Заряженные частицы
Заряженная частица — положительно или отрицательно заряженная частица вещества. Заряжеными могут быть как элементарные частицы, так и атомы, молекулы и многоатомные комплексы (пылинки, капли). Заряд частиц имеет целочисленное значение.
Содержание
Элементарные частицы
| Класс | Положительные | Отрицательные |
|---|---|---|
| Протон | Антипротон 1) | |
| β-частицы | Электрон | Позитрон 1) |
| Электрон | Дырка 2) | |
| α-частица | Электрон | |
| Ионы | Катион | Анион |
Дробный заряд
Дробный заряд имеют частицы, которые по одиночке не встречаются, но совместно образуют другие элементарные частицы.
Атомы и молекулы
Заряженные атомы и молекулы называются ионами.
См. также
- Детекторы частиц
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое «Заряженные частицы» в других словарях:
отрицательно заряженные частицы летучей золы — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN negatively charged flyash particles … Справочник технического переводчика
ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ — Состав материи невероятно прост. Вся видимая материя во Вселенной на Земле и в космосе состоит из фундаментальных частиц трех разных видов: электронов и двух типов кварков. Эти три частицы (как и другие описываемые ниже) взаимно притягиваются и… … Энциклопедия Кольера
ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ — ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ, частицы, которые непосредственно не наблюдаются, поскольку существуют чрезвычайно короткое время в процессе взаимодействия между наблюдаемыми частицами. Согласно ПРИНЦИПУ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ Гейзенберга, они не подчиняются… … Научно-технический энциклопедический словарь
высыпающиеся частицы — Заряженные частицы, которые до вхождения в плотные слои атмосферы могут совершать в геомагнитном поле не более одного колебания между точками отражения. [ГОСТ 25645.116 84] Тематики проникн. косм. лучей в магнитосферу земли EN precipitating… … Справочник технического переводчика
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ — Введение. Э. ч. в точном значении этого термина первичные, далее неразложимые ч цы, из к рых, по предположению, состоит вся материя. В совр. физике термин «Э. ч.» обычно употребляется не в своём точном значении, а менее строго для наименования… … Физическая энциклопедия
Бета-частицы — Бета частица Бета частица (β частица), заряженная частица, испускаемая в результате бета распада. Поток бета частиц называется бета лучи или бета излучение. Отрицательно заряженные бета частицы являются электронами (β ), положительно заряженные… … Википедия
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ — в узком смысле частицы, к рые нельзя считать Состоящими из других частиц. В совр. физике термин Э. ч. используют в более широком смысле: так наз. мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами… … Химическая энциклопедия
Космические лучи — поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное ими в атмосфере Земли в результате взаимодействия с атомными ядрами вторичное излучение, в… … Большая советская энциклопедия
Эксперимент ATLAS — У этого термина существуют и другие значения, см. ATLAS. Логотип эксперимента ATLAS. ATLAS (от англ. A Toroidal LHC ApparatuS) один из четырех основных экспериментов на коллайдере LHC в европейской организации ядерных исследований CERN … Википедия
АТМОСФЕРА — газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения.… … Энциклопедия Кольера
О зарядах элементарных частиц
Со школьной скамьи, те, кто не прогуливал уроки физики, усвоили знание, и всю жизнь искренне верили в него, что электрон имеет заряд -1, протон +1, а нейтрон 0. Этот постулат позволил учёным объяснить зарядовую нейтральность атома. Так как протонов в атоме как правило больше электронов, то для того чтобы привести атом к нейтральному заряду потребовался такой странный конструкт как нейтрон, который не более чем через 15 минут, после выхода из атома, превращается в протон и электрон. Но, не смотря на эту неприятную мелочь, версия о зарядах очень логично объясняла, почему атом нейтрален, так как он якобы состоит из равного количества протонов и электронов, которые уравновешивают электрический заряд атома, а недостающая масса покрывается нейтронами. При этом авторы этой модели, очевидно, сами иногда прогуливали уроки физики, иначе бы они знали о том, что сквозь отрицательную сферу электронной оболочки атома положительное поле не может пройти, поэтому отрицательная сфера всегда остаётся отрицательной с наружи, сколько бы внутрь неё не вкладывать положительных зарядов, так как все электростатическое поле протонов замыкается на электронах и мимо них пройти на внешнюю сторону сферы никак не может. [1] Таким образом, нейтрон в этой схеме оказался лишним, но он так прижился в терминологии атомной физики, что расставаться с ним ни кто не собирается. Смею предположить, что он будет здравствовать ещё не одно десятилетие.
