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, діюча силанегативна (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 швидкістьелектрона:

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.

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. В цих простих прикладахми 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 у багато разів перевищують сили всесвітнього тяжіння.

Електричний заряд– це фізична величина, яка 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 об хутро – негативні заряди. Частинки відштовхуються при зарядах однакових знаків ( однойменні заряди), а при різних знаках ( різноіменні заряди) Частки 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 абсолютної величинизаряду 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 розчинисолей 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.

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 номерелемента в періодичної системиД.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 здебільшого простих завданьпротон, 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 і 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 однією з важливих сучасних завданьфізики, оскільки це відкриття було б істотним 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

Якщо ви знайомі з будовою атома, то, напевно, знаєте, що атом будь-якого елемента складається з трьох видів елементарних частинок: протонів, електронів, нейтронів. Протони у поєднанні з нейтронами утворюють атомне ядро ​​Оскільки заряд протона позитивний, атомне ядро ​​завжди заряджено позитивно. атомного ядра компенсується навколишнім хмарою інших елементарних частинок. Негативно заряджений електрон - це складова атома, яка стабілізує заряд протона. Залежно від того, яке оточує атомне ядро, елемент може бути електрично нейтральним (у разі рівності кількості протонів і електронів в атомі), або мати позитивний або негативний заряд (у разі нестачі або надлишку електронів, відповідно). Атом елемента, несе у собі певний заряд, називається іоном.

Важливо пам'ятати, що саме числом протонів визначаються властивості елементів та їх положення періодичної таблиціім. Д. І. Менделєєва. Нейтрони, що містяться в атомному ядрі, не мають заряду. Через те, що і протона співвідносні і практично рівні один одному, а маса електрона мізерно мала в порівнянні з ними (у 1836 разів менше то число нейтронів в ядрі атома грає дуже важливу роль, А саме: визначає стабільність системи та швидкість ядер. Вмістом нейтронів визначається ізотоп (різновид) елемента.

Однак через невідповідність мас заряджених частинок протони та електрони мають різні питомі заряди (ця величина визначається ставленням заряду) елементарної часткидо її маси). Внаслідок цього питомий заряд протона дорівнює 9,578756 (27) · 107 Кл / кг проти -1,758820088 (39) · 1011 у електрона. Через високе значення питомого заряду вільні протони що неспроможні існувати рідких середовищах: вони піддаються гідратації.

Маса та заряд протона - це конкретні величини, які вдалося встановити ще на початку минулого сторіччя. Хто ж із вчених зробив це - одне з найбільших - відкриття двадцятого століття? Ще в 1913 році Резерфорд, ґрунтуючись на тому, що маси всіх відомих хімічних елементів більші за масу атома водню в ціле число разів, припустив, що ядро ​​атома водню входить до ядра атома будь-якого елемента. Дещо пізніше Резерфорд провів досвід, в якому вивчав взаємодію ядер атома азоту з альфа-частинками. В результаті проведеного експерименту з ядра атома вилетіла частка, яку Резерфорд назвав "протон" (від грецького слова "протос" - перший) і припустив, що вона є ядром атома водню. Припущення було доведено експериментально під час повторного проведення цього наукового досвідуу камері Вільсона.

Тим же Резерфордом у 1920 році було висловлено гіпотезу про існування в атомному ядрі частинки, маса якої дорівнює масі протона, але не несе на собі жодного електричного заряду. Однак самому Резерфорду виявити цю частинку не вдалося. Натомість у 1932 році його учень Чедвік експериментально довів існування в атомному ядрі нейтрону - частки, як і передбачав Резерфорд, що приблизно дорівнює масі протону. Виявити нейтрони було складніше, оскільки вони не мають електричного заряду і, відповідно, не вступають у взаємодію Космосу з іншими ядрами. Відсутністю заряду пояснюється така властивість нейтронів як дуже висока здатність, що проникає.

Протони та нейтрони пов'язані в атомному ядрі дуже сильною взаємодією. Зараз фізики сходяться на думці, що ці дві елементарні ядерні частинки дуже схожі одна на одну. Так, вони мають рівні спини і ядерні сили діють на них абсолютно однаково. Єдина відмінність - заряд протона позитивний, нейтрон взагалі немає заряду. Але оскільки електричний заряд у ядерних взаємодіях немає жодного значення, може розглядатися лише як якась мітка протона. Якщо ж позбавити протон електричного заряду, він втратить свою індивідуальність.