Элементарный заряд и частица электрон

Определение электрона

Электрон — субатомная частица атома, обладающая электрическим зарядом отрицательной полярности. В идеале внутри атома электроны находятся в сферических оболочках и движутся вокруг ядра по орбитальной траектории. А когда к электронам подводится внешняя энергия, они переходят от одного атома к другому.

По сути, энергия, передаваемая электронам, освобождает их от оболочек, таким образом, они становятся мобильными и прикрепляются к ближайшему к нему атому всякий раз, когда в этом конкретном атоме возникает недостаток электрона.

В случае проводников движение электронов является причиной протекания тока. Считается, что электрон имеет единичный электрический заряд, который обычно обозначается буквой e. Заряд электрона измеряется в кулонах и имеет значение около 1,602 · 10-19 Кл. И все электроны считаются одинаково похожими друг на друга.

Тренировочные задания

1. Общее число s-электронов в атоме кальция равно

1) 20 2) 40 3) 8 4) 6

2. Число спаренных p-электронов в атоме азота равно

1) 7 2) 14 3) 3 4) 4

3. Число неспаренных s-электронов в атоме азота равно

1) 7 2) 14 3) 3 4) 4

4. Число электронов на внешнем энергетическом уровне атома аргона равно

1) 18 2) 6 3) 4 4) 8

5. Число протонов, нейтронов и электронов в атоме 9₄Be равно

1) 9, 4, 5 2) 4, 5, 4 3) 4, 4, 5 4) 9, 5, 9

6. Распределение электронов по электронным слоям 2; 8; 4 — соответствует атому, расположенному в(во)

1) 3-м периоде, IА группе 2) 2-м периоде, IVА группе 3) 3-м периоде, IVА группе 4) 3-м периоде, VА группе

7. Химическому элементу, расположенному в 3-м периоде VA группе соответствует схема электронного строения атома

1) 2, 8, 6 2) 2, 6, 4 3) 2, 8, 5 4) 2, 8, 2

8. Химический элемент с электронной конфигурацией 1s22s22p4 образует летучее водородное соединение, формула которого

1) ЭН 2) ЭН₂ 3) ЭН₃ 4) ЭН₄

9. Число электронных слоёв в атоме химического элемента равно

1) его порядковому номеру 2) номеру группы 3) числу нейтронов в ядре 4) номеру периода

10. Число внешних электронов в атомах химических элементов главных подгрупп равно

1) порядковому номеру элемента 2) номеру группы 3) числу нейтронов в ядре 4) номеру периода

11. Два электрона находятся во внешнем электронном слое атомов каждого из химических элементов в ряду

1) He, Be, Ba 2) Mg, Si, O 3) C, Mg, Ca 4) Ba, Sr, B

12. Химический элемент, электронная формула которого 1s22s22p63s23p64s1, образует оксид состава

1) Li₂O 2) MgO 3) K₂O 4) Na₂O

13. Число электронных слоев и число p-электронов в атоме серы равно

1) 2, 6 2) 3, 4 3) 3, 16 4) 3, 10

14. Электронная конфигурация ns2np4 соответствует атому

1) хлора 2) серы 3) магния 4) кремния

15. Валентные электроны атома натрия в основном состоянии находятся на энергетическом подуровне

1) 2s 2) 2p 3) 3s 4) 3p

16. Атомы азота и фосфора имеют

1) одинаковое число нейтронов 2) одинаковое число протонов 3) одинаковую конфигурацию внешнего электронного слоя 4) одинаковое число электронов

17. Одинаковое число валентных электронов имеют атомы кальция и

1) калия 2) алюминия 3) бериллия 4) бора

18. Атомы углерода и фтора имеют

1) одинаковое число нейтронов 2) одинаковое число протонов 3) одинаковое число электронных слоёв 4) одинаковое число электронов

19. У атома углерода в основном состоянии число неспаренных электронов равно

1) 1 3) 3 2) 2 4) 4

20. В атоме кислорода в основном состоянии число спаренных электронов равно

1) 2 3) 4 2) 8 4) 6

Окисление

Степень окисления – заряд элемента, находящегося в соединении, который вычислен путем того, что в соединении ковалентная полярная связь превратилась в ионную.

