Квантование электрического заряда

Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен элементарному - такое предположение было высказано Б. Франклином в 1752 году и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Впервые 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 зарядом любой выбранной элементарной частицы . Отсюда автоматически следует, что одно только существование магнитного монополя влечёт за собой квантование заряда. Однако обнаружить в природе магнитный монополь пока 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. Однако, конкретных общепринятых результатов в этом направлении пока не получено.

Дробный электрический заряд

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Электрический заряд
• Заряд

Смотреть что такое "Элементарный электрический заряд" в других словарях:

Вся материя состоит из элементов. Но почему же все вокруг нас так отличается? Ответ связан с крошечными частицами. Их называют протонами. В отличие от электронов, имеющих отрицательный заряд, эти элементарные частицы имеют положительный заряд. Что это за частицы и как они работают?

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.



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.



Что такое протон?

Какая элементарная частица имеет положительный заряд? Это протон. Так называют субатомную частицу, которая есть в ядре каждого атома. Фактически число протонов в каждом атоме - это атомный номер. До недавнего времени он считался фундаментальной частицей. Однако новые технологии привели к открытию того, что протон состоит из меньших частиц, называемых кварками. Кварк - фундаментальная частица материи, которая только недавно была обнаружена.



Откуда берутся протоны?

Элементарная частица, имеющая положительный заряд, называется протоном. Эти элементы могут образовываться в результате появления неустойчивых нейтронов. Спустя примерно 900 секунд отскочивший от ядра нейтрон распадется на другие элементарные частицы атома: протон, электрон и антинейтрино.



В отличие от нейтрона, свободный протон стабилен. Когда свободные протоны взаимодействуют друг с другом, они образуют Наше солнце, как и большинство других звезд во Вселенной, в основном состоит из водорода. Протон - это наименьшая элементарная частица, которая имеет заряд +1. Электрон имеет заряд -1, а нейтрон не имеет заряда вовсе.



Субатомные частицы: местоположение и заряд

Элементы характеризуются своей состоящей из субатомных элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Первые две группы находятся в ядре (центре) атома и имеют массу единицы атомной массы. Электроны находятся за пределами ядра, в зонах, которые называются «оболочками». Они почти ничего не весят. При расчете атомной массы обращается внимание только на протоны и нейтроны. Масса атома представляет собой их сумму.



Суммируя атомную массу всех атомов в молекуле, можно оценить молекулярную массу, которая выражается в единицах атомной массы (так называемых дальтонах) . Каждая из тяжелых частиц (нейтрон, протон) весит одну атомную массу, поэтому атом гелия (He), который имеет два протона, два нейтрона и два электрона, весит около четырех единиц атомной массы (два протона плюс два нейтрона). В дополнение к местоположению и массе каждая субатомная частица обладает свойством, называемым «зарядом». Он может быть «положительным» или «отрицательным».

Элементы с одинаковым зарядом склонны отражать друг друга, а предметы с противоположными зарядами склонны привлекать друг друга. Какая элементарная частица имеет положительный заряд? Это протон. Нейтроны не имеют заряда вовсе, что дает ядру общий положительный заряд. Каждый электрон имеет отрицательный заряд, который равен по силе положительному заряду протона. Электроны и протоны ядра притягиваются друг к другу, и это сила, которая удерживает атом вместе, подобно силе гравитации, которая удерживает Луну на орбите вокруг Земли.



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.



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. (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.



Субатомная частица: к великой единой теории

Атом является малой частью материи, которая представляет собой конкретный элемент. Некоторое время считалось, что он был наименьшей частью материи, которая могла существовать. Но в конце XIX века и в начале ХХ ученые обнаружили, что атомы состоят из определенных субатомных частиц и что независимо от того, какой элемент, те же самые субатомные частицы составляют атом. Число различных субатомных частиц - единственное, что меняется.



Ученые теперь признают, что есть много субатомных частиц. Но для того, чтобы быть успешным в химии, вам действительно нужно иметь дело только с тремя основными: протонами, нейтронами и электронами. Материя может быть электрически заряжена одним из двух способов: положительным или отрицательным.

