Квантування електричного заряду

Будь-який електричний заряд, що спостерігається в експерименті, завжди кратний елементарному- таке припущення було висловлено Б. Франкліном в 1752 і надалі неодноразово перевірялося експериментально. Вперше заряд був експериментально виміряний Міллікеном у 1910 році.

Той факт, що електричний заряд зустрічається у природі лише у вигляді цілого числа елементарних зарядів, можна назвати квантуванням електричного заряду. При цьому в класичній електродинаміці питання причин квантування заряду не обговорюється, оскільки заряд є зовнішнім параметром, а не динамічною змінною. Задовільного пояснення, чому заряд повинен квантуватися, доки знайдено, проте вже отримано низку цікавих спостережень.

• Якщо в природі існує магнітний монополь, то, згідно з квантовою механікою, його магнітний заряд повинен знаходитися у певному співвідношенні із зарядом будь-якої обраної елементарної частки. Звідси автоматично випливає, що тільки існування магнітного монополя тягне за собою квантування заряду. Однак виявити в природі магнітний монополь поки що не вдалося.
• У сучасній фізиці елементарних частинок розробляються моделі на кшталт преонної, у яких усі відомі фундаментальні частинки виявлялися б простими комбінаціями нових, ще більш фундаментальних частинок. У цьому випадку квантування заряду часток, що спостерігаються, не видається дивним, оскільки воно виникає «по побудові».
• Не виключено також, що всі параметри частинок, що спостерігаються, будуть описані в рамках єдиної теорії поля , підходи до якої розробляються в даний час. У таких теоріях величина електричного заряду частинок повинна обчислюватися з вкрай невеликої кількості фундаментальних параметрів, можливо пов'язаних зі структурою простору-часу на надмалих відстанях. Якщо така теорія буде побудована, то те, що ми спостерігаємо як елементарний електричний заряд, виявиться деяким дискретним інваріантом простору-часу. Проте, конкретних загальноприйнятих результатів у цьому напрямі поки що не отримано.

Дробний електричний заряд

також

Примітки

Wikimedia Foundation. 2010 .

• Електричний заряд
• Заряд

Дивитись що таке "Елементарний електричний заряд" в інших словниках:

Вся матерія складається із елементів. Але чому все навколо нас так відрізняється? Відповідь пов'язана з крихітними частинками. Їх називають протонами. На відміну від електронів, мають негативний заряд, ці елементарні частинки мають позитивний заряд. Що це за частки та як вони працюють?

Протони скрізь

Яка елементарна частка має позитивний заряд? Все, чого можна торкнутися, побачити та відчути, складається з атомів, найменших будівельних блоків, з яких складаються тверді тіла, рідини та гази. Вони надто малі, щоб їх можна було розглянути уважніше, але з них складаються такі речі, як ваш комп'ютер, вода, яку ви п'єте, і навіть повітря, яким ви дихаєте. Існує багато типів атомів, включаючи атоми кисню, азоту та заліза. Кожен із цих типів називається елементами.



Деякі з них – це гази (кисень). Елемент нікелю має сріблястий колір. Існують й інші особливості, які відрізняють ці найдрібніші частинки одна від одної. Що насправді робить ці елементи різними? Відповідь проста: їх атоми мають різну кількість протонів. Ця елементарна частка має позитивний заряд і знаходиться всередині центру атома.



Усі атоми унікальні

Атоми дуже схожі, але різна кількість протонів робить їх унікальним типом елемента. Наприклад, атоми кисню мають 8 протонів, атоми водню мають лише 1, а атоми золота - 79. Можна багато розповісти про атом, просто підрахувавши його протони. Ці елементарні частинки знаходяться у самому ядрі. Спочатку вважалося, що вони є фундаментальною часткою, проте недавні дослідження показали, що протони складаються з дрібніших інгредієнтів – кварків.



Що таке протон?

Яка елементарна частка має позитивний заряд? Це протон. Так називають субатомну частинку, яка є у ядрі кожного атома. Фактично кількість протонів у кожному атомі – це атомний номер. Донедавна він вважався фундаментальною часткою. Однак нові технології призвели до відкриття того, що протон складається з менших частинок, які називають кварками. Кварк - фундаментальна частка матерії, яка нещодавно була виявлена.



Звідки беруться протони?

Елементарна частка, що має позитивний заряд, називається протоном. Ці елементи можуть утворюватися внаслідок появи нестійких нейтронів. Через приблизно 900 секунд нейтрон, що відскочив від ядра, розпадеться на інші елементарні частинки атома: протон, електрон і антинейтрино.



На відміну від нейтрону, вільний протон стабільний. Коли вільні протони взаємодіють один з одним, вони утворюють Наше сонце, як і більшість інших зірок у Всесвіті, здебільшого складається з водню. Протон – це найменша елементарна частка, яка має заряд +1. Електрон має заряд -1, а нейтрон немає заряду зовсім.