Окисление – важная часть в образовании новых соединений.

Частицы в реакциях

Когда происходит химическая реакция, электроны либо объединяются, либо переходят к более отрицательному атому, чтобы стать заряженными.

Если бы вещества состояли только из ионов, то их заряды имели целые числа, которые равнялись бы количеству электронов (отданных или не отданных). Рассмотрим хлорид натрия (NaCl). Хлор (Cl) отнимает у натрия (Na) один электрон, при этом два элемента становятся ионами, но с разными зарядами. Натрий (Na) становится положительным, то есть катионом (записывается Na⁺¹), а хлор (Cl) – отрицательным, то есть анионом (записывается Cl⁻¹). Перейдем к соляной кислоте (HCl).

В этой паре хлор (Cl) считается самым отрицательным в электрическом плане, поэтому все два электрона (от водорода (Н) и от него) больше направлены к хлору (Cl), а если электрон водорода (Н) перейдет к хлору, что заряды будут полными, а не частичными как в первом случае. Правильная запись выглядит вот так: H+1CI-1.

Эти надстрочные значки и являются степенью окисления.

Правила записи степени окисления

Чтобы правильно записать степень окисления, нужно знать несколько правил:

1. Степень окисления располагается над элементом справа;
2. Первым делом записывается знак заряда (плюс или минус), не записывать его нельзя, это считается грубой ошибкой;
3. После знака следует само значение;
4. Даже если степень окисления равна +1 или -1, то она так и записывается без сокращения ( с сокращением, то есть + или -, пишутся только ионы);
5. Заряд ионов записывается над ними справа;
6. На первом месте в написании заряда стоит значение, а уже только потом знак.

Пример степени окисления: H+2O-2

Пример заряда иона: AL3+ii.

Вычисление степени окисления

Вычисление степени окисления проводится по некоторым пунктам, которых стоит придерживаться:

1.Есть элементы, у которых степень окисления неизменна, к ним относятся:

• щелочные металлы (степень окисления всегда +1);
• металлы из 2А группы (+2);
• алюминий (FI+3) и бор (B+3);
• фтор (F-1);
• часто кислород (О) имеет степень окисления – 2, но есть исключение у пероксидов, где у кислорода (О) -1;
• водород (Н). С неметаллами его степень равна +1, с металлами – -2.

2. Остальное в периодической таблице с плавающей степенью. Если рассмотреть хлор (Cl), то его значения нечетны: начиная от -1, заканчивая +7 (сюда входит +1, +3, +5). А вот у серы (S) все наоборот – она имеет лишь четные: от -2 до +6 (входит +2, +4).

Главное правило: если сложить все степени из соединения, то должен получиться ноль. Также, если состав какого-либо вещества из одного элемента, то его степень будет нулем.

Бывает такое, что соединение из трех составляющих. Ни в коем случае нельзя делать так, как в соединении двух элементов. Значение первого и последнего элементов известны, а значение третьего нужно считать по специальной формуле.

Пример

Возьмем Н3РО4 (фосфорная кислота).

Из правила водород (Н) будет +1, а кислород (О) – -2, осталось узнать о фосфоре (Р). Мы должны сложить все известные значения.

Здесь будем использовать уравнение.

(+1) × 3 + Х + (-2) × 4 = 0

Х = +5

Мы знаем, что сумма всех элементов должна быть нулем, поэтому приравниваем весь пример ему. Перед водородом (Н) стоит цифра 3, поэтому его степень умножаем на это число, то же самое и с кислородом (О). Фосфор (Р) у нас неизвестен, поэтому обозначаем его иксом. Дальше решаем обычным уравнением и вписываем полученное значение над ним.

Если говорить про степень окисления и валентность, то это абсолютно разные вещи. Первое имеет отрицательное или нулевое значения, а второе только положительное.

4 Масса покоя электрона

В соответствии с классической электродинамикой и формулой Эйнштейна, масса покоя элементарных частиц с квантовым числом L>0, в том числе и электрона, определяется как эквивалент энергии их электромагнитных полей:

где определенный интеграл берется по всему электромагнитному полю элементарной частицы, E — напряженность электрического поля, H — напряженность магнитного поля. Здесь учитываются все компоненты электромагнитного поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле, переменное электромагнитное поле.

