Kvantovanie elektrického náboja

Akýkoľvek experimentálne pozorovaný elektrický náboj je vždy násobkom elementárneho- tento predpoklad vyslovil B. Franklin v roku 1752 a následne bol opakovane experimentálne testovaný. Náboj prvýkrát experimentálne zmeral Millikan v roku 1910.

Skutočnosť, že elektrický náboj sa v prírode vyskytuje iba vo forme celého čísla elementárnych nábojov, možno nazvať kvantovanie elektrického náboja. Zároveň sa v klasickej elektrodynamike nerieši otázka dôvodov kvantovania náboja, pretože náboj je vonkajší parameter a nie dynamická premenná. Uspokojivé vysvetlenie, prečo treba náboj kvantovať, sa zatiaľ nenašlo, ale už sa podarilo získať množstvo zaujímavých pozorovaní.

• Ak v prírode existuje magnetický monopól, potom podľa kvantovej mechaniky musí byť jeho magnetický náboj v určitom vzťahu s nábojom akúkoľvek zvolenú elementárnu časticu. Z toho automaticky vyplýva, že samotná existencia magnetického monopólu znamená kvantovanie náboja. V prírode sa však zatiaľ nepodarilo odhaliť magnetický monopól.
• V modernej časticovej fyzike sa vyvíjajú modely ako preón, v ktorých by sa všetky známe základné častice ukázali ako jednoduché kombinácie nových, ešte zásadnejších častíc. V tomto prípade sa kvantifikácia náboja pozorovaných častíc nezdá prekvapujúca, pretože vzniká „konštrukciou“.
• Je tiež možné, že všetky parametre pozorovaných častíc budú popísané v rámci jednotnej teórie poľa, ku ktorej prístupy sa v súčasnosti vyvíjajú. V takýchto teóriách musí byť veľkosť elektrického náboja častíc vypočítaná z extrémne malého počtu základných parametrov, pravdepodobne súvisiacich so štruktúrou časopriestoru na ultrakrátke vzdialenosti. Ak sa takáto teória skonštruuje, potom to, čo pozorujeme ako elementárny elektrický náboj, sa ukáže ako nejaký diskrétny invariant časopriestoru. Konkrétne všeobecne akceptované výsledky v tomto smere však zatiaľ neboli dosiahnuté.

Frakčný elektrický náboj

Pozri tiež

Poznámky

Nadácia Wikimedia.

• 2010.
• Elektrický náboj

Nabite

Všetka hmota sa skladá z prvkov. Ale prečo je všetko okolo nás také iné? Odpoveď súvisí s malými časticami. Nazývajú sa protóny. Na rozdiel od elektrónov, ktoré majú záporný náboj, tieto elementárne častice majú kladný náboj. Čo sú tieto častice a ako fungujú?

Protóny sú všade

Ktorá elementárna častica má kladný náboj? Všetko, čoho sa možno dotknúť, vidieť a cítiť, je vyrobené z atómov, najmenších stavebných blokov, ktoré tvoria pevné látky, kvapaliny a plyny. Sú príliš malé na to, aby ste sa na ne mohli pozrieť zblízka, ale tvoria veci ako váš počítač, voda, ktorú pijete, a dokonca aj vzduch, ktorý dýchate. Existuje mnoho typov atómov, vrátane atómov kyslíka, dusíka a železa. Každý z týchto typov sa nazýva prvky.



Niektoré z nich sú plyny (kyslík). Niklový prvok má striebornú farbu. Existujú aj iné znaky, ktoré tieto drobné častice od seba odlišujú. Čím sa vlastne tieto prvky líšia? Odpoveď je jednoduchá: ich atómy majú rôzny počet protónov. Táto elementárna častica má kladný náboj a nachádza sa v strede atómu.



Všetky atómy sú jedinečné

Atómy sú si veľmi podobné, ale rozdielny počet protónov z nich robí jedinečný typ prvku. Napríklad atómy kyslíka majú 8 protónov, atómy vodíka iba 1 a atómy zlata 79. O atóme sa dá veľa povedať len spočítaním jeho protónov. Tieto elementárne častice sa nachádzajú v samotnom jadre. Pôvodne sa predpokladalo, že ide o základnú časticu, no nedávny výskum ukázal, že protóny sa skladajú z menších zložiek nazývaných kvarky.



Čo je to protón?

Ktorá elementárna častica má kladný náboj? Toto je protón. Toto je názov pre subatomárnu časticu nachádzajúcu sa v jadre každého atómu. V skutočnosti je počet protónov v každom atóme atómové číslo. Donedávna bola považovaná za fundamentálnu časticu. Nová technológia však viedla k objavu, že protón sa skladá z menších častíc nazývaných kvarky. Kvark je základná častica hmoty, ktorá bola objavená len nedávno.



Odkiaľ pochádzajú protóny?

Elementárna častica s kladným nábojom sa nazýva protón. Tieto prvky sa môžu tvoriť v dôsledku výskytu nestabilných neutrónov. Po približne 900 sekundách sa neutrón, ktorý sa odrazí od jadra, rozpadne na ďalšie elementárne častice atómu: protón, elektrón a antineutríno.



