Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения электрического заряда
Материалы к уроку
Конспект урока
Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения электрического заряда
Электродинамика – это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи – электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами. Раздел электродинамики, посвященный изучению покоящихся электрически заряженных тел, называют электростатикой.
Со словами электричество, электрический заряд, электрический ток вы встречались много раз и успели к ним привыкнуть. Но попробуйте ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» - и вы убедитесь, что это не так-то просто.
Со словами электричество, электрический заряд, электрический ток вы встречались много раз и успели к ним привыкнуть. Но попробуйте ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» - и вы убедитесь, что это не так-то просто.
Дело в том, что понятие заряд – это основное первичное понятие, которое не сводится на современном уровне развития наших знаний к каким-либо более простым, элементарным понятиям.
Мельчайшие частицы, из которых состоят все тела и которые не делимы на более простые, называются элементарными. Они имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения. То есть подчиняются законам макромира: с увеличением расстояния между частицами сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Но сила взаимодействия элементарных частиц в огромное число раз превосходит силу тяготения.
Дадим определение понятию «элементарный заряд». Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния также как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называют заряженными. Стоит отметить, что бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.
Взаимодействие между заряженными частицами носит название электромагнитных. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий. Благодаря гравитационному взаимодействию макротела во Вселенной располагаются упорядоченно и сохраняют свою форму из-за электромагнитного взаимодействия между элементарными частицами, из которых они состоят.
В природе существуют частицы с электрическими зарядами двух видов, иначе говорят двух противоположных знаков; при зарядах одинаковых знаков частицы отталкиваются, а при разных знаках – притягиваются. Между положительными и отрицательными зарядами внутренних различий нет. Заряд элементарных частиц – протонов, входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов – отрицательным. Если бы знаки зарядов частиц поменялись местами, то от этого характер электромагнитных взаимодействий нисколько бы не изменился.
Рассмотрим взаимодействие наэлектризованных султанчиков. Мы видим, как одноименно заряженные листочки султана отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются.
Электрический заряд элементарных частиц, который является количественной мерой электромагнитного взаимодействия частиц, – это особая характеристика частицы. Электрический заряд делим. Существует элементарный электрический заряд, его несут в себе частицы электрон или протон. Также как и масса, энергия, импульс, дискретность заряда характеризуют материю в микромире.
На основании опытов по электролизу
(окислительно-восстановительный процесс, когда оседает вещество на электроде при прохождении электрического тока в растворе) Майкл Фарадей установил: заряды имеются в атомах всех химических элементов.
В 1899 г. Джосеф Джон Томсон доказал реальность существования электронов.
В 1909 г. Роберт Милликен впервые измерил заряд электрона, он оказался равным 16 квинтиллионным Кулонам.
В 1919 г. Эрнест Резерфорд при бомбардировке азота альфа-частицами обнаружил положительно заряженную частицу – протон. Здесь в уравнении ядерной реакции протон обозначают как пэ-1-1.
Только электроны и протоны могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Существуют и другие элементарные частицы, которые живут ничтожно мало: меньше миллионных долей секунды. Они рождаются при столкновении быстрых элементарных частиц и, просуществовав совсем чуть-чуть, распадаются, превращаясь в другие частицы. Этот процесс в микромире в возбужденном состоянии происходит непрерывно.
По своему строению атом напоминает Солнечную систему. Подобно тому как планеты, притягиваясь к Солнцу, движутся вокруг него, электроны в атоме движутся вокруг ядра, удерживаемые силой притяжения к нему.
Если атом увеличить так, чтобы ядро приняло размер мелкой монеты, то расстояние между ядром и электронами стало бы равно целому километру!
Для обнаружения и измерения электрических зарядов применяется электроскоп, который состоит из металлического стержня — электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды стекают через электрод на листочки фольги, листочки оказываются одноимёнными заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.