Как следует из приведенной формулы, величина массы покоя электрона зависит от условий, в которых электрон находится. Так поместив электрон в постоянное внешнее электрическое поле, мы повлияем на E2, что отразится на массе частицы. Аналогичная ситуация возникнет при помещении электрона в постоянное магнитное поле.

Квантование электрического заряда

Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен одному элементарному — такое предположение было высказано Б. Франклином в 1752 году и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Впервые элементарный заряд был экспериментально измерен Милликеном в 1910 году.

Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда. При этом в классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, поскольку заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Удовлетворительного объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока не найдено, однако уже получен ряд интересных наблюдений.

• Если в природе существует магнитный монополь, то, согласно квантовой механике, его магнитный заряд обязан находиться в определённом соотношении с электрическим зарядом любой выбранной элементарной частицы. Отсюда автоматически следует, что существование всего одного магнитного монополя влечёт за собой квантование всех электрических зарядов во Вселенной. Однако обнаружить в природе магнитный монополь не удалось.
• В современной физике элементарных частиц разрабатываются модели наподобие преонной, в которых все известные фундаментальные частицы оказывались бы простыми комбинациями новых, ещё более фундаментальных частиц. В этом случае квантование заряда наблюдаемых частиц не представляется удивительным, поскольку оно возникает «по построению».
• Не исключено также, что все параметры наблюдающихся частиц будут описаны в рамках единой теории поля, подходы к которой разрабатываются в настоящее время. В таких теориях величина электрического заряда частиц должна вычисляться из крайне небольшого числа фундаментальных параметров, возможно, связанных со структурой пространства-времени на сверхмалых расстояниях. Если такая теория будет построена, тогда то, что мы наблюдаем как элементарный электрический заряд, окажется некоторым дискретным инвариантом пространства-времени (скажем, топологическим). Такой подход развивается, например, в , в которой фермионы Стандартной модели интерпретируются, как три ленты пространства-времени, заплетённые в косу (брэд), а электрический заряд (точнее, треть от него) соответствует перекрученной на 180° ленте. Однако несмотря на изящество таких моделей, конкретных общепринятых результатов в этом направлении пока не получено.

Фундаментальные и квантовые свойства электрона

Частица проявляет фундаментальные и квантовые свойства.

К фундаментальным относятся масса (9,109*10-31 килограмм), элементарный электрический заряд (то есть минимальная порция заряда). Согласно тем измерениям, что проведены до настоящего времени, у электрона не обнаруживается никаких элементов, способных выявить его субструктуру. Но некоторые ученые придерживаются мнения, что он является точечной заряженной частицей. Как указано в начале статьи, электронный электрический заряд — это -1,602*10-19Кл.

Считается, что электроны имеют одинаковые физические свойства. Поэтому их перестановка, с точки зрения квантовой механики, не ведет к изменению системного состояния. Волновая функция электронов является антисимметричной. Поэтому ее решения обращаются в нуль тогда, когда одинаковые электроны попадают в одно квантовое состояние (принцип Паули).

Экспериментальное определение элементарного электрического заряда

Число Авогадро и постоянная Фарадея

Если известны число Авогадро N_A и постоянная Фарадея F, величину элементарного электрического заряда можно вычислить, используя формулу

e=FNA{\displaystyle e={\frac {F}{N_{\mathrm {A} }}}}

(другими словами, заряд одного моля электронов, делённый на число электронов в моле, равен заряду одного электрона.)

По сравнению с другими, более точными методами, этот метод не даёт высокой точности, но всё-таки точность его достаточно высока.
Ниже приводятся подробности этого метода.

Значение постоянной Авогадро N_A было впервые приблизительно измерено Иоганном Йозефом Лошмидтом, который в 1865 году определил на газокинетической основе размер молекул воздуха, что эквивалентно расчету числа частиц в заданном объёме газа. Сегодня значение N_A может быть определено с очень высокой точностью с использованием очень чистых кристаллов (как правило — кристаллов кремния) путём измерения расстояния между атомами с использованием дифракции рентгеновских лучей; или другим способом, с точным измерением плотности кристалла. Отсюда можно найти массу (m) одного атома, а так как молярная масса (M) известна, число атомов в моле может быть рассчитано так: N_A = M/m.