Na rozdiel od neutrónu je voľný protón stabilný. Keď voľné protóny interagujú medzi sebou, vytvárajú naše slnko, podobne ako väčšina ostatných hviezd vo vesmíre, primárne z vodíka. Protón je najmenšia elementárna častica, ktorá má náboj +1. Elektrón má náboj -1, ale neutrón nemá náboj vôbec.



Subatomárne častice: umiestnenie a náboj

Prvky sú charakteristické svojim zložením subatomárnych elementárnych častíc: protónov, neutrónov a elektrónov. Prvé dve skupiny sa nachádzajú v jadre (v strede) atómu a majú hmotnosť jedna atómová hmotnosť. Elektróny sa nachádzajú mimo jadra, v oblastiach nazývaných „škrupiny“. Nevážia takmer nič. Pri výpočte atómovej hmotnosti sa pozornosť venuje iba protónom a neutrónom. Hmotnosť atómu je ich súčet.



Sčítaním atómovej hmotnosti všetkých atómov v molekule môžeme odhadnúť molekulovú hmotnosť, ktorá je vyjadrená v atómových hmotnostných jednotkách (nazývaných daltony). Každá z ťažkých častíc (neutrón, protón) váži jednu atómovú hmotnosť, takže atóm hélia (He), ktorý má dva protóny, dva neutróny a dva elektróny, váži približne štyri atómové hmotnostné jednotky (dva protóny plus dva neutróny). Okrem polohy a hmotnosti má každá subatomárna častica vlastnosť nazývanú „náboj“. Môže byť „pozitívny“ alebo „negatívny“.

Prvky s rovnakým nábojom majú tendenciu sa navzájom odrážať a predmety s opačnými nábojmi majú tendenciu sa navzájom priťahovať. Ktorá elementárna častica má kladný náboj? Toto je protón. Neutróny nemajú vôbec žiadny náboj, čo dáva jadru celkovo kladný náboj. Každý elektrón má záporný náboj, ktorý sa svojou silou rovná kladnému náboju protónu. Elektróny a protóny v jadre sa navzájom priťahujú a to je sila, ktorá drží atóm pohromade, podobne ako sila gravitácie, ktorá drží Mesiac na obežnej dráhe okolo Zeme.



Stabilná subatomárna častica

Ktorá elementárna častica má kladný náboj? Odpoveď je známa: protón. Okrem toho sa veľkosťou rovná jednotkovému náboju elektrónu. Jeho hmotnosť v pokoji je však 1,67262 × 10 -27 kg, čo je 1836-násobok hmotnosti elektrónu. Protóny spolu s elektricky neutrálnymi časticami nazývanými neutróny tvoria všetky atómové jadrá okrem vodíka. Každé jadro tohto chemický prvok má rovnaký počet protónov. Atómové číslo tohto prvku určuje jeho pozíciu v periodickej tabuľke.



Objav protónu

Elementárna častica, ktorá má kladný náboj, je protón, ktorého objav sa datuje od najskorších štúdií atómovej štruktúry. Štúdiom tokov ionizovaných plynných atómov a molekúl, z ktorých boli odstránené elektróny, bola identifikovaná kladná častica, ktorá sa svojou hmotnosťou rovná atómu vodíka. (1919) ukázali, že dusík, keď je bombardovaný alfa časticami, vyvrhuje to, čo sa javí ako vodík. Do roku 1920 izoloval elementárnu časticu z jadier vodíka a nazval ju protón.



Výskum fyziky vysokoenergetických častíc na konci dvadsiateho storočia zdokonalil štrukturálne chápanie povahy protónu v rámci skupiny subatomárnych častíc. Ukázalo sa, že protóny a neutróny sa skladajú z menších častíc a sú klasifikované ako baryóny – častice zložené z troch základných jednotiek hmoty známych ako kvarky.



Subatomárna častica: smerom k veľkej zjednotenej teórii

Atóm je malý kúsok hmoty, ktorý predstavuje konkrétny prvok. Istý čas sa verilo, že je to najmenší kúsok hmoty, ktorý môže existovať. Ale v koniec XIX storočia a začiatkom dvadsiateho storočia vedci zistili, že atómy sa skladajú z určitých subatomárnych častíc a že bez ohľadu na to, o aký prvok ide, rovnaké subatomárne častice tvoria atóm. Počet rôznych subatomárnych častíc je jediná vec, ktorá sa mení.



Vedci teraz uznávajú, že existuje veľa subatomárnych častíc. Ale na to, aby ste boli v chémii úspešní, musíte sa skutočne zaoberať len tromi základnými: protónmi, neutrónmi a elektrónmi. Hmota môže byť elektricky nabitá jedným z dvoch spôsobov: kladným alebo záporným.