В 19 веке химики обратили внимание на то, что при электролизе ни когда не встречаются случаи переноса заряда дробного от некоторого минимального значения, который стали считать элементарным и наделили им электрон. Так электрон превратился в эталон элементарного электрического заряда и стал обозначаться -1. Но наука не стаяла на месте и принялась изучать магнитные свойства элементарных частиц, магнитный момент которых стали определять из выражения:
где
мю – наблюдаемый магнитный момент частицы, Дж/Тл;
мю(э) = — 928,477*10^(-26) Дж/Тл;
мю(р) = 1,4106*10^(-26) Дж/Тл;
k – коэффициент фактического заряда частицы;
е = 1,602*10^(-19) К – элементарный заряд по модулю;
h = 6,626*10^(-34) Дж*с – постоянная Планка;
m – масса частицы, кг;
m(э) = 9,1094*10^(-31) кг – масса электрона;
m(р) = 1,6726*10^(-27) кг – масса протона.
k(э) = -1,001
k(р) = +2,793
Полученный результат говорит о том, что электрон действительно обладает единичным зарядом с небольшой поправкой в 0,1 %, а вот протон имеет заряд не +1, а +2,793, что выглядит весьма странно, так как нас учили совсем другому. И самое главное, заряд элементарной частицы, оказывается, может быть и дробным, а не обязательно целым.
Ещё интересней ситуация с нейтроном. Нейтрон по сути своей представляет собой вырожденный атом водорода, который образуется во время распада атомного ядра и имеет заряд равный – 1,913. Учитывая заряд электрона, в момент формирования нейтрона протон имеет заряд равный – 0,912. Т.е. он из положительно заряженной частицы неожиданно превращается в отрицательную, и приобретает при этом 3,704 отрицательного заряда.
Все эти метаморфозы с изменением и дроблением зарядов современная наука ни как не объясняет и старается этот вопрос публично не обсуждать.
Итак, анализ магнитных свойств элементарных частиц с высокой степенью уверенности позволяет утверждать:
1. Принятый на сегодня элементарный заряд фактически не является элементарным. Само понятие элементарного заряда бессмысленно, так как в природе могут существовать дробные заряды любой величины, в том числе и исчезающе малые.
2. Знак заряда протона не является постоянным и может меняться с положительного на отрицательный под воздействием внешних факторов.
3. Природа электрического заряда так на сегодня и не познана.
Возможно ответ, на вопрос: что представляет собой электрический заряд; следует искать в торовой модели элементарных частиц.
Предлагаемая торовая модель базируется на следующих постулатах:
1. Основным источником электрического заряда является нейтральный электрон.
2. Заряд протона является результатом комбинации отрицательных, положительных и нейтральных электронов, находящихся в его составе.
3. Заряд электрона может принимать любое значения от -1 до +1 единичного заряда.
4. Физический единичный заряд соответствует 1,001159652193 принятому в настоящее время. Иными словами он соответствует 1,60403028321*10^(-19) Кл. [2]
5. Плотность электрона определяется из выражения:
р = k*10^(4)*с^(2) = 8,9875519*10^(20) кг/м куб.
k — коэффициент пропорциональности с аргументом 1 кг*с^(2)/м^(5)
Протон и электрон могут быть представлены в виде торов, со следующими характеристиками [3]:
Электрон:
Масса – 9,109*10^(-31) кг;
Комптоновская длина волны — 2,426*10^(-12) м;
Радиус тора по средней линии — 3,86*10^(-13) м;
Радиус сечение тора – 1,153*10^(-20) м;
Объём тора – 1,0129*10^(-51) куб. м.