Как элементарная частица, имеющая положительный заряд, называется? Ответ прост: протон, именно он несет одну единицу положительного заряда. А благодаря наличию отрицательно заряженных электронов, сам атом является нейтральным. Иногда некоторые атомы могут получить или потерять электроны и получить заряд. В этом случае их принято называть ионами.



Элементарные частицы атома: упорядоченная система

Атом имеет систематическую и упорядоченную структуру, обеспечивающую стабильность и отвечающую за всевозможные свойства материи. Изучение этих 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.



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.

719.Закона сохранения электрического заряда

720.Тела, имеющие электрические заряды разного знака, …

Притягиваются друг к другу.

721.Одинаковые металлические шарики, заряженные разноименно зарядами q 1 =4q и q 2 = -8q привели в соприкосновение и раздвинули на прежнее расстояние. Каждый из шариков имеет заряд

q 1 =-2q и q 2 = -2q

723.Капля, имеющая положительный заряд (+2е), при освещении потеряла один электрон. Заряд капли стал равен

724.Одинаковые металлические шарики, заряженные зарядами q 1 = 4q , q 2 = - 8q и q 3 = - 2q привели в соприкосновение и раздвинули на прежнее расстояние. Каждый из шариков будет иметь заряд

q 1 = - 2q , q 2 = - 2q и q 3 = - 2q

725.Одинаковые металлические шарики, заряженные зарядами q 1 = 5q и q 2 = 7q привели в соприкосновение и раздвинули на прежнее расстояние, а затем привели в соприкосновение второй и третий шарик с зарядом q 3 =-2q и раздвинули на прежнее расстояние. Каждый из шариков будет иметь заряд

q 1 = 6q, q 2 = 2q и q 3 = 2q

726.Одинаковые металлические шарики, заряженные зарядами q 1 = - 5q и q 2 = 7q привели в соприкосновение и раздвинули на прежнее расстояние, а затем привели в соприкосновение второй и третий шарик с зарядом q 3 = 5q и раздвинули на прежнее расстояние. Каждый из шариков будет иметь заряд

q 1 =1q, q 2 = 3q и q 3 = 3q

727.Имеется четыре одинаковых металлических шарика с зарядами q 1 = 5q, q 2 = 7q, q 3 = -3q и q 4 = -1q . Сначала привели в соприкосновение и раздвинули на прежнее расстояние заряды q 1 и q 2 (1 система зарядов) ,а затем привели в соприкосновение заряды q 4 и q 3 (2-ая система зарядов). Затем взяли по одному заряду из системы 1 и 2 и их привили в соприкосновение и раздвинули на прежнее расстояние. Эти два шарика будут иметь заряд

728.Имеется четыре одинаковых металлических шарика с зарядами q 1 = -1q, q 2 = 5q, q 3 = 3q и q 4 = -7q . Сначала привели в соприкосновение и раздвинули на прежнее расстояние заряды q 1 и q 2 (1 система зарядов), а затем привели в соприкосновение заряды q 4 и q 3 (2 система зарядов). Затем взяли по одному заряду из системы 1 и 2 и их привели в соприкосновение и раздвинули на прежнее расстояние. Эти два шарика будут иметь заряд

729.В атоме положительный заряд имеет

Ядро.

730.Вокруг ядра атома кислорода движется 8 электронов. Число протонов в ядре атома кислорода равно

731.Электрический заряд электрона равен

-1,6 · 10 -19 Кл.

732.Электрический заряд протона равен

1,6 · 10 -19 Кл.

733.Ядро атома лития содержит 3 протона. Если вокруг ядро вращается 3 электрона, то

Атом электрически нейтрален.

734.В ядре фтора 19 частиц, из них 9 протонов. Количество нейтронов в ядре и количество электронов в нейтральном атом фтора





Нейтронов и 9 электронов.

735.Если в каком- либо теле число протонов больше числа электронов, то тело в целом

Заряжено положительно.