Ako sa nazýva elementárna častica s kladným nábojom? Odpoveď je jednoduchá: protón, je to ten, ktorý nesie jednu jednotku kladného náboja. A kvôli prítomnosti negatívne nabitých elektrónov je samotný atóm neutrálny. Niekedy môžu niektoré atómy získať alebo stratiť elektróny a získať náboj. V tomto prípade sa zvyčajne nazývajú ióny.



Elementárne častice atómu: usporiadaný systém

Atóm má systematickú a usporiadanú štruktúru, ktorá zabezpečuje stabilitu a je zodpovedná za všetky druhy vlastností hmoty. Štúdium týchto vecí sa začalo pred viac ako sto rokmi a dnes už o nich vieme veľa. Vedci zistili, že väčšina atómu je prázdna a riedko osídlená „elektrónmi“. Sú to negatívne nabité ľahké častice, ktoré sa točia okolo centrálnej ťažkej časti, ktorá tvorí 99,99 % celkovej hmotnosti atómu. Bolo jednoduchšie zistiť povahu elektrónov, ale po mnohých dômyselných štúdiách sa zistilo, že jadro obsahuje pozitívne protóny a neutrálne neutróny.



Každá jednotka vo vesmíre sa skladá z atómov

Kľúčom k pochopeniu väčšiny vlastností hmoty je, že každá jednotka v našom vesmíre sa skladá z atómov. Existuje 92 prirodzene sa vyskytujúcich typov atómov, ktoré tvoria molekuly, zlúčeniny a iné typy látok, aby vytvorili zložitý svet okolo nás. Hoci názov „atóm“ bol odvodený od Grécke slovoátomos, čo znamená „nedeliteľný“, moderná fyzika ukázala, že nie je konečným stavebným kameňom hmoty a je skutočne „rozdelený“ na subatomárne častice. Sú to skutočné základné entity, ktoré tvoria celý svet.

719. Zákon zachovania elektrického náboja

720. Telesá s elektrickými nábojmi iné znamenie, …

Priťahujú sa navzájom.

721. Rovnaké kovové guľôčky nabité opačnými nábojmi q 1 = 4q a q 2 = -8q sa dostali do kontaktu a vzdialili sa od seba na rovnakú vzdialenosť. Každá z loptičiek má náboj

qi = -2q a q2 = -2q

723.Kvapka s kladným nábojom (+2e) stratila pri osvetlení jeden elektrón. Náboj pádu sa vyrovnal

724. Rovnaké kovové guľôčky nabité nábojmi q 1 = 4q, q 2 = - 8q a q 3 = - 2q sa dostali do kontaktu a vzdialili sa od seba na rovnakú vzdialenosť. Každá z loptičiek bude mať náboj

q 1 = - 2q, q 2 = - 2q a q 3 = - 2q

725. Rovnaké kovové guľôčky nabité nábojmi q 1 = 5q a q 2 = 7q sa dostali do kontaktu a od seba vzdialili na rovnakú vzdialenosť a potom sa dostali do kontaktu a od seba oddialili druhá a tretia gulička s nábojom q 3 = -2q. do rovnakej vzdialenosti. Každá z loptičiek bude mať náboj

q1 = 6q, q2 = 2q a q3 = 2q

726. Rovnaké kovové guľôčky nabité nábojmi q 1 = - 5q a q 2 = 7q sa dostali do kontaktu a od seba vzdialili na rovnakú vzdialenosť a potom sa dostali do kontaktu a od seba oddialili druhá a tretia gulička s nábojom q 3 = 5q. do rovnakej vzdialenosti. Každá z loptičiek bude mať náboj

q1 = 1q, q2 = 3q a q3 = 3q

727. Sú štyri rovnaké kovové guľôčky s nábojmi q 1 = 5q, q 2 = 7q, q 3 = -3q a q 4 = -1q. Najprv sa dostali do kontaktu nálože q 1 a q 2 (1. sústava náloží) a vzdialili sa od seba na rovnakú vzdialenosť a potom sa dostali do kontaktu nálože q 4 a q 3 (2. sústava náloží). Potom vzali po jednom náboji zo systému 1 a 2 a priviedli ich do kontaktu a oddelili ich na rovnakú vzdialenosť. Tieto dve loptičky budú mať náboj

728. Sú štyri rovnaké kovové guľôčky s nábojmi q 1 = -1q, q 2 = 5q, q 3 = 3q a q 4 = -7q. Najprv sa dostali do kontaktu nálože q 1 a q 2 (1 sústava náloží) a vzdialili sa od seba na rovnakú vzdialenosť a potom sa dostali do kontaktu nálože q 4 a q 3 (sústava 2 náloží). Potom vzali po jednom náboji zo systému 1 a 2 a priviedli ich do kontaktu a oddelili ich na rovnakú vzdialenosť. Tieto dve loptičky budú mať náboj

729.Atóm má kladný náboj

Jadro.

730. Okolo jadra atómu kyslíka sa pohybuje osem elektrónov. Počet protónov v jadre atómu kyslíka je

731.Elektrický náboj elektrónu je

-1,6 · 10-19 Cl.