Характеристики тора протона вычисляются из условия размещения внутри него 1836 электронов в свёрнутом виде спиралью Архимеда по плоскостям сечения тора. В этом случае площадь, которую занимает свёрнутый электрон определяется из выражения:
Sе = L(e) * 2r = 2,426*10^(-12) * 2 * 1,153*10^(-20) = 5,594*10^(-32) кв. м
Принимаем коэффициент заполнения площади на уровне 0,8, тогда площадь сечения протона для размещения в нём электрона равна Sp = 6,993*10^(-32) кв. м, откуда радиус сечения равен r = 1,492*10^(-16) м. Таким образом, протон имеет следующие характеристики:
Масса – 1,6726*10^(-27) кг;
Комптоновская длина волны — 1,321*10^(-15) м;
Радиус тора по средней линии — 2,1*10^(-16) м;
Радиус сечение тора – 1,492*10^(-16) м;
Объём тора – 9,228*10^(-47) куб. м.
Электрон, судя по его характеристикам, представляет собой очень узкую трубку огромного диаметра в 1836 раз большего диаметра протона и в 12940 раз меньшего сечения.
Внутри этой трубки в виде двух потоков двигается некая материя [4]. Эти два потока перекручены между собой таким образом, что один поток вращается по часовой стрелке по ходу движения, а другой против. До тех пор пока оба потока уравновешенны по массе, заряд электрона нейтрален.
Если одно из направлений вращения материи исчезает, и весь поток внутренней материи электрона вращается только в одном направление, по часовой стрелке или против, электрон приобретает электрический заряд.
Если направление вращения полного потока совпадает с направлением вращения часовой стрелки, электрон приобретает положительный заряд +1. Если направление вращения полного потока материи противоположно вращению часовой стрелки, то электрон приобретает отрицательный заряд -1.
Но существуют ситуации, когда только часть потока меняет направление своего вращения, тогда в зависимости от соотношения масс оставшихся потоков устанавливается и соответствующий заряд электрона.
Так заряд протона составляет +2,793. Это означает, что в его составе два электрона с зарядами +1 не скомпенсированы, т.е. положительно заряженных электронов (позитронов) в составе протона на 2 больше чем отрицательных, и один нейтральный электрон приобрёл заряд +0,793, став частично позитроном.
Для того чтобы получился заряд равный +0,793, поток материи, который создаёт отрицательный заряд должен уменьшиться. Причём отрицательный поток является компенсатором для такого же объёма положительного потока. Поэтому, что бы получился итоговый положительный поток в 79,3 % от общего потока материи в электроне, оставшиеся 20,7 % потока должны быть суммой двух равных разновращающихся потоков. Иными словами отрицательный поток должен составлять 10,35%, а положительный соответственно 89,65 %. Итак перераспределение массы потоков с разными направлениями вращения с 50% до 89,65% в положительном направлении, и с 50% до 10,35% в отрицательном направлении приводит к тому, что электрон (позитрон) приобретает положительный заряд равный +0,793.
Аналогично происходит формирование дополнительного отрицательного электрона в момент образования нейтрона.
Заряд нейтрона равен –1,913. Заряд равный –1 вносится электроном, находящимся на нестационарной орбите протона. В результате суммарный заряд протона в момент выхода из ядра равен – 0,913, а до выхода из ядра он был соответственно +2,793. Следовательно, в момент разрушения ядра протон изменил свой заряд с +2,793 до – 0,913. Иными словами он приобрёл в это время 3,706 отрицательных зарядов. Три из них это нейтральные электроны, соответствующим образом, перешедших в состояние отрицательно заряженных электронов. Четвёртый нейтральный электрон приобрёл неполный отрицательный заряд путём вовлечения большей части положительного потока в противоположное направление вращения. В результате положительный поток снизился с 50% до 4,35%, а отрицательный соответственно увеличился с 50% до 95,65%
Таким образом, торовая модель в состоянии объяснить наличие не только дробных зарядов, но и их изменение под воздействием внешних факторов.