736.Капля, имеющая положительный заряд +3е при облучении потеряла 2 электрона. Заряд капли стал равен

8·10 -19 Кл.

737.Отрицательный заряд в атоме несет

Оболочка.

738.Если атомом кислорода, превратился в положительный ион, то он

Потерял электрон.

739.Большую массу имеет

Отрицательный ион водорода.

740.В результате трения с поверхности стеклянной палочки было удалено 5·10 10 электронов. Электрический заряд на палочке

(е = -1.6 · 10 -19 Кл)

8·10 -9 Кл.

741.В результате трения эбонитовая палочка получила 5·10 10 электронов. Электрический заряд на палочке

(е = -1.6 · 10 -19 Кл)

-8·10 -9 Кл.

742.Cила кулоновского взаимодействия двух точечных электрических зарядов при уменьшении расстояния между ними в 2 раза

Увеличится в 4 раза.

743.Сила кулоновского взаимодействия двух точечных электрических зарядов при уменьшении расстояния между ними в 4 раза

Увеличится в 16 раз.

744.Два точечных электрических заряда действуют друг на друга по закону Кулона с силой 1Н. Если расстояние между ними увеличить в 2 раза, то сила кулоновского взаимодействия этих зарядов станет равной

745.Два точечных заряда действуют друг на друга с силой в 1Н. Если величину каждого из зарядов увеличить в 4 раза, то сила кулоновского взаимодействия станет равной

746.Сила взаимодействия двух точечных зарядов 25 Н. Если расстояние между ними уменьшить в 5 раз, то сила взаимодействия этих зарядов станет равной

747.Сила кулоновского взаимодействия двух точечных зарядов при увеличении расстояния между ними в 2 раза

Уменьшится в 4 раза.

748.Сила кулоновского взаимодействия двух точечных электрических зарядов при увеличении расстояния между ними в 4 раза





Уменьшится в 16 раз.

749.Формула закона Кулона

.

750.Если 2 одинаковых металлических шара, имеющих заряды +q и +q привести в соприкосновение и раздвинуть на прежнее расстояние, то модуль силы взаимодействия

Не изменится.

751.Если 2 одинаковых металлических шара, имеющих заряды +q и -q , шары привести в соприкосновение и раздвинуть на прежнее расстояние, то сила взаимодействия

Станет равной 0.

752.Два заряда взаимодействуют в воздухе. Если их поместить в воду (ε = 81), не меняя расстояние между ними, то сила кулоновского взаимодействия

Уменьшится в 81раз.

753.Сила взаимодействия двух зарядов по 10 нКл, находящийся в воздухе на расстоянии 3 см друг от друга, равна

()

754.Заряды 1 мкКл и 10 нКл взаимодействуют в воздухе с силой 9 мН на расстоянии

()

755.Два электрона, находящиеся друг от друга на расстоянии 3·10 -8 см отталкиваются с силой ( ; е = - 1.6 · 10 -19 Кл)

2,56·10 -9 Н.

756.При увеличении расстояния от заряда в 3 раза, модулю напряженность электрического поля

Уменьшится в 9 раз.

757.Напряженность поля в точке равна 300 Н/Кл. Если заряд равен 1·10 -8 Кл, то расстояние до точки

()

758.Если расстояние от точечного заряда, создающего электрическое поле, увеличится в 5 раз, то напряженность электрическое поле

Уменьшится в 25 раз.

759.Напряжённость поля точечного заряда в некоторой точке 4 Н/Кл. Если расстояние от заряда увеличить в 2 раза, то напряжённость станет равна

760.Укажите формулу напряженности электрического поля в общем случае.

761.Математическая запись принципа суперпозиции электрических полей



762.Укажите формулу напряженности точечного электрического заряда Q

.

763.Модуль напряженности электрического поля в точке, где находится заряд

1·10 -10 Кл равен 10 В/м. Cила действующая на заряд, равна

1·10 -9 Н.

765.Если на поверхности металлического шара радиусом 0,2 м, распределен заряд 4 ·10 -8 Кл, то плотность заряда

2,5·10 -7 Кл/м 2 .