732.Elektrický náboj protónu je

1,6. 10-19 Cl.

733.Jadro atómu lítia obsahuje 3 protóny. Ak sa 3 elektróny otáčajú okolo jadra, potom

Atóm je elektricky neutrálny.

734. Vo fluórovom jadre je 19 častíc, z toho 9 protónov. Počet neutrónov v jadre a počet elektrónov v neutrálnom atóme fluóru





Neutróny a 9 elektrónov.

735. Ak je v niektorom telese počet protónov väčší ako počet elektrónov, potom teleso ako celok

Kladne nabitý.

736. Kvapka s kladným nábojom +3e stratila počas ožarovania 2 elektróny. Náboj pádu sa vyrovnal

8,10-19 Cl.

737. Záporný náboj v atóme nesie

Shell.

738.Ak sa atóm kyslíka zmení na kladný ión, potom to

Stratil elektrón.

739.Má veľkú hmotnosť

Záporný vodíkový ión.

740.V dôsledku trenia sa z povrchu sklenenej tyčinky odstránilo 5·10 10 elektrónov. Elektrický náboj na palici

(e = -1,6 ± 10 -19 °C)

8.10-9 Cl.

741.V dôsledku trenia dostala ebonitová tyč 5·10 10 elektrónov. Elektrický náboj na palici

(e = -1,6 ± 10 -19 °C)

-8·10-9 Cl.

742.Sila Coulombovej interakcie dvoch bodových elektrických nábojov, keď sa vzdialenosť medzi nimi zníži 2-krát

Zvýši sa 4-krát.

743.Sila Coulombovej interakcie dvoch bodových elektrických nábojov, keď sa vzdialenosť medzi nimi zníži 4-krát

Zvýši sa 16-krát.

744.Dva bodové elektrické náboje na seba pôsobia podľa Coulombovho zákona silou 1N. Ak sa vzdialenosť medzi nimi zväčší dvakrát, potom sa sila Coulombovej interakcie týchto nábojov vyrovná

745.Dva bodové náboje na seba pôsobia silou 1N. Ak sa veľkosť každého náboja zvýši 4-krát, potom sa sila Coulombovej interakcie bude rovnať

746. Sila vzájomného pôsobenia dvoch bodových nábojov je 25 N. Ak sa vzdialenosť medzi nimi zmenší 5-krát, potom sa sila vzájomného pôsobenia týchto nábojov vyrovná

747. Sila Coulombovej interakcie dvoch bodových nábojov, keď sa vzdialenosť medzi nimi zväčší 2-krát

Zníži sa 4-krát.

748.Sila Coulombovej interakcie dvoch bodových elektrických nábojov, keď sa vzdialenosť medzi nimi zväčší 4-krát





Zníži sa 16-krát.

749. Vzorec Coulombovho zákona

.

750. Ak sa 2 rovnaké kovové guľôčky s nábojmi +q a +q dostanú do kontaktu a posunú sa od seba na rovnakú vzdialenosť, potom modul interakčnej sily

Nezmení sa to.

751. Ak sa 2 rovnaké kovové guľôčky s nábojmi +q a -q dostanú do kontaktu a vzdialia sa od seba na rovnakú vzdialenosť, potom sila vzájomného pôsobenia

Bude sa rovnať 0.

752. Vo vzduchu interagujú dva náboje. Ak sú umiestnené vo vode (ε = 81), bez zmeny vzdialenosti medzi nimi, potom sila Coulombovej interakcie

Zníži sa 81-krát.

753.Sila interakcie medzi dvoma nábojmi s veľkosťou 10 nC, ktoré sa nachádzajú vo vzduchu vo vzdialenosti 3 cm od seba, sa rovná

()

754. Náboje 1 µC a 10 nC interagujú vo vzduchu silou 9 mN na diaľku

()

755. Dva elektróny umiestnené vo vzdialenosti 3·10 -8 cm od seba sa odpudzujú silou ( ; e = -1,6 ± 10 -19 °C)

2,56.10-9 N.

756. Keď sa vzdialenosť od náboja zvýši 3-krát, napäťový modul elektrické pole

Zníži sa 9-krát.

757. Intenzita poľa v bode je 300 N/C. Ak je náboj 1·10 -8 C, potom vzdialenosť k bodu

()

758. Ak sa vzdialenosť od bodového náboja vytvárajúceho elektrické pole zväčší 5-krát, potom sa intenzita elektrického poľa zväčší

Zníži sa 25-krát.

759.Sila poľa bodového náboja v určitom bode je 4 N/C. Ak sa vzdialenosť od náboja zdvojnásobí, napätie sa rovná

760.Uveďte vzorec pre intenzitu elektrického poľa vo všeobecnom prípade.

761. Matematický zápis princípu superpozície elektrických polí



762.Uveďte vzorec pre intenzitu bodového elektrického náboja Q

.

763. Modul intenzity elektrického poľa v mieste, kde sa nachádza náboj

1·10 -10 C sa rovná 10 V/m. Sila pôsobiaca na náboj sa rovná

1,10-9 N.