Также следует отметить, что торовая модель допускает наличие у протона не только положительного, но и отрицательного заряда, что экспериментально уже обнаружено, а также и нейтрального, который вероятно будет обнаружен в будущем.
Для того чтобы понять, как электрон значительно большего диаметра размещается в достаточно небольшом протоне необходимо принять допущение, что электрон является более древней формой материи по отношению к протону и в момент своего образования он формировался в условиях сверхвысоких плотностей материи. И хотя он уже изначально приобрёл форму тора, но эта форма была свёрнута в спираль Архимеда и в виде плоского диска разместилась в сечении протона.
Таким образом, протон собственно представляет собой не единое цельное тело, как это считается сегодня, а батарею из 1836 электронов упакованных в виде дисков спиралей Архимеда и вращающихся вокруг центра сечения тора протона.
В составе стабильного протона находится:
613 положительных электронов (позитронов) с зарядами +1;
611 отрицательных электронов с зарядами -1;
611 нейтральных электронов c зарядами 0;
Один электрон (позитрон) с зарядом +0,793.
Суммарный заряд протона составляет +2,793, при этом электроны располагаются в протоне симметрично по схеме:
3.1.1 Электризация тел и её проявления. Электрический заряд. Два вида заряда. Элементарный электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда
Электромагнитные взаимодействия принадлежат к числу наиболее фундаментальных взаимодействий в природе. Силы упругости и трения, давление газа и многое другое можно свести к электромагнитным силам между частицами вещества. Сами электромагнитные взаимодействия уже не сводятся к другим, более глубоким видам взаимодействий.
Столь же фундаментальным типом взаимодействия является тяготение — гравитационное притяжение любых двух тел. Однако между электромагнитными и гравитационными взаимодействиями имеется несколько важных отличий.
1. Участвовать в электромагнитных взаимодействиях могут не любые, а только заряженные тела (имеющие электрический заряд).
2. Гравитационное взаимодействие — это всегда притяжение одного тела к другому. Электромагнитные взаимодействия могут быть как притяжением, так и отталкиванием.
3. Электромагнитное взаимодействие гораздо интенсивнее гравитационного. Например, сила электрического отталкивания двух электронов в раз превышает силу их гравитационного притяжения друг к другу.
Каждое заряженное тело обладает некоторой величиной электрического заряда . Электрический заряд — это физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия между объектами природы. Единицей измерения заряда является кулон (Кл).
Электрический заряд
Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества
. Подобные действия называются
электризацией
.
Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда
. Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называют
положительным
, а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, —
отрицательным
.
Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).
Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного — протон. Нейтрон — нейтральная частица, не имеет заряда.
Величина элементарного заряда — электрона или протона, имеет постоянное значение и равна
Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом
. А если присоединится один электрон лишний — получим
отрицательный ион
. Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.
Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.
Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).
Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет . Элементарный заряд не делим — это свойство называется дискретностью
Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются
, разноименные (положительный и отрицательный) —
притягиваются
Точечный заряд
— это материальная точка, которая имеет электрический заряд.
Электризация тел
Чтобы макроскопическое тело оказывало электрическое влияние на другие тела, его нужно электризовать. Электризация — это нарушение электрической нейтральности тела или его частей. В результате электризации тело становится способным к электромагнитным взаимодействиям.
Один из способов электризовать тело — сообщить ему электрический заряд, то есть добиться избытка в данном теле зарядов одного знака. Это несложно сделать с помощью трения.
Так, при натирании шёлком стеклянной палочки часть её отрицательных зарядов уходит на шёлк. В результате палочка заряжается положительно, а шёлк — отрицательно. А вот при натирании шерстью эбонитовой палочки часть отрицательных зарядов переходит с шерсти на палочку: палочка заряжается отрицательно, а шерсть — положительно.
Данный способ электризации тел называется электризацией трением. С электризацией трением вы сталкиваетесь всякий раз, когда снимаете свитер через голову 
Другой тип электризации называется электростатической индукцией, или электризацией через влияние. В этом случае суммарный заряд тела остаётся равным нулю, но перераспределяется так, что в одних участках тела скапливаются положительные заряды, в других — отрицательные.