Величина F может быть измерена непосредственно с помощью законов электролиза Фарадея. Законы электролиза Фарадея определяют количественные соотношения, основанные на электрохимических исследованиях, опубликованных Майклом Фарадеем в 1834 году. В эксперименте электролиза существует взаимно-однозначное соответствие между количеством электронов проходящих между анодом и катодом, и количеством ионов, осевших на пластине электрода. Измеряя изменения массы анода и катода, а также общий заряд, проходящий через электролит (который может быть измерен как интеграл по времени от электрического тока), а также учитывая молярную массу ионов, можно вывести F.

Ограничения на точность метода заключается в измерении F. Лучшие экспериментальное значения имеют относительную погрешность 1,6 промилле, что примерно в тридцать раз больше, чем в других современных методах измерения и расчета элементарного заряда.

Опыт Милликена

Известный опыт по измерению заряда электрона e. Маленькая капля масла в электрическом поле будет двигаться с такой скоростью, что будут скомпенсированы сила тяжести, сила Стокса (производная от вязкости воздуха) и электрическая сила. Сила тяжести и Стокса могут быть рассчитаны исходя из размера и скорости падения капли в отсутствие электрического поля, откуда может быть определена и электрическая сила, действующая на каплю. Поскольку электрическая сила, в свою очередь, пропорциональна произведению электрического заряда и известной, заданной в эксперименте, напряжённости электрического поля, электрический заряд капли масла может быть точно вычислен. В этих опытах измеренные заряды различных капель масла оказались всегда целыми кратными одной небольшой величины, а именно e.

Дробовой шум

Любой электрический ток сопровождается электронным шумом от различных источников, одним из которых является дробовой шум. Существование дробового шума связано с тем, что ток является не непрерывным, а состоит из дискретных электронов, которые поочерёдно поступают на электрод. Путём тщательного анализа шума тока может быть вычислен заряд электрона. Этот метод, впервые предложенный Вальтером Шоттки, может давать значение е с точностью до нескольких процентов. Тем не менее, он был использован в первом прямом наблюдении Лафлином квазичастиц, причастных к дробному квантовому эффекту Холла.

Эффект Джозефсона и константа фон Клитцинга

Другим точным методом измерения элементарного заряда является вычисление его из наблюдения двух эффектов квантовой механики: эффекта Джозефсона, при котором возникают колебания напряжения в определённой сверхпроводящей структуре и квантового эффекта Холла, эффекта квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. Постоянная Джозефсона

KJ=2eh,{\displaystyle K_{\mathrm {J} }={\frac {2e}{h}},}

где h — постоянная Планка, может быть измерена непосредственно с помощью эффекта Джозефсона.

RK=he2{\displaystyle R_{\mathrm {K} }={\frac {h}{e^{2}}}}

может быть измерена непосредственно с помощью квантового эффекта Холла.

Из этих двух констант может быть вычислена величина элементарного заряда:

e=2RKKJ.{\displaystyle e={\frac {2}{R_{\mathrm {K} }K_{\mathrm {J} }}}.}

Электростатическая индукция

Кажется, с электризацией разобрались. Теперь разберемся, что произойдет, если мы поднесем одно тело к другому, но не вплотную. Произойдет такое явление, как электростатическая индукция — явление перераспределения зарядов в нейтрально заряженных телах.

Давай разбираться на примере задачи:

На нити подвешен незаряженный металлический шарик. К нему снизу поднесли положительно заряженную палочку. Как изменится при этом сила натяжения нити?

Решение:

Здесь важно подчеркнуть, что незаряженный — значит заряжен нейтрально. То есть в теле равное количество положительных и отрицательных зарядов

Электроны металлического шарика будут притягиваться к поднесенной положительной палочке. В результате шарик притягивается к палочке, следовательно, сила натяжения нити увеличивается.

Ответ: сила натяжения нити увеличивается

В чем разница между электронами и ионами?

• Электрический заряд:

• Электроны считаются отрицательно заряженными элементарными частицами, но могут быть как положительными, так и отрицательными.