765. Ak je náboj 4·10 -8 C rozložený na povrchu kovovej gule s polomerom 0,2 m, potom hustota náboja

2,5·10-7 C/m2.

766.Vo vertikálne nasmerovanom rovnomernom elektrickom poli sa nachádza zrnko prachu s hmotnosťou 1,10 -9 g a nábojom 3,2·10-17 C. Ak je gravitácia prachového zrna vyvážená silou elektrického poľa, potom sa intenzita poľa rovná

3,105 N/CI.

767. V troch vrcholoch štvorca so stranou 0,4 m sú zhodné kladné náboje po 5·10 -9 C. Nájdite napätie vo štvrtom vrchole

() 540 N/CI.

768. Ak sú dva náboje 5·10 -9 a 6·10 -9 C, takže sa odpudzujú silou 12·10 -4 N, sú vo vzdialenosti

768. Ak sa modul bodového náboja zníži 2-krát a vzdialenosť k náboju sa zníži 4-krát, potom intenzita elektrického poľa v danom bode

Zvýši sa 8-krát.

Znižuje sa.

770. Súčin náboja elektrónu a potenciálu má rozmer

Energia.

771.Potenciál v bode A elektrického poľa je 100V, potenciál v bode B je 200V. Práca vykonaná silami elektrického poľa pri presune náboja 5 mC z bodu A do bodu B sa rovná

-0,5 J.

772. Častica s nábojom +q a hmotnosťou m, ktorá sa nachádza v bodoch elektrického poľa s intenzitou E a potenciálom, má zrýchlenie

773.Elektrón sa pohybuje v rovnomernom elektrickom poli pozdĺž čiary napätia z bodu s vysokým potenciálom do bodu s nižším potenciálom. Jeho rýchlosť je

Zvyšovanie.

774.Atóm, ktorý má v jadre jeden protón, stratí jeden elektrón. Toto vytvára

Vodíkový ión.

775. Elektrické pole vo vákuu vytvárajú štyri bodové kladné náboje umiestnené vo vrcholoch štvorca so stranou a. Potenciál v strede námestia je

776. Ak sa vzdialenosť od bodového náboja zníži 3-krát, potom potenciál poľa

Zvýši sa 3-krát.

777. Pri pohybe bodového elektrického náboja q medzi bodmi s rozdielom potenciálov 12 V sa vykoná práca 3 J V tomto prípade sa náboj presunie

778. Náboj q presunutý z bodu elektrostatické pole do bodu s potenciálom. Ktorým z nasledujúcich vzorcov:

1) 2) ; 3) môžete nájsť prácu v pohybe poplatok.

779. V rovnomernom elektrickom poli o sile 2 N/C sa náboj 3 C pohybuje po siločiarach vo vzdialenosti 0,5 m Práca vykonaná silami elektrického poľa na pohyb náboja sa rovná

780.Elektrické pole je tvorené štyrmi bodmi na rozdiel od nábojov umiestnených vo vrcholoch štvorca so stranou a. Podobné náboje sú umiestnené v opačných vrcholoch. Potenciál v strede námestia je

781. Potenciálny rozdiel medzi bodmi ležiacimi na tom istom elektrické vedenie vo vzdialenosti 6 cm od seba sa rovná 60 V. Ak je pole rovnomerné, potom je jeho sila

782.Jednotka potenciálneho rozdielu

1 V = 1 J/1 C.

783. Nech sa náboj pohybuje v rovnomernom poli s intenzitou E = 2 V/m pozdĺž siločiary 0,2 m. Nájdite rozdiel medzi týmito potenciálmi.

U = 0,4 V.

784.Podľa Planckovej hypotézy vyžaruje energiu úplne čierne teleso

V porciách.

785. Energia fotónu je určená vzorcom

1. E = pс 2. E = vv/c 3. E = h 4. E=mc2. 5. E = vv. 6.E=hc/

1, 4, 5, 6.

786. Ak sa energia kvanta zdvojnásobila, potom frekvencia žiarenia

zvýšil 2 krát.

787.Ak fotóny s energiou 6 eV dopadnú na povrch volfrámovej platne, potom maximálna kinetická energia nimi vyrazených elektrónov je 1,5 eV. Minimálna energia fotónu, pri ktorej je možný fotoelektrický efekt, je pre volfrám rovná:

788. Nasledujúce tvrdenie je správne:

1. Rýchlosť fotónu je väčšia ako rýchlosť svetla.

2. Rýchlosť fotónu v akejkoľvek látke je menšia ako rýchlosť svetla.

3. Rýchlosť fotónu sa vždy rovná rýchlosti svetla.

4. Rýchlosť fotónu je väčšia alebo rovná rýchlosti svetla.

5. Rýchlosť fotónu v akejkoľvek látke je menšia alebo rovná rýchlosti svetla.

789.Fotóny žiarenia majú veľký impulz

Modrá.