Рис. 2. Электростатическая индукция
Давайте посмотрим на рис. 2. На некотором расстоянии от металлического тела находится положительный заряд . Он притягивает к себе отрицательные заряды металла (свободные электроны), которые скапливаются на ближайших к заряду участках поверхности тела. На дальних участках остаются нескомпенсированные положительные заряды.
Несмотря на то, что суммарный заряд металлического тела остался равным нулю, в теле произошло пространственное разделение зарядов. Если сейчас разделить тело вдоль пунктирной линии, то правая половина окажется заряженной отрицательно, а левая — положительно.
Наблюдать электризацию тела можно с помощью электроскопа. Простой электроскоп показан на рис. 3 (изображение с сайта en.wikipedia.org).
Рис. 3. Электроскоп
Что происходит в данном случае? Положительно заряженная палочка (например, предварительно натёртая) подносится к диску электроскопа и собирает на нём отрицательный заряд. Внизу, на подвижных листочках электроскопа, остаются нескомпенсированные положительные заряды; отталкиваясь друг от друга, листочки расходятся в разные стороны. Если убрать палочку, то заряды вернутся на место и листочки опадут обратно.
Явление электростатической индукции в грандиозных масштабах наблюдается во время грозы. На рис. 4 мы видим идущую над землёй грозовую тучу.
Рис. 4. Электризация земли грозовой тучей
Внутри тучи имеются льдинки разных размеров, которые перемешиваются восходящими потоками воздуха, сталкиваются друг с другом и электризуются. При этом оказывается, что в нижней части тучи скапливается отрицательный заряд, а в верхней — положительный.
Отрицательно заряженная нижняя часть тучи наводит под собой на поверхности земли заряды положительного знака. Возникает гигантский конденсатор с колоссальным напряжением между тучей и землёй. Если этого напряжения будет достаточно для пробоя воздушного промежутка, то произойдёт разряд — хорошо известная вам молния.
Закон сохранения электрического заряда
Замкнутая система тел в электричестве — это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.
Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.
На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.
В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.
Протоны везде
Какая элементарная частица имеет положительный заряд? Все, чего можно коснуться, увидеть и почувствовать, состоит из атомов, самых маленьких строительных блоков, из которых состоят твердые тела, жидкости и газы. Они слишком малы, чтобы их можно было рассмотреть более внимательно, но из них состоят такие вещи, как ваш компьютер, вода, которую вы пьете, и даже воздух, которым вы дышите. Существует много типов атомов, включая атомы кислорода, азота и железа. Каждый из этих типов называется элементами.
Некоторые из них — это газы (кислород). Элемент никеля имеет серебристый цвет. Существуют и другие особенности, которые отличают эти мельчайшие частицы друг от друга. Что на самом деле делает эти элементы разными? Ответ прост: их атомы имеют различное количество протонов. Эта элементарная частица имеет положительный заряд и находится внутри центра атома.
Магнетизм↑
Электрически заряженный вращающийся шар вёл бы себя, как магнит, и вы можете догадаться, что поскольку у электронов есть заряд и спин, они ведут себя, как магниты. И вы правы! То, что электроны ведут себя, как маленькие магниты, помогает подтвердить тот факт, что они на самом деле вращаются. Обычные, повседневные магниты, сделанные из, допустим, железа, приобретают свой магнетизм от электронов; множества и множества электронов, чьи спины аккуратно выровнены, могут создать большой магнит из множеств и множеств маленьких!
Элементарные частицы атома: упорядоченная система
Атом имеет систематическую и упорядоченную структуру, обеспечивающую стабильность и отвечающую за всевозможные свойства материи. Изучение этих субатомных частиц началось более ста лет назад, и к настоящему времени мы уже многое знаем о них. ученые выяснили, что большая часть атома пуста и малонаселена «электронами». Они являются отрицательно заряженными легкими частицами, которые вращаются вокруг центральной тяжелой части, которая составляет 99,99 % от всей массы атома. Выяснить природу электронов было проще, однако после многочисленных гениальных исследований стало известно, что ядро включает в себя положительные протоны и нейтральные нейтроны.