• Ионы с положительным зарядом называются «положительными ионами», и аналогично ионы с отрицательным зарядом называются «отрицательными ионами». Ионы образуются путем принятия или передачи электронов.

— Примеры положительных ионов: Na+, Ca2+, Al3+, Pb4+, NH₄+

— Примеры отрицательных ионов: Cl–, S2-, AlO₃–

• Размер:

• Электроны — очень мелкие частицы по сравнению с ионами.

• Размер ионов варьируется в зависимости от нескольких факторов.

• Размер электрона — фиксированная величина; это примерно 1/1836 протона.

• Атомная структура:

• Электроны не являются многоатомными или одноатомными. Электроны не соединяются друг с другом с образованием соединений.

• Ионы могут быть многоатомными или одноатомными; одноатомные ионы содержат только один атом, тогда как многоатомные ионы содержат более одного атома.

— Одноатомные ионы: Na+, Ca2+, Al3+, Pb4+

— Многоатомные ионы: ClO₃–, ТАК₄3-

• Частицы:

• Электроны являются микрочастицами и обладают свойствами волна-частица (дуальность волна-частица).

• Ионы считаются только частицами.

• Элементы:

• Электроны считаются элементарными частицами. Другими словами, электроны нельзя разделить на более мелкие компоненты или субструктуры.

• Все ионы имеют подкомпоненты. Например, многоатомные ионы содержат различные атомы; атомы могут быть далее подразделены на нейтроны, протоны, электроны и т. д.

• Свойства:

• Все электроны обладают схожими свойствами волны-частицы, что можно объяснить с помощью квантовой механики.

• Химические и физические свойства ионов меняются от иона к иону. Другими словами, разные ионы обладают разными химическими и физическими свойствами.

Изображения любезно предоставлены:

1. Производство пар Дэвидхорманом (CC BY-SA 3.0)
2. Карта электростатического потенциала нитрат-иона (NO3-) через Wikicommons (Public Domain)

Физика

Атом состоит из ядра и электронной оболочки.

• состоит из нуклонов (протонов и нейтронов); массы протона и нейтрона приблизительно одинаковы ( m p = m n = 1,67 ⋅ 10 −27 кг); электрический заряд имеют только протоны ( q p = 1,6 ⋅ 10 −19 Кл);
• имеет массу, равную сумме масс входящих в него нуклонов:

где Zm p — масса всех протонов, входящих в состав ядра; m p — масса протона; ( A − Z ) m n — масса всех нейтронов, входящих в состав ядра; Z и A — зарядовое и массовое числа ядра соответственно; m n — масса нейтрона;

имеет положительный электрический заряд, равный сумме зарядов входящих в него протонов:

где Z — зарядовое число химического элемента; q p — заряд протона, q p = | e | = 1,6 ⋅ 10 −19 Кл.

Электронная оболочка атома:

• состоит из электронов; масса электрона приблизительно в 1800 раз меньше массы нуклона, m e = 9,11 ⋅ 10 −31 кг; величина электрического заряда электрона равна по модулю заряду протона, но является отрицательной величиной, q e = –1,6 ⋅ 10 −19 Кл;
• содержит столько же электронов, сколько протонов содержит атомное ядро:

где N p — число протонов в атомном ядре; Z — зарядовое число;

имеет массу, равную сумме масс входящих в атом электронов:

где Z — зарядовое число (число электронов в электронной оболочке атома); m e — масса электрона;

имеет отрицательный электрический заряд, равный сумме зарядов входящих в атом электронов:

где Z — зарядовое число химического элемента (число электронов в электронной оболочке атома); q e — заряд электрона, q e = –1,6 ⋅ 10 −19 Кл.

Электронная оболочка атома образована отрицательно заряженными частицами — электронами.

Заряд электрона q e равен элементарному заряду, взятому со знаком «минус»:

где q e — заряд электрона; | e | — элементарный заряд.

Заряд электронной оболочки атома q эл совпадает с зарядом ядра, но имеет отрицательный знак; он равен произведению заряда электрона на количество электронов N e в электронной оболочке атома (зарядовое число Z ):

где q эл — заряд электронной оболочки атома; N e — число электронов в электронной оболочке атома; q e — заряд электрона, q e = –| e | = –1,6 ⋅ 10 −19 Кл; Z — зарядовое число химического элемента.