Для измерения значения электрического заряда Михаилом Васильевичем Ломоносовым был придуман и изобретен электрометр, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. При соприкосновении заряженного тела со стрежнем электрометра электрические заряды распределяются по стержню и стрелке, и силы отталкивания, действующие между одноимёнными зарядами на стержне и стрелке, вызывают её поворот.
К частицам, не имеющим электрического заряда, относится нейтрон. Его масса лишь незначительно превышает массу протона. Нейтроны вместе с протонами входят в состав атомного ядра. Атом любого вещества в целом нейтрален, так как число электронов в нем равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.
Макроскопическое тело считаем электрически заряженным в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с одним знаком заряда. Тело имеет отрицательный заряд, если на нем находится избыток электронов по сравнению с протонами, а положительный – недостаток электронов. Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, то есть наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Это можно сделать с помощью трения. Этим самым мы отдаем электрону последнего уровня дополнительную энергию, чтобы он оторвался от ядра атома. При этом происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, нейтральными в первый момент, новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают.
Если поднести к электрометру заряженную стеклянную палочку, стрелка электрометра отклоняется, показывая, что он зарядился. Мы не касались стержня электрометра палочкой, а только поднесли ее близко к стержню. Почему же электрометр зарядился? Ответ прост. Стержень электрометра электрически нейтрален. При поднесении положительно заряженной стеклянной палочки на ближайшем конце стержня накапливаются разноименные заряды, а на удаленном конце стержня одноименные заряды. Снова наблюдается перераспределение зарядов, но в пределах одного тела.
К середине массивного проводника, соединяющего два незаряженных электрометра, поднесли отрицательно заряженную палочку. Как распределится заряд на электрометрах?
Правильный ответ: оба будут заряжены отрицательно, а проводник – положительно.
Мелкие бумажки, мелкие кусочки фольги притягиваются к наэлектризованной палочке.
Под действием поля палочки часть свободных электронов смещается в нижнюю часть - в часть В. Часть А заряжается положительно, часть В –отрицательно. К палочке ближе часть А, поэтому силы притяжения преобладают над силами отталкивания.
В справочниках можно найти список веществ, записанных в порядке убывания энергии связи электрона с атомами. Например, в соответствии со этим списком можно утверждать, что электроны на шерсти кошки закреплены слабее, чем на дереве. При трении кошка заряжается положительно, дерево - отрицательно.
При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда. В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной.
Если заряды частиц обозначить через (кю1, кю2) q1, q2, и т.д., то q1+ q2+ q3+...+ qn = const. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая жизнь новым частицам. Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются парами с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами; исчезают заряженные частицы тоже парами, превращаясь в нейтральные. И во всех этих случаях сумма зарядов остается одной и той же.
Металлический шарик 1, укреплённый на длинной изолирующей ручке и имеющий заряд (плюс кю) +q, приводят поочерёдно в соприкосновение с двумя такими же шариками 2 и 3, расположенными на изолирующих подставках и имеющими соответственно заряды (минус кю) – q и (плюс кю) +q. Какой заряд останется в результате на шарике 3?
По закону сохранения заряда при соприкосновении шара 1 шара 2 происходит нейтрализация шара 1. При соприкосновении шара 1 с шаром 3 половина заряда на шаре 3 перетекает в шар 1. Шар 1 приобретает заряд равный половине кю. Правильный ответ -2.
Доказано, что электрический заряд во Вселенной сохраняется. Полный электрический заряд Вселенной, скорее всего, равен нулю; число положительно заряженных элементарных частиц равно числу отрицательно заряженных элементарных частиц.
Явление электризации тел учитывается на производстве и применяется на практике. Например, большие электрические заряды накапливаются при трении шин об асфальт при сухой погоде. Возникает опасность проскакивания искры. Поэтому сзади машин – цистерн для горючего прикрепляют металлические цепи, волочащиеся по дороге.