766.В вертикально направленном однородном электрическом поле находится пылинка массой 1·10 -9 г и зарядом 3,2·10-17 Кл. Если сила тяжести пылинки уравновешена силой электрического поля, то напряженность поля равна

3·10 5 Н/Кл.

767.В трех вершинах квадрата со стороной 0,4 м находятся одинаковые положительные заряды по 5·10 -9 Кл. Найти напряженность в четвертой вершине

() 540 Н/Кл.

768.Если два заряда 5·10 -9 и 6·10 -9 Кл, чтобы они отталкиваются с силой 12·10 -4 Н, то они находятся на расстоянии

768.Если модуль точечного заряда уменьшить в 2 раза и расстояние до заряда уменьшить в 4 раза, то напряженность электрического поля в данной точке

Увеличится в 8 раз.

Уменьшается.

770.Произведение заряда электрона на потенциал имеет размерность

Энергии.

771.Потенциал в точке А электрического поля равен 100В, потенциал в точке В равен 200В. Работа, которую совершают силы электрического поля при перемещении заряда 5мКл из точки А в точку В равна

-0,5 Дж.

772.Частица с зарядом +q и массой m , находящаяся в точках электрического поля с напряженностью Е и потенциалом , имеет ускорение

773.Электрон движется в однородном электрическом поле вдоль линии напряженности из точки с большим потенциалом в точку с меньшим потенциалом. Его скорость при этом

Увеличивается.

774.Атом, имеющий в ядре один протон, теряет один электрон. При этом образуется

Ион водорода.

775.Электрическое поле в вакууме создано четырьмя точечными положительными зарядами, размещенными в вершинах квадрата стороной а. Потенциал в центре квадрата равен

776.Если расстояние от точечного заряда уменьшится в 3 раза, то потенциал поля

Увеличится в 3 раза.

777.При перемещении точечного электрического заряда q между точками с разностью потенциалов 12 В совершена работа 3 Дж. При этом перемещен заряд

778.Заряд q переместили из точки электростатического поля в точку с потенциалом . По какой из приведённых формул:

1) 2) ; 3) можно найти работу по перемещению заряда.

779.В однородном электрическом поле напряжённостью 2 Н/Кл перемещается вдоль силовых линий поля заряд 3 Кл на расстоянии 0,5 м. Работа сил электрического поля по перемещению заряда равна

780.Электрическое поле создано четырьмя точечными разноименными зарядами, размещенными в вершинах квадрата со стороной а. Одноименные заряды находятся в противоположных вершинах. Потенциал в центре квадрата равен

781.Разность потенциалов между точками, лежащими на одной силовой линии на расстоянии 6 см друг от друга, равна 60 В. Если поле однородное, то его напряженность равна

782.Единица разности потенциалов

1 В = 1 Дж/1 Кл.

783.Пусть заряд переместился в однородном поле с напряженностью E=2 В/м вдоль силовой линии 0,2 м. Найти разность между этими потенциалами.

U = 0,4 В.

784.Согласно гипотезе Планка абсолютно черное тело излучает энергию

Порциями.

785.Энергию фотона определяет формула

1. E =pс 2. E=hv/c 3. E=h 4. E=mc 2 . 5. E=hv . 6. E=hc/

1, 4, 5, 6.

786.Если энергия кванта увеличилась в 2 раза, то частота излучения

увели­чилась в 2 раза.

787.Если фотоны с энергией 6 эВ падают на поверхность воль­фрамовой пластины, то максимальная кинетическая.энергия вы­битых ими электронов равна 1,5 эВ. Минимальная энергия фото­нов, при которой возможен фотоэффект, для вольфрама равна:

788.Правильно утверждение:

1. Скорость фотона больше скорости света.

2. Скорость фотона в любом веществе меньше скорости света.

3. Скорость фотона всегда равна скорости света.

4. Скорость фотона больше или равна скорости света.

5. Скорость фотона в любом веществе меньше или равна скорости света.

789.Большим импульсом обладают фотоны излучения

Синего.