т.е. атом является электрически нейтральной системой.

Заряд электронных оболочек всех атомов некоторого количества вещества равен произведению количества атомов N ат на заряд электронной оболочки одного атома q эл :

где Q эл — заряд электронной оболочки всех атомов; N ат — число атомов вещества рассчитывается по формуле

где ν — количество вещества; m — масса вещества; M — молярная масса вещества; N A — число Авогадро, N A = 6,02 ⋅ 10 23 моль −1 .

Пример 16. Ядро атома азота содержит 7 протонов и 7 нейтронов. Во сколько раз масса всех нуклонов ядра больше массы всех электронов электронной оболочки атома азота, если масса электрона приблизительно в 1800 раз меньше массы нуклона?

Решение . Массы всех нуклонов и всех электронов азота представляют собой произведения:

где N N — число нуклонов (сумма числа протонов и нейтронов) в ядре атома азота, N N = A ; A — массовое число азота, A = 14; m N — масса одного нуклона;

масса всех электронов оболочки атома —

где N e — число электронов в атоме, N e = Z ; Z — зарядовое число азота, Z = 7; m e — масса одного электрона.

Искомое отношение имеет вид

M N M e = N N m N N e m e = A m N Z m e .

Отношение ( m N / m e ) ≈ 1800 задано в условии задачи, следовательно, искомое отношение масс составляет:

M N M e = 14 ⋅ 1800 7 = 3600 .

Масса всех нуклонов в ядре атома азота приблизительно в 3600 раз превышает массу всех электронов в электронной оболочке данного атома.

Пример 17. Зарядовое число алюминия равно 13, а его массовое число — 27. Плотность алюминия составляет 2,70 г/см 3 . Определить сумму зарядов всех электронов, содержащихся в 1,00 мм 3 алюминия.

Решение . Заряд электронной оболочки всех атомов алюминия, содержащихся в некотором объеме, равен произведению количества атомов на заряд электронной оболочки одного атома:

где N ат — число атомов; q эл — заряд электронной оболочки одного атома.

Для определения заряда электронной оболочки всех атомов необходимо определить:

где ν — количество алюминия, ν = m / M ; m — масса алюминия; M — молярная масса алюминия (совпадает с массовым числом), M = 27,0 г/моль; N A — число Авогадро, N A = 6,02 ⋅ 10 23 моль −1 ;

заряд электронной оболочки одного атома алюминия —

где Z — зарядовое число ядра алюминия, Z = 13; e — заряд электрона, e = −1,60 ⋅ 10 −19 Кл.

В явном виде формула для расчета заряда всех электронов некоторого количества алюминия выглядит следующим образом:

Q эл = Z e N A m M = Z e N A ρ V M ,

где m — масса алюминия, m = ρ V ; ρ — плотность алюминия, ρ = = 2,70 г/см 3 ; V — объем алюминия, V = 1,00 мм 3 .

Q эл = 13 ⋅ ( − 1,60 ) ⋅ 10 − 19 ⋅ 6,02 ⋅ 10 23 ⋅ 2,70 ⋅ 10 3 ⋅ 1,00 ⋅ 10 − 9 27,0 ⋅ 10 − 3 = − 125 Кл.

Заряд всех электронов указанного объема алюминия составляет −125 Кл.

Источник

Электрическая сила

Электрические заряды воздействуют друг на друга, что проявляется в виде электрической силы.

Если какое-то тело имеет избыток электронов, оно будет обладать суммарным отрицательным электрическим зарядом, и наоборот — при дефиците электронов, тело будет иметь суммарный положительный заряд.

По аналогии с магнитными силами, когда одноименно заряженные полюса отталкиваются, а разноименно — притягиваются, электрические заряды ведут себя аналогичным образом

Однако, в физике недостаточно говорить просто о полюсности электрического заряда, важно его числовое значение

сила всемирного тяготения

F = (Gm1m2)/R2

• m₁, m₂ — массы тел;
• R — расстояние между центрами тел;
• G = 6,67·10-11 Нм2/кг — универсальная гравитационная постоянная.