790. Pri znižovaní teploty ohrievaného telesa je maximálna intenzita žiarenia

Obsah článku

ELEKTRON, elementárna častica so záporným elektrickým nábojom, ktorá je súčasťou všetkých atómov, a teda každej bežnej látky. Je to najľahšia z elektricky nabitých častíc. Elektróny sa podieľajú takmer na všetkých elektrických javoch. V kove nie sú niektoré elektróny viazané na atómy a môžu sa voľne pohybovať, vďaka čomu sú kovy dobrými vodičmi elektriny. V plazme, t.j. ionizovaného plynu, kladne nabité atómy sa tiež voľne pohybujú, ale keďže majú oveľa väčšiu hmotnosť, pohybujú sa oveľa pomalšie ako elektróny, a preto prispievajú k elektrický prúd. Elektrón sa pre svoju nízku hmotnosť ukázal ako častica, ktorá sa najviac podieľa na rozvoji kvantovej mechaniky, čiastočnej teórie relativity a ich zjednocovania – relativistickej kvantovej teórie poľa. Predpokladá sa, že rovnice, ktoré opisujú správanie elektrónov za všetkých reálne uskutočniteľných fyzikálnych podmienok, sú teraz úplne známe. (Je pravda, že riešenie týchto rovníc pre systémy obsahujúce veľké množstvo elektróny ako napr pevný a kondenzovaných látok, stále spôsobuje ťažkosti.)

Všetky elektróny sú identické a riadia sa štatistikou Fermi-Dirac. Táto okolnosť je vyjadrená Pauliho princípom, podľa ktorého nemôžu byť dva elektróny v rovnakom kvantovom stave. Jedným z dôsledkov Pauliho princípu je, že stavy najslabšie viazaných elektrónov - valenčných elektrónov, ktoré určujú chemické vlastnosti atómy – závisia od atómového čísla (čísla náboja), ktoré rovná sa číslu elektróny v atóme. Atómové číslo sa tiež rovná náboju jadra, vyjadrenému v jednotkách protónového náboja e. Ďalším dôsledkom je, že elektrónové „oblaky“, ktoré obalujú jadrá atómov, odolávajú ich prekrývaniu, v dôsledku čoho má bežná hmota tendenciu zaberať určitý priestor. Ako sa na elementárnu časticu patrí, počet hlavných charakteristík elektrónu je malý, konkrétne hmotnosť ( m e» 0,51 MeV » 0,91 H 10 – 27 g), nabíjanie (- e" - 1,6 H 10 – 19 Kl) a odstreďovanie (1/2 ћ » 1/ 2 H 0,66 H 10 –33 JH s, kde je Planckova konštanta h, delené 2 p). Prostredníctvom nich sú vyjadrené všetky ostatné charakteristiky elektrónu, napríklad magnetický moment (» 1,001 m 3 » 1,001H 0,93H 10 –23 J/T), s výnimkou dvoch ďalších konštánt charakterizujúcich slabú interakciu elektrónov ( cm. nižšie).

Prvé náznaky, že elektrina nie je kontinuálny tok, ale prenáša sa v diskrétnych častiach, boli získané v experimentoch s elektrolýzou. Výsledkom bol jeden z Faradayových zákonov (1833): náboj každého iónu sa rovná celočíselnému násobku náboja elektrónu, teraz nazývaného elementárny náboj e. Názov „elektrón“ pôvodne označoval tento elementárny náboj. Elektrón v modernom zmysle slova objavil J. Thomson v roku 1897. Vtedy už bolo známe, že počas elektrického výboja v riedkom plyne sa objavujú „katódové lúče“, ktoré nesú záporný elektrický náboj a vychádzajú z katódy ( záporne nabitá elektróda) ​​k anóde (kladne nabitá elektróda). Thomson pri štúdiu vplyvu elektrických a magnetických polí na zväzok katódových lúčov dospel k záveru: ak predpokladáme, že zväzok pozostáva z častíc, ktorých náboj nepresahuje elementárny náboj ióny e, potom bude hmotnosť takýchto častíc tisíckrát menšia ako hmotnosť atómu. (Hmotnosť elektrónu je skutočne približne 1/1837 hmotnosti najľahšieho atómu, vodíka.) Krátko predtým už H. Lorentz a P. Zeeman získali dôkazy, že elektróny sú súčasťou atómov: štúdie efektu magnetického poľa na atómovom spektre (Zeemanov efekt) ukázali, že nabité častice v atóme, vďaka prítomnosti ktorých svetlo interaguje s atómom, majú rovnaký pomer náboja k hmotnosti, aký stanovil Thomson pre častice katódového žiarenia .

Prvý pokus popísať správanie elektrónu v atóme bol spojený s Bohrovým modelom atómu (1913). Myšlienka vlnovej povahy elektrónu, ktorú predložil L. de Broglie (1924) (a experimentálne potvrdili K. Davisson a L. Germer v roku 1927), slúžila ako základ vlnová mechanika, vyvinutý E. Schrödingerom v roku 1926. Zároveň na základe analýzy atómových spektier S. Goudsmit a J. Uhlenbeck (1925) dospeli k záveru, že elektrón má spin. Prísnu vlnovú rovnicu pre elektrón získal P. Dirac (1928). Diracova rovnica je v súlade s parciálnou teóriou relativity a adekvátne popisuje spin a magnetický moment elektrónu (bez zohľadnenia radiačných korekcií).