Другой пример. Явление электризации тел позволяет в современных копировальных установках (ксерокс и др. установки) распылять порошок и краску по бумаге.
Из-за электризации удается обнаружить отпечатки пальцев при экспертизе.
Электризацию используют при покраске изделий из металла. Движущиеся на конвейере детали заряжают положительно, а краску, распыляемую из пульверизатора,- отрицательно. Частички краски устремляются к детали и оседают на ней. Получается тонкий, плотный, прочный слой. Краски расходуется значительно меньше.
Примеров можно приводить бесконечно: электрофотография; обогащение руд; очистка зерна; смешение разнородных материалов; нанесение ворсового покрова; напыление порошков и т. д.
Заглянем в историю.
То что все вещества состоят из атомов, утверждал еще Демокрит (400 лет до нашей эры). Он был большим путешественником, и его любимым изречением было: "Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все остальное - воззрение".
Металлический шарик 1, укреплённый на длинной изолирующей ручке и имеющий заряд (плюс кю) +q, приводят поочерёдно в соприкосновение с двумя такими же шариками 2 и 3, расположенными на изолирующих подставках и имеющими соответственно заряды (минус кю) – q и (плюс кю) +q. Какой заряд останется в результате на шарике 3?
По закону сохранения заряда при соприкосновении шара 1 шара 2 происходит нейтрализация шара 1. При соприкосновении шара 1 с шаром 3 половина заряда на шаре 3 перетекает в шар 1. Шар 1 приобретает заряд равный половине кю. Правильный ответ -2.
Доказано, что электрический заряд во Вселенной сохраняется. Полный электрический заряд Вселенной, скорее всего, равен нулю; число положительно заряженных элементарных частиц равно числу отрицательно заряженных элементарных частиц.
Явление электризации тел учитывается на производстве и применяется на практике. Например, большие электрические заряды накапливаются при трении шин об асфальт при сухой погоде. Возникает опасность проскакивания искры. Поэтому сзади машин – цистерн для горючего прикрепляют металлические цепи, волочащиеся по дороге.
Другой пример. Явление электризации тел позволяет в современных копировальных установках (ксерокс и др. установки) распылять порошок и краску по бумаге.
Из-за электризации удается обнаружить отпечатки пальцев при экспертизе.
Электризацию используют при покраске изделий из металла. Движущиеся на конвейере детали заряжают положительно, а краску, распыляемую из пульверизатора,- отрицательно. Частички краски устремляются к детали и оседают на ней. Получается тонкий, плотный, прочный слой. Краски расходуется значительно меньше.
Примеров можно приводить бесконечно: электрофотография; обогащение руд; очистка зерна; смешение разнородных материалов; нанесение ворсового покрова; напыление порошков и т. д.
Заглянем в историю.
То что все вещества состоят из атомов, утверждал еще Демокрит (400 лет до нашей эры). Он был большим путешественником, и его любимым изречением было: "Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все остальное - воззрение".
«Электричество» произошло от греческого слова электрон – янтарь. Янтарь – это окаменевшая смола хвойных деревьев, которые росли на Земле сотни тысяч лет назад. Электризация янтаря трением была известна еще до нашей эры.
Фалес Милетский (624–547 гг. до нашей эры) обнаружил, что янтарь, потёртый о мех, приобретает свойство притягивать пушинки, соломинки.
Легенда гласит: … дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном. Уронив его однажды в воду, стала обтирать веретено шерстяным хитоном и заметила, что к веретену пристало несколько шерстинок, и чем сильнее она вытирала веретено, тем больше налипало шерстинок. Девушка рассказала об этом явлении отцу, тот провёл эксперимент с различными изделиями, и все они вели себя одинаково…
Первые эксперименты, связанные с электризацией в науке относят к работам Вильяма (Уильяма) Гильберта, английского ученого и врача. Именно он первым попытался наэлектризовать несколько различных тел. Ему это удалось, но не с металлическими предметами. Поэтому он посчитал, что металлические предметы наэлектризовать нельзя.