Размер?
Размер электрона неизвестен; он может оказаться точечным объектом без размера, или у него может быть чрезвычайно малый размер, радиус которого не превышает 10-18 м. Это, по меньшей мере, в 100 000 000 раз меньше радиуса атома. В ином случае мы бы видели признаки размера электрона в экспериментах.
Как на самом деле выглядит электрон? Как я писал в статье про атомы, определить понятие размера элементарной частицы сложно, поскольку электрон, хотя его и называют частицей, не является какой-нибудь пылинкой или крупинкой соли или песка. У него также есть и волновые свойства. В атоме электроны в каком-то смысле распределены по всему атому, как распространяется звуковая волна от барабана. В этом смысле, находясь внутри атома, они имеют размер всего атома.
Но это контекстуальный, а не присущий самому электрону размер. Я так и буду называть это «контекстуальным размером». Измените контекст – выньте электрон из атома, поместите его в маленькую металлическую коробку – и распределение электрона может вырасти или ужаться. У протона, наоборот, есть присущий ему размер, примерно в 100 000 раз меньше атома. Ни в каком смысле нельзя сделать протон меньше присущего ему размера, не разломав его. Короче, контекстуальный размер не может быть меньше внутреннего размера. Уменьшив контекстуальный размер электрона до минимума, в основном через рассеяние электронов высокой энергии с других частиц, мы искали их внутренний размер. Пока что ничего не нашли.
Так что, можно сказать, что эксперименты показывают, что присущий электрону размер меньше, чем 10-18 м. А как далеко электрон распространяется в виде волны, зависит от контекста.
Все атомы уникальны
Атомы очень похожи, однако разное количество протонов делает их уникальным типом элемента. Например, атомы кислорода имеют 8 протонов, атомы водорода имеют только 1, а атомы золота — 79. Можно многое рассказать об атоме, просто подсчитав его протоны. Эти элементарные частицы находятся в самом ядре. Первоначально считалось, что они являются фундаментальной частицей, однако недавние исследования показали, что протоны состоят из более мелких ингредиентов — кварков.
Каждая единица во Вселенной состоит из атомов
Ключ к пониманию большинства свойств материи состоит в том, что каждая единица в нашей Вселенной состоит из атомов. Существует 92 естественных типа атомов, и они образуют молекулы, соединения и другие типы веществ для создания сложного мира вокруг нас. Хотя название «атом» было получено от греческого слова átomos, что означает «неделимое», современная физика показала, что он не является конечным строительным блоком материи и действительно «делится» на субатомные частицы. Они являются реальными фундаментальными сущностями, из которых состоит весь мир.
Про это свойство вы могли и не слышать. Оно может покорёжить вам мозг (как покорёжило мне!)
Среди странных свойств квантового мира есть очень странный факт (впервые открытый в 1920-х Гаудсмитом и Уленбеком, пытавшимися осмыслить данные, полученные с измерений электронов в атоме) — элементарные частицы могут крутиться, даже не имея размера! Представить это невозможно: мне, по крайней мере, это недоступно. Скажем это в практическом смысле: электроны и многие другие частицы природы ведут себя так, будто это маленькие вращающиеся волчки – если их поглощает другой объект, это заставляет этот объект немного крутиться. Представьте себе, как вращающийся кусок мягкой глины падает на способный крутиться стол. Глина прилипнет к столу, и стол начнёт вращаться.
Что ещё более странно, каждый из типов частиц всегда вращается с одной и той же скоростью! Мы говорим, что у электронов спин равен 1/2; это самая малая ненулевая скорость вращения, которой способна обладать частица. Нам также известны другие типы элементарных частиц со спином 1/2, 1, и (как мы думаем) 0, и не-элементарных частиц со спинами 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, и далее, до очень больших значений.