Diracova rovnica znamenala existenciu ďalšej častice - kladného elektrónu alebo pozitrónu s rovnakými hodnotami hmotnosti a spinu ako elektrón, ale s opačným znamienkom elektrického náboja a magnetického momentu. Formálne Diracova rovnica umožňuje existenciu elektrónu s celkovou energiou jedného z nich mс 2 (mс 2 – pokojová energia elektrónu), alebo Ј – mс 2; neprítomnosť radiačných prechodov elektrónov do stavov s negatívnymi energiami by sa dala vysvetliť predpokladom, že tieto stavy sú už obsadené elektrónmi, takže podľa Pauliho princípu nie je miesto pre ďalšie elektróny. Ak sa z tohto Diracovho „more“ elektrónov s negatívnymi energiami odstráni jeden elektrón, výsledná elektrónová „diera“ sa bude správať ako kladne nabitý elektrón. Pozitrón objavil v kozmickom žiarení K. Anderson (1932).

Podľa modernej terminológie sú elektrón a pozitrón vo vzájomnom vzťahu antičastice. Podľa relativistickej kvantovej mechaniky pre častice akéhokoľvek druhu existujú zodpovedajúce antičastice (antičastica elektricky neutrálnej častice sa s ňou môže zhodovať). Jednotlivý pozitrón je stabilný ako elektrón, ktorého životnosť je nekonečná, pretože neexistujú žiadne ľahšie častice s nábojom elektrónu. V bežnej hmote sa však pozitrón skôr či neskôr spojí s elektrónom. (Na začiatku môžu elektrón a pozitrón krátko tvoriť „atóm“ nazývaný pozitrónium, podobný atómu vodíka, v ktorom pozitrón zohráva úlohu protónu.) Tento proces spájania sa nazýva elektrón-pozitrónová anihilácia; v ňom sa zachováva celková energia, hybnosť a moment hybnosti a elektrón a pozitrón sa premieňajú na gama kvantá alebo fotóny - zvyčajne sú dva. (Z pohľadu „mora“ elektrónov ide o radiačný prechod elektrónu do tzv. diery – neobsadeného stavu s negatívnou energiou.) Ak rýchlosti elektrónu a pozitrónu nie sú príliš vysoké , potom je energia každého z dvoch gama kvánt približne rovnaká mс 2. Toto charakteristické anihilačné žiarenie umožňuje detekciu pozitrónov. Napríklad také žiarenie bolo pozorované vychádzajúce zo stredu našej Galaxie. Opačný proces premeny elektromagnetickej energie na elektrón a pozitrón sa nazýva zrodenie elektrón-pozitrónového páru. Typicky sa vysokoenergetické gama žiarenie „premení“ na takýto pár, keď letí blízko atómové jadro(elektrické pole jadra je nevyhnutné, keďže premena jedného fotónu na elektrón-pozitrónový pár by porušila zákony zachovania energie a hybnosti). Ďalším príkladom je rozpad prvého excitovaného stavu jadra 16O, izotopu kyslíka.

Emisia elektrónov je sprevádzaná jedným z typov rádioaktivity jadier. Toto je beta rozpad - proces spôsobený slabá interakcia, pri ktorej sa neutrón v pôvodnom jadre mení na protón. Názov rozpadu pochádza z názvu „lúče beta“, historicky priradené k jednému z typov rádioaktívneho žiarenia, ktoré, ako sa ukázalo, sú rýchle elektróny. Energia elektrónov tohto žiarenia nemá pevnú hodnotu, keďže (v súlade s hypotézou prednesenou E. Fermim) pri beta rozpade dochádza k emisii ďalšej častice – neutrína, ktoré odnáša časť energie uvoľnenej pri jadrovej transformácie. Základný proces je:

Neutron ® protón + elektrón + antineutríno.

Emitovaný elektrón nie je obsiahnutý v neutróne; objavenie sa elektrónu a antineutrína predstavuje „zrodenie páru“ z energie a elektrického náboja uvoľneného počas jadrovej transformácie. Existuje aj beta rozpad s emisiou pozitrónov, pri ktorom sa protón v jadre premení na neutrón. Podobné transformácie môžu nastať aj v dôsledku absorpcie elektrónov; príslušný proces sa nazýva TO- zachytiť. Elektróny a pozitróny sú emitované počas beta rozpadu iných častíc, ako sú mióny.

Úloha vo vede a technike.

