanja benzina je 4,6 * 10^7 J/kg.

5.Koje električne naboje imaju elektron i proton?

1) Odredite jačinu struje u sijalici ako električni naboj od 300 C prođe kroz njenu nit za 10 minuta.

2) Koliki će električni naboj proći kroz ampermetar za 3 minute kada je struja u kolu 0,2 A?

3) Prilikom električnog zavarivanja struja dostiže 200 A. Koliko vremena je potrebno da naboj od 60.000 C prođe kroz poprečni presjek elektrode?

4) Naelektrisanje od 600 C je prošlo kroz spiralu električne peći za 2 minuta Kolika je jačina struje u spirali?

5) Jačina struje u gvožđu je 0,2 A. Koliki će električni naboj proći kroz njegov kalem za 5 minuta?

6) Koliko će vremena biti potrebno da naelektrisanje od 30 C prođe kroz poprečni presek provodnika pri struji od 200 mA?

MOLIM VAS POMOZITE AA!! Odredite jačinu struje u električnoj lampi ako električni naboj od 300 C prođe kroz njenu nit za 10 minuta

Koliki će električni naboj proći kroz ampermetar za 3 minute kada je struja u kolu 0,2A?

4. Ne možemo vidjeti elektrone koji se kreću u metalnom provodniku. Možemo suditi o prisutnosti električne struje u strujnom kolu prema efektima struje. Koji

zar radnje nisu uzrokovane električnom strujom? A) termalni; B) mehanički; C) magnetni; D) hemijski. 5. U stara vremena, pretpostavljalo se da se i pozitivni i negativni električni naboji mogu kretati u svim provodnicima. Kretanje kojih čestica u električnom polju smatra se smjerom struje? A) pozitivni naboji; B) elektroni; C) neutroni; D) negativni joni. 6. Amper Andre Marie - francuski fizičar i matematičar. Stvorio je prvu teoriju koja je izrazila vezu između električnih i magnetskih fenomena. Amper ima hipotezu o prirodi magnetizma. I koji je koncept prvi put uveo u fiziku?A) jačina struje; B) električna struja; C) elektron; D) električni naboj. 7. Rad koji vrše sile električnog polja koje stvara električnu struju naziva se rad struje. Zavisi od jačine struje. Ali rad ne zavisi samo od trenutne snage. Od koje druge količine zavisi? A) napon; B) moć; C) količina toplote; D) brzina. 8. Za mjerenje napona na polovima izvora struje ili na nekom dijelu kola koristi se uređaj koji se zove voltmetar. Mnogi voltmetri su po izgledu vrlo slični ampermetrima. Da bi se razlikovao od drugih uređaja, na skali se stavlja slovo V. Ali kako je voltmetar spojen na kolo? A) paralelno; B) sekvencijalno; C) strogo iza baterije; D) spojen na ampermetar. 9. Ovisnost jačine struje o svojstvima provodnika objašnjava se činjenicom da različiti provodnici imaju različit električni otpor. Od čega otpor ne zavisi? A) iz razlika u strukturi kristalne rešetke; B) po težini; C) po dužini; D) od površine poprečnog presjeka. 10. Postoje dva načina povezivanja provodnika: paralelni i serijski. Vrlo je zgodno koristiti paralelne veze potrošača u svakodnevnom životu i tehnologiji. Koja je električna veličina ista za sve paralelno spojene provodnike: A) jačinu struje; B) napon; C) vrijeme; D) otpor. 11. Za 5 s kretanja tijelo pređe put od 12,5 m. Koju će udaljenost preći tijelo za 6 s kretanja, ako se tijelo kreće konstantnim ubrzanjem? A) 25 m; B) 13 m; C) 36 m; D) 18 m. 12. Učenik je jednu trećinu puta prešao autobusom brzinom od 60 km/h, a drugu trećinu puta biciklom brzinom od 20 km/h. Posljednja trećina puta pređena je brzinom od 5 km/h. Odredite prosječnu brzinu kretanja. A) 30 km/h; B) 10 km/h; C) 283 km/h; D) 11,25 km/h. 13. Za gustinu vode uzima se 1000 kg/m3, a za gustinu leda 900 kg/m3. Ako ledenica pluta, strši 50 m3 iznad površine vode, koliki je volumen cijele ledene plohe? A) 100 m3; B) 200 m3; C) 150 m3; D) 500 m3. 14. Tegovi i () su pričvršćeni na krajeve tanke šipke dužine L. Šipka je okačena na navoj i postavljena vodoravno. Odrediti rastojanje x od mase m1 do tačke ovjesa niti. Zanemarite masu štapa 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. Penjači se penju na vrh planine. Kako se atmosferski pritisak mijenja dok se sportisti kreću? A) će se povećati; B) neće se promijeniti; C) nema tačnog odgovora. D) će se smanjiti;