790.При уменьшении температуры нагретого тела максимум интенсивности излучения

Содержание статьи

ЭЛЕКТРОН, элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, входящая в состав всех атомов, а следовательно, и любого обычного вещества. Это – самая легкая из электрически заряженных частиц. Электроны участвуют почти во всех электрических явлениях. В металле часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться, благодаря чему металлы хорошо проводят электричество. В плазме, т.е. ионизованном газе, положительно заряженные атомы также перемещаются свободно, но, имея гораздо большую массу, движутся значительно медленнее электронов, а потому вносят меньший вклад в электрический ток. Благодаря малой массе электрон оказался частицей, наиболее вовлеченной в развитие квантовой механики, частной теории относительности и их объединение – релятивистскую квантовую теорию поля. Считается, что в настоящее время полностью известны уравнения, описывающие поведение электронов во всех реально осуществимых физических условиях. (Правда, решение этих уравнений для систем, содержащих большое число электронов, таких, как твердое тело и конденсированная среда, все еще сопряжено с трудностями.)

Все электроны тождественны и подчиняются статистике Ферми – Дирака . Это обстоятельство выражается в принципе Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Одно из следствий принципа Паули заключается в том, что состояния наиболее слабо связанных электронов – валентных электронов, определяющих химические свойства атомов, – зависят от атомного номера (зарядового числа), который равен числу электронов в атоме. Атомный номер равен также заряду ядра, выраженному в единицах заряда протона е . Другое следствие состоит в том, что электронные «облака», окутывающие ядра атомов, сопротивляются их перекрытию, вследствие чего обычное вещество обладает свойством занимать определенное пространство. Как и полагается элементарной частице, число основных характеристик электрона невелико, а именно масса (m e » 0,51 МэВ » 0,91Ч 10 –27 г), заряд (- e » - 1,6Ч 10 –19 Кл) и спин (1 / 2 ћ » 1/ 2 Ч 0,66Ч 10 –33 ДжЧ с, где – постоянная Планка h , деленная на 2p ). Через них выражаются все остальные характеристики электрона, например магнитный момент (» 1,001m 3 » 1,001Ч 0,93Ч 10 –23 Дж/Тл), за исключением еще двух констант, характеризующих слабое взаимодействие электронов (см . ниже ).

Первые указания на то, что электричество не является непрерывным потоком, а переносится дискретными порциями, были получены в опытах по электролизу. Результатом явился один из законов Фарадея (1833): заряд каждого иона равен целому кратному заряда электрона, называемого ныне элементарным зарядом е . Наименование «электрон» вначале относилось к этому элементарному заряду. Электрон же в современном смысле слова был открыт Дж.Томсоном в 1897. Тогда было уже известно, что при электрическом разряде в разреженном газе возникают «катодные лучи», несущие отрицательный электрический заряд и идущие от катода (отрицательно заряженного электрода) к аноду (положительно заряженному электроду). Исследуя влияние электрического и магнитного полей на пучок катодных лучей, Томсон пришел к выводу: если предположить, что пучок состоит из частиц, заряд которых не превышает элементарного заряда ионов е , то масса таких частиц будет в тысячи раз меньше массы атома. (Действительно, масса электрона составляет примерно 1/1837 массы легчайшего атома, водорода.) Незадолго до этого Х.Лоренц и П.Зееман уже получили доказательства того, что электроны входят в состав атомов: исследования воздействия магнитного поля на атомные спектры (эффект Зеемана) показали, что у заряженных частиц в атоме, благодаря наличию которых свет взаимодействует с атомом, отношение заряда к массе такое же, как и установленное Томсоном для частиц катодных лучей.

Первая попытка описать поведение электрона в атоме связана с моделью атома Бора (1913). Представление о волновой природе электрона, выдвинутое Л.де Бройлем (1924) (и подтвержденное экспериментально К.Дэвиссоном и Л.Джермером в 1927), послужило основой волновой механики, разработанной Э.Шрёдингером в 1926. Одновременно на основании анализа атомных спектров С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком (1925) был сделан вывод о наличии у электрона спина. Строгое волновое уравнение для электрона было получено П.Дираком (1928). Уравнение Дирака согласуется с частной теорией относительности и адекватно описывает спин и магнитный момент электрона (без учета радиационных поправок).