Rýchle elektróny sú široko používané v moderná veda a technológie. Používajú sa na získanie elektromagnetického žiarenia napríklad röntgenové lúče, ktoré vznikajú v dôsledku interakcie rýchlych elektrónov s hmotou, a na tvorbu synchrotrónového žiarenia, ku ktorému dochádza, keď sa pohybujú v silnom magnetickom poli. Urýchlené elektróny sa používajú priamo napríklad v elektrónovom mikroskope, alebo pri vyšších energiách na sondovanie jadier. (V takýchto štúdiách bola objavená kvarková štruktúra jadrových častíc.) Elektróny a pozitróny s ultravysokými energiami sa používajú v elektrón-pozitrónových skladovacích prstencoch – zariadeniach podobných urýchľovačom častíc. Zásobné krúžky vďaka svojej anihilácii umožňujú získať elementárne častice s veľmi veľkou hmotnosťou s vysokou účinnosťou.

PREDNÁŠKA 1.ELEKTRICKÉ POLE, JEHO CHARAKTERISTIKA. GAUSSOVA TEORÉMA

Úvahu o tejto téme začíname konceptom základných foriem hmoty: substancie a poľa.

Všetky látky, jednoduché aj zložité, sú tvorené molekulami a molekuly sú tvorené atómami.

Molekula- najmenšia častica látky, ktorá si zachováva svoje chemické vlastnosti.

Atom- najmenšia častica chemického prvku, ktorá si zachováva svoje vlastnosti. Atóm pozostáva z kladne nabitého jadra, ktoré zahŕňa protóny a neutróny (nukleóny) a záporne nabité elektróny umiestnené na obaloch okolo jadra v rôznych vzdialenostiach od neho. Ak hovoria, že atóm je elektricky neutrálny, znamená to, že počet elektrónov na obaloch sa rovná počtu protónov v jadre, pretože neutrón nemá náboj.

Elektrický náboj– fyzikálna veličina, ktorá určuje intenzitu elektromagnetickej interakcie. Označuje sa náboj častice q a meria sa v Kl (Coulomb) na počesť francúzskeho vedca Charlesa Coulomba. Elektrón má elementárny (nedeliteľný) náboj, jeho náboj sa rovná q e = -1,610 -19 C. Náboj protónu sa v absolútnej hodnote rovná náboju elektrónu, t.j. q p = 1,610 -19 C, preto existujú kladné a záporné elektrické náboje. Navyše ako náboje odpudzujú a na rozdiel od nábojov priťahujú.

Ak je telo nabité, znamená to, že v ňom prevládajú náboje s jedným znamienkom („+“ alebo „-“ v elektricky neutrálnom tele je počet nábojov „+“ a „-“ rovnaký).

Náboj je vždy spojený s nejakým druhom častice. Existujú častice, ktoré nemajú elektrický náboj (neutrón), ale bez častice nie je náboj.

Pojem elektrického poľa je neoddeliteľne spojený s pojmom elektrický náboj. Existuje niekoľko typov polí:

elektrostatické pole je elektrické pole stacionárnych nabitých častíc;

elektrické pole je hmota, ktorá obklopuje nabité častice, je s nimi neoddeliteľne spojená a pôsobí silou na elektricky nabité teleso privedené do priestoru vyplneného týmto typom hmoty;

magnetické pole je hmota, ktorá obklopuje akékoľvek pohybujúce sa nabité teleso;

Elektromagnetické pole je charakterizované dvoma vzájomne prepojenými stranami - zložkami: magnetickým poľom a elektrickou, ktoré sú identifikované silou pôsobiacou na nabité častice alebo telesá.

Ako zistiť, či v danom bode priestoru existuje elektrické pole alebo nie? Nemôžeme sa poľa dotknúť, vidieť ho ani cítiť. Na určenie existencie poľa je potrebné zaviesť skúšobný (bodový) elektrický náboj q 0 do ľubovoľného bodu v priestore.

Poplatok sa volá bod, ak sú jeho lineárne rozmery veľmi malé v porovnaní so vzdialenosťou k tým bodom, v ktorých je určené jeho pole.

Nech je pole vytvorené kladným nábojom q. Na určenie veľkosti poľa tohto náboja je potrebné zaviesť skúšobný náboj q 0 do ľubovoľného bodu v priestore obklopujúcom tento náboj. Potom z elektrického poľa náboja +q bude na náboj q 0 pôsobiť určitá sila.

Túto silu je možné určiť pomocou Coulombov zákon: veľkosť sily, ktorou na každé z dvoch bodových telies pôsobí ich spoločné elektrické pole, je úmerná súčinu nábojov týchto telies, nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi a závisí od prostredia, v ktorom tieto telesá telá sa nachádzajú:

F = q 1  q 2 /4  0 r 2 ,

kde 1/4 0 = k = 910 9 Nm 2 /Cl 2;

q 1, q 2 – náboje častíc;

r – vzdialenosť medzi časticami;

 0 – absolútna dielektrická konštanta vákua (elektrická konštanta, rovná:  0 = 8,8510 -12 F/m);

 je absolútna dielektrická konštanta média, ktorá ukazuje, koľkokrát je elektrické pole v médiu menšie ako vo vákuu.