В 1733 году французский ученый Шарль Дюфе выяснил, что существует электричество двух родов, в высокой степени отличных один от другого. "Один род я называю стеклянным электричеством, другой - смоляным. ... Тело, наэлектризованное стеклянным электричеством, отталкивает все тела со стеклянным электричеством, и, обратно, оно притягивает тела со смоляным электричеством", писал он. Как видите, Ш. Дюфе обнаружил, что "стеклянным" электричеством можно наэлектризовать не только стекло, а любое тело. Полвека спустя термины "стеклянное" и "смоляное" электричество были заменены на другие: "положительный" и "отрицательный" заряд. Эти названия сохранились до сегодняшнего дня:
+q – положительный заряд (так заряжается стекло, потертое о шелк; шерсть, потертая об эбонит).
–q – отрицательный заряд (заряд шелка при трении о стекло; заряд эбонита при трении о шерсть).
Дальнейшие исследования частиц показали, что их нельзя считать элементарными. Каждая из этих частиц при взаимодействии с другими частицами и атомными ядрами может превращаться в другие частицы. Поэтому термин «элементарная частица» является условным.
Сегодня обнаружено около 400 элементарных частиц.
Хронология физики элементарных частиц на сегодняшний день такова.
Открытие электрона принадлежит Джосеф Джон Томсону, он доказал реальность существования электронов в 1899 году.
В 1910-1919 гг. Эрнест Резерфорд при бомбардировке азота альфа-частицами обнаружил протон.
В 1918 году был обнаружили позитрон, который возникает при ядерных явлениях и живет ничтожно мало.
Фотон – переносчик световой энергии. При поглощении или испускании фотона электроном последний переходит на следующий энергетический уровень в электронной оболочке атома радиоактивного вещества.
Двадцатый век – это время расцвета науки квантовая механика, время, когда человек заглянул в удивительный микромир.
Но все эти частицы являются нестабильными, т.е. они сразу распадались на частицы с меньшими массами, в конечном счете, превращаясь в стабильные протон, электрон, фотон и нейтрино (и их античастицы). Для любой элементарной частицы есть своя античастица. Античастица - частица, имеющая ту же массу и спин, но противоположные значения зарядов всех типов.
Спин демонстрирует, что существует пространство состояний, никак не связанное с перемещением частицы в обычном пространстве.
Все известные элементарные частицы делятся на два класса:
1) фермионы, которые составляют вещество;
2) бозоны, через которые осуществляется взаимодействие фермионов.
Фермионы подразделяются на лептоны и кварки.
Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных. Заряды кварков дробные. Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях. Например, в протоне, в нейтроне.
Рассмотрим носителей электрического заряда в различных средах.
Носителями заряда в металлах являются электроны. Под действием электрического поля электроны приходят в упорядоченное движение, в металле возникает электрический ток. Ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
При нагревании или освещении некоторые электроны приобретают возможность свободно перемещаться внутри кристалла, так что при приложении электрического поля возникает направленное перемещение электронов. Эти кристаллы назовем полупроводниками. Полупроводники представляют собой нечто среднее между проводниками и изоляторами. Изоляторы не пропускают электрический заряд, а, значит, и электрический ток. У полупроводников с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.
Носителями свободных зарядов в жидкостях являются положительно и отрицательно заряженные ионы растворенного вещества. Водные растворы неорганических кислот, солей и щелочей, расплавы назовем электролитами. С ростом температуры растёт количество ионов в электролитах.
Два рода зарядов: положительный и отрицательный участвуют в электризации тел, которая возникает при трении или при поляризации тела в электрическом поле. Поляризация – явление, когда заряженные частицы меняют свою ориентацию внутри вещества под влиянием внешнего электрического поля.
В процессе электризации одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Электрически нейтральное тело сначала притягивает заряженное, после того как оно будет заряжено тем же зарядом, оба тела будут отталкиваться.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