Из уравнения Дирака вытекало существование еще одной частицы – положительного электрона, или позитрона, с такими же значениями массы и спина, как у электрона, но с противоположным знаком электрического заряда и магнитного момента. Формально уравнение Дирака допускает существование электрона с полной энергией либо і mс 2 (mс 2 – энергия покоя электрона), либо Ј – mс 2 ; отсутствие радиационных переходов электронов в состояния с отрицательными энергиями можно было объяснить, предположив, что эти состояния уже заняты электронами, так что, согласно принципу Паули, для дополнительных электронов нет места. Если из этого дираковского «моря» электронов с отрицательными энергиями удалить один электрон, то возникшая электронная «дырка» будет вести себя как положительно заряженный электрон. Позитрон был обнаружен в космических лучах К.Андерсоном (1932).

По современной терминологии электрон и позитрон являются античастицами по отношению друг к другу. Согласно релятивистской квантовой механике, для частиц любого вида существуют соответствующие античастицы (античастица электрически нейтральной частицы может совпадать с ней). Отдельно взятый позитрон столь же стабилен, как и электрон, время жизни которого бесконечно, поскольку не существует более легких частиц с зарядом электрона. Однако в обычном веществе позитрон рано или поздно соединяется с электроном. (Вначале электрон и позитрон могут на короткое время образовать «атом», так называемый позитроний, сходный с атомом водорода, в котором роль протона выполняет позитрон.) Такой процесс соединения называется электрон-позитронной аннигиляцией; в нем полная энергия, импульс и момент импульса сохраняются, а электрон и позитрон превращаются в гамма-кванты, или фотоны, – обычно их два. (С точки зрения «моря» электронов данный процесс представляет собой радиационный переход электрона в так называемую дырку – незанятое состояние с отрицательной энергией.) Если скорости электрона и позитрона не очень велики, то энергия каждого из двух гамма-квантов приблизительно равна mс 2 . Это характеристическое излучение аннигиляции позволяет обнаруживать позитроны. Наблюдалось, например, такое излучение, исходящее из центра нашей Галактики. Обратный процесс превращения электромагнитной энергии в электрон и позитрон называется рождением электрон-позитронной пары. Обычно гамма-квант с высокой энергией «конвертируется» в такую пару, пролетая вблизи атомного ядра (электрическое поле ядра необходимо, поскольку при превращении отдельно взятого фотона в электрон-позитронную пару были бы нарушены законы сохранения энергии и импульса). Еще один пример – распад первого возбужденного состояния ядра 16 О, изотопа кислорода.

Испусканием электронов сопровождается один из видов радиоактивности ядер. Это бета-распад – процесс, обусловленный слабым взаимодействием, при котором нейтрон в исходном ядре превращается в протон. Наименование распада происходит от названия «бета-лучи», исторически присвоенного одному из видов радиоактивных излучений, которое, как потом выяснилось, представляет собой быстрые электроны. Энергия электронов этого излучения не имеет фиксированного значения, поскольку (в соответствии с гипотезой, выдвинутой Э.Ферми) при бета-распаде вылетает еще одна частица – нейтрино, уносящая часть энергии, выделяющейся при ядерном превращении. Основной процесс таков:

Нейтрон ® протон + электрон + антинейтрино.

Испускаемый электрон не содержится в нейтроне; появление электрона и антинейтрино представляет собой «рождение пары» из энергии и электрического заряда, освобождающихся при ядерном превращении. Существует также бета-распад с испусканием позитронов, при котором находящийся в ядре протон превращается в нейтрон. Подобные превращения могут также происходить в результате поглощения электрона; соответствующий процесс называется К -захватом. Электроны и позитроны испускаются при бета-распаде и других частиц, например мюонов.

Роль в науке и технике.