Накопление электричества и знаний о нём
Зримое накопление электричества происходило и когда надевали на себя поделки из янтаря: янтарные бусы, янтарные заколки для волос. Тут уж объяснений, кроме как явной магии, не могло быть никаких. Ведь, чтобы фокус удавался, перебирать бусы надо было исключительно чистыми сухими руками и сидя в чистой одежде. И чистые волосы, хорошо потёртые заколкой, дают нечто красивое и устрашающее: нимб торчащей кверху шевелюры. Да ещё потрескивание. Да ещё в темноте вспышки. Это же действие духа, требовательного и капризного, равно как и страшного и непонятного. Но настала пора, и электрические явления перестали быть территорией духа.
Стали всё что угодно называть просто — «взаимодействие». Вот уж тогда и начали экспериментировать. Придумали специальную машину для этого (электрофорная машина), и банку для накопления электричества (лейденская банка). И прибор, который уже мог показывать некоторое «равно-больше-меньше» в отношении электричества (электроскоп). Осталось только всё это объяснить с помощью набиравшего силу языка формул.
Так, человечество додумалось до необходимости осознания наличия в природе некоего электрического заряда. Собственно, в названии никакого открытия не содержится. Электрический — значит, связанный с явлениями, изучение которых началось с магии янтаря. Слово «заряд» говорит только о неясных возможностях, заложенных в предмет, как ядро в пушку. Просто ясно, что электричество можно как-то добывать и как-то накапливать. И как-то ого должно измеряться. Равно как и обычное вещество, например, масло.
И, по аналогии с веществами, о мельчайших частицах которых (атомах), говорили уверенно ещё со времён Демокрита, и решили, что заряд должен непременно состоять из аналогичных очень маленьких «корпускул» — телец. Количество которых в большом заряженном теле и даст величину электрического заряда.
Открытие протона
Элементарная частица, имеющая положительный заряд, — это протон, открытие которого датируется самыми ранними исследованиями атомной структуры. При изучаении потоков ионизированных газообразных атомов и молекул, из которых были удалены электроны, была определена положительная частица, равная по массе атому водорода. Эрнест Резерфорд (1919 г.) показал, что азот при бомбардировке альфа-частицами выбрасывает то, что кажется водородом. К 1920 году он выделил из ядер водорода элементарную частицу, назвав ее протоном.
Высокоэнергетические исследования физики частиц в конце ХХ века усовершенствовали структурное понимание природы протона внутри группы субатомных частиц. Было показано, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц и классифицируются как барионы — частицы, состоящие из трех элементарных единиц вещества, известных как кварки.
Стабильная субатомная частица
Какая элементарная частица имеет положительный заряд? Ответ известен: протон. К тому же он равен по величине единице заряда электрона. Однако масса его в состоянии покоя составляет 1,67262 × 10-27 кг , что в 1836 раз больше массы электрона. Протоны вместе с электрически нейтральными частицами, называемыми нейтронами, составляют все атомные ядра, за исключением водорода. Каждое ядро данного химического элемента имеет такое же количество протонов. Атомный номер этого элемента и определяет его положение в периодической таблице.
III. Основы электродинамики
Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Подобные действия называются электризацией.
Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда. Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называют положительным, а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, — отрицательным.
Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).
.
Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного — протон. Нейтрон — нейтральная частица, не имеет заряда.
Величина элементарного заряда — электрона или протона, имеет постоянное значение и равна
Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом. А если присоединится один электрон лишний — получим отрицательный ион. Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.
Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.
Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).
Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет . Элементарный заряд не делим — это свойство называется дискретностью
Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются, разноименные (положительный и отрицательный) — притягиваются
Точечный заряд — это материальная точка, которая имеет электрический заряд.
Закон сохранения электрического заряда
Замкнутая система тел в электричестве — это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.
Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.
На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.
В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.
Главное запомнить
1) Элементарный электрический заряд — электрон и протон
2) Величина элементарного заряда постоянна
3) Положительный и отрицательный заряды и их взаимодействие
4) Носителями свободных зарядов являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы
5) Электрический заряд дискретен
6) Закон сохранения электрического заряда