В результате проведенных лабораторных опытов, физики вывели аналогичную формулу для силы взаимодейтсвия электрических зарядов, которая получила название закон Кулона:

F = kq1q2/r2

• q₁, q₂ — взаимодействующие заряды, измеренные в Кл;
• r — расстояние между зарядами;
• k — коэффициент пропорциональности (СИ: k=8,99·109Нм2Кл2; СГСЭ: k=1).

Где:

• k=1/(4πε).
• ε≈8,85·10-12Кл2Н-1м-2 — электрическая постоянная.

Согласно закону Кулона, если два заряда имеют одинаковый знак, то действующая между ними сила F положительна (заряды отталкиваются друг от друга); если заряды имеют противоположные знаки, действующая сила отрицательна (заряды притягиваются друг к другу).

О том, насколько огромным по силе является заряд в 1 Кл можно судить, используя закон Кулона. Например, если предположить, что два заряда, каждый в 1Кл разнести на расстояние друг от друга в 10 метров, то они будут друг от друга отталкиваться с силой:

F = kq1q2/r2
F = (8,99·109)·1·1/(102) = -8,99·107Н

Это достаточно большая сила, примерно сопостовимая с массой в 5600 тонн.

Давайте теперь при помощи закона Кулона узнаем, с какой линейной скоростью вращается электрон в атоме водорода, считая, что он движется по круговой орбите.

Электростатическую силу, действующую на электрон, по закону Кулона можно приравнять к центростремительной силе:

F = kq1q2/r2 = mv2/r

Учитывая тот факт, что масса электрона равна 9,1·10-31кг, а радиус его орбиты = 5,29·10-11м, получаем значение 8,22·10-8Н.

Теперь можно найти линейную скорость электрона:

8,22·10-8 = (9,1·10-31)v2/(5,29·10-11)
v = 2,19·106м/с

Таким образом, электрон атома водорода вращается вокруг его центра со скоростью, равной примерно 7,88 млн. км/ч.

Электрический заряд

Электрический заряд — это физическая величина, которая определяет способность тел создавать электромагнитное поле и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

Мы состоим из клеток, клетки состоят из молекул, молекулы в свою очередь состоят из атомов, а атомы — из ядра и электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов.

Протон — это частица, которая заряжена положительно, нейтрон — нейтрально, а электрон — отрицательно. Электрон вращается по орбитам, которые во много раз больше, чем размер электрона.

Размер электрона с размером орбиты можно сравнить так: представьте футбольный мяч и футбольное поле. Во сколько раз поле больше мяча, во столько же раз орбита больше, чем электрон.

Как мы уже выяснили, электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются:

А вот измерять Электрический заряд мы будем в Кулонах . Нет, не тех, что болтаются на цепочке. Шарль Кулон — это физик, который изучал электромагнитные явления.

I. Фермионы

В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.

Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.

Как устроен атом

Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).

Кварки — любители ходить в парах

В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.

Лептоны — одиночки

Второй тип фермионов — лептоны, их свойства совершенно другие. Кварки не могут существовать поодиночке, а лептоны, наоборот, не могут соединяться (если это, конечно, не частица со своей античастицей: объединяясь, они исчезают, выделяя энергию).

Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.

Нейтрино — неуловимые лептоны

Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света. Еще с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.

Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.

Фундаментальные взаимодействия в природе

Определение 9

Фундаментальные взаимодействия – это процессы, сильно различающиеся по уровню энергии и времени протекания, в которые вступают элементарные частицы. Фундаментальными их называют потому, что их невозможно свести в другим, более простым взаимодействиям.

Определение 10

Выделяют 4 вида фундаментальных взаимодействий:

• сильное;
• электромагнитное;
• слабое;
• гравитационное.

Сильное взаимодействие

Это вид фундаментального взаимодействия также носит название ядерного, так как оно обуславливает прочную связь между нуклонами в ядре атома. Из числа элементарных частиц в сильном взаимодействии принимают участие андроны (мезоны и барионы).

Сильное взаимодействие считается короткодействующим, так как проявляется на расстоянии порядка 10–15 м и менее.