Быстрые электроны широко применяются в современной науке и технике. Они используются для получения электромагнитного излучения, например рентгеновского, возникающего в результате взаимодействия быстрых электронов с веществом, и для генерации синхротронного излучения, возникающего при их движении в сильном магнитном поле. Ускоренные электроны применяют и непосредственно, например в электронном микроскопе, или при более высоких энергиях – для зондирования ядер. (В таких исследованиях была обнаружена кварковая структура ядерных частиц.) Электроны и позитроны сверхвысоких энергий используются в электрон-позитронных накопительных кольцах – установках, аналогичных ускорителям элементарных частиц. За счет их аннигиляции накопительные кольца позволяют с высокой эффективностью получать элементарные частицы с очень большой массой.

ЛЕКЦИЯ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, ЕГОХАРАКТЕРИСТИКИ. ТЕОРЕМА ГАУССА

Рассмотрение данной темы начинаем с понятия об основных формах материи: веществе и поле.

Все вещества, как простые, так и сложные, состоят из молекул, а молекулы – из атомов.

Молекула – мельчайшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства.

Атом – мельчайшая частица химического элемента, которая сохраняет егосвойства. Атом состоит из положительно заряженного ядра, в состав которого входят протоны и нейтроны (нуклоны), и отрицательно заряженных электронов, расположенных на оболочках вокруг ядра на различном расстоянии от него. Если говорят, что атом электрически нейтрален, это значит, что число электронов на оболочках равно числу протонов в ядре, т.к. нейтрон заряда не имеет.

Электрический заряд – физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия. Заряд частицы обозначается q и измеряется в Кл (Кулон) в честь французского ученого Шарля Кулона. Элементарным (неделимым) зарядом обладает электрон, его заряд равен q е = -1,610 -19 Кл. Заряд протона по модулю равен заряду электрона, т. е. q р = 1,610 -19 Кл, следовательно, бывают положительные и отрицательные электрические заряды. Причем, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Если тело заряжено, это значит, что в нем преобладают заряды какого-то одного знака («+» или «-»), в электрически нейтральном теле число «+» и «-» зарядов равно.

Заряд всегда связан с какой-то частицей. Существуют частицы, не имеющие электрического заряда (нейтрон), но не существует заряда без частицы.

С понятием электрического заряда неразрывно связано понятие электрического поля. Существует несколько видов полей:

электростатическое поле – это электрическое поле неподвижных заряженных частиц;

электрическое поле – это материя, которая окружает заряженные частицы, неразрывно с ними связана и оказывает силовое воздействие на электрически заряженное тело, внесенное в пространство, заполненное этим видом материи;

магнитное поле – это материя, которая окружает любое движущееся заряженное тело;

электромагнитное поле характеризуется двумя взаимосвязанными сторонами – составляющими: магнитным полем и электрическим, которые выявляются по силовому воздействию на заряженные частицы или тела.

Как определить, существует ли электрическое поле в данной точке пространства или нет? Мы не можем пощупать поле, увидеть его или понюхать. Для определения существования поля необходимо внести в любую точку пространства пробный (точечный) электрический заряд q 0 .

Заряд называется точечным , если его линейные размеры весьма малы по сравнению с расстоянием до тех точек, в которых определяется его поле.

Пусть поле создается положительным зарядом q. Для определения величины поля этого заряда необходимо в любую точку пространства, окружающего этот заряд, внести пробный заряд q 0 . Тогда со стороны электрического поля заряда +q на заряд q 0 будет действовать некоторая сила.

Эту силу можно определить, используя закон Кулона : величина силы, с которой на каждый из двух точечных тел действует их общее электрическое поле, пропорциональна произведению зарядов этих тел, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой находятся эти тела:

F = q 1  q 2 /4  0 r 2 ,

где 1/4 0 = k = 910 9 Нм 2 /Кл 2 ;

q 1 , q 2 – заряды частиц;

r – расстояние между частицами;

 0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическаяпостоянная, равная:  0 = 8,8510 -12 Ф/м);

 - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, показывающая во сколько раз в среде электрическое поле меньше, чем в вакууме.