Электромагнитное взаимодействие

Благодаря этому виду взаимодействия возможно существование молекул и атомов. Оно определяет большинство свойств веществ, находящихся в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном). Оно обуславливает протекание процессов поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества, а также целый ряд других физических и химических процессов. Кулоновское отталкивание, существующее между протонами, объясняет неустойчивость ядер атомов с большими массовыми числами.

В электромагнитном взаимодействии могут участвовать любые частицы, которые обладают электрическим зарядом, а также кванты электромагнитного поля фотоны.

Слабое взаимодействие

Этот вид взаимодействия определяет ход наиболее медленных процессов, которые протекают в микромире, в том числе с участием нейтрино или антинейтрино.

В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые элементарные частицы.

Пример 1

Примером слабого взаимодействия может служить β-распад нейтрона, который протекает с участием нейтрино или антинейтрино.

 1n→11ρ⇒-1e+v~

Также сюда можно отнести процессы распада частиц с большим временем жизни (τ≥10–10 с), которые протекают без участия нейтрино.

Гравитационное взаимодействие

В связи с тем, что масса элементарных частиц мала, силами гравитационного воздействия между ними можно пренебречь. Гравитация имеет значение при взаимодействии космических объектов, чья масса огромна.

Как вычислять с помощью законов

Поскольку q и Q являются скалярными единицами, вычислить их с помощью законов можно через точные формулы, выведенные известными учеными-физиками. К примеру, в соответствии с законом Кулона, можно найти величину и силовое направление взаимодействия заряженных частиц между несколькими неподвижными телами.

Вам это будет интересно Особенности переменного тока

Закон сохранения

Все элементарные частицы подразделяются на нейтральные или заряженные. Они вступают во взаимодействие друг с другом внутри электромагнитного поля. Частицы, которые имеют одноименный электрон, отталкиваются, а разноименный – притягиваются. В первом случае наблюдается избыток электронов, а во втором – их недостаток. Оба типа частиц заряжаются посредством электризации. На практике, при возникновении данного явления, заряженные частицы равны по модулю, несмотря на противоположность знаков. Когда разные частицы притягиваются, то между ними происходит электризация и сохранение электрона. При этом, сумма всех изолированных системных частиц не изменяется, то есть, q + q + q…= const.

Закон сохранения

Закон Кулона

Выше было сказано, что электрические заряженные микрочастицы бывают как положительными, так и отрицательными, а их наличие подтверждается силовым взаимодействием, которое с помощью экспериментов на весах описал в 1785 году О. Кулон, создав свой физико-математический закон.

Закон Кулона представляет собой физическую закономерность, которая описывает взаимодействие наэлектризованных частиц между не электризованными, в зависимости от промежутка между ними. В соответствии с этой формулировкой, чем больше электронов имеет частица, тем ближе она расположена к другой элементарной единице заряда, и, соответственно, сила возрастает.

Обратите внимание! При увеличении расстояния между частицами, сал их взаимодействия неизменно убывает. В математической формуле это выглядит так: F1 = F2 = K*(q1*q2/r2), где q1 и q2 считаются модулями заряженных микрочастиц, k является коэффициентом пропорциональности, который зависит от системного выбора единицы, а r — расстоянием

Закон Кулона

Что такое атом?

Мы знаем, что атом считается самой маленькой частицей, поскольку это фундаментальная единица, из которой состоит материя. Сам этот атом имеет 3 основные субатомные частицы, которые известны как электрон, протон и нейтрон.

Несколько атомов образуют молекулу, а атомы внутри молекулы связаны химическими связями. Электрический заряд атома поддерживает связь между атомами в молекуле. Среди электрона, протона и нейтрона электроны и протоны заряжены отрицательно и положительно соответственно, а нейтроны — нейтрально заряженные частицы.

Электроны и протоны обладают разными свойствами и находятся в разных местах внутри атома. Следовательно, есть основные различия между электроном и протоном, которые мы и обсудим в этой статье.

Похожие записи:

Двойка мечей Карта радости и покоя: 4 жезлов и ее значения в различных раскладах таро Откуда прилетел астероид, который убил динозавров? Закон хаббла Влияние светил на судьбу: как определить солнечные и лунные знаки зодиака? Новолуние в августе 2020 года