Субатомні частинки: місце розташування та заряд

Елементи характеризуються своєю складовою із субатомних елементарних частинок: протонів, нейтронів і електронів. Перші дві групи знаходяться в ядрі (центрі) атома та мають масу одиниці атомної маси. Електрони знаходяться за межами ядра, у зонах, які називаються «оболонками». Вони майже нічого не важать. При розрахунку атомної маси звертається лише на протони і нейтрони. Маса атома є їх сумою.



Підсумовуючи атомну масу всіх атомів у молекулі, можна оцінити молекулярну масу, що виражається в одиницях атомної маси (так званих дальтонах). Кожна з важких частинок (нейтрон, протон) важить одну атомну масу, тому атом гелію (He), який має два протони, два нейтрони і два електрони, важить близько чотирьох одиниць атомної маси (два протони плюс два нейтрони). На додаток до місця розташування та маси кожна субатомна частка має властивість, звану «зарядом». Він може бути "позитивним" або "негативним".

Елементи з однаковим зарядом схильні відбивати одне одного, а предмети із протилежними зарядами схильні залучати одне одного. Яка елементарна частка має позитивний заряд? Це протон. Нейтрони немає заряду зовсім, що дає ядру загальний позитивний заряд. Кожен електрон має негативний заряд, який дорівнює силі позитивному заряду протона. Електрони і протони ядра притягуються один до одного, і це сила, яка утримує атом разом, подібно до силі гравітації, яка утримує Місяць на орбіті навколо Землі.



Стабільна субатомна частка

Яка елементарна частка має позитивний заряд? Відповідь відома: протон. До того ж він дорівнює за величиною одиниці заряду електрона. Однак маса його у стані спокою становить 1,67262 × 10 -27 кг, що у 1836 разів більше за масу електрона. Протони разом із електрично нейтральними частинками, званими нейтронами, становлять все атомні ядра, крім водню. Кожне ядро ​​даного хімічного елементамає таку ж кількість протонів. Атомний номер цього елемента визначає його положення в періодичній таблиці.



Відкриття протону

Елементарна частка, що має позитивний заряд, - це протон, відкриття якого датується ранніми дослідженнями атомної структури. При вивченні потоків іонізованих газоподібних атомів і молекул, з яких були видалені електрони, було визначено позитивну частинку, що дорівнює масі атома водню. (1919) показав, що азот при бомбардуванні альфа-частинками викидає те, що здається воднем. До 1920 він виділив з ядер водню елементарну частинку, назвавши її протоном.



Високоенергетичні дослідження фізики частинок наприкінці ХХ століття удосконалили структурне розуміння природи протона всередині групи субатомних частинок. Було показано, що протони та нейтрони складаються з дрібніших частинок і класифікуються як баріони - частинки, що складаються з трьох елементарних одиниць речовини, відомих як кварки.



Субатомна частка: до великої єдиної теорії

Атом є малою частиною матерії, яка є конкретним елементом. Деякий час вважалося, що він був найменшою частиною матерії, яка могла існувати. Але в наприкінці XIXстоліття і на початку ХХ вчені виявили, що атоми складаються з певних субатомних частинок і що незалежно від того, який елемент, самі субатомні частинки становлять атом. Число різних субатомних частинок – єдине, що змінюється.



Вчені тепер визнають, що є багато субатомних частинок. Але для того, щоб бути успішним у хімії, вам дійсно потрібно мати справу лише з трьома основними: протонами, нейтронами та електронами. Матерія може бути електрично заряджена одним із двох способів: позитивним або негативним.

Як елементарна частка, що має позитивний заряд, називається? Відповідь проста: протон, саме він несе одну одиницю позитивного заряду. А завдяки наявності негативно заряджених електронів сам атом є нейтральним. Іноді деякі атоми можуть отримати або втратити електрони та отримати заряд. У цьому випадку їх називають іонами.



Елементарні частки атома: упорядкована система

Атом має систематичну та впорядковану структуру, що забезпечує стабільність та відповідає за всілякі властивості матерії. Вивчення цих почалося понад сто років тому, і до теперішнього часу ми вже багато знаємо про них. вчені з'ясували, що більшість атома порожня і малонаселена «електронами». Вони є негативно зарядженими легкими частинками, які обертаються навколо центральної важкої частини, що становить 99,99% від усієї маси атома. З'ясувати природу електронів було простіше, проте після численних геніальних досліджень стало відомо, що ядро ​​включає позитивні протони і нейтральні нейтрони.



Кожна одиниця у Всесвіті складається з атомів

Ключ до розуміння більшості властивостей матерії полягає в тому, що кожна одиниця в нашому Всесвіті складається з атомів. Існує 92 природні типи атомів, і вони утворюють молекули, сполуки та інші типи речовин для створення складного світу навколо нас. Хоча назва «атом» була отримана від грецького словаátomos, що означає «неподільне», сучасна фізика показала, що він не є кінцевим будівельним блоком матерії та справді «ділиться» на субатомні частинки. Вони є реальними фундаментальними сутностями, у тому числі складається весь світ.

719. Закону збереження електричного заряду

720. Тіла, що мають електричні заряди різного знаку, …

Притягуються один до одного.

721.Одінакові металеві кульки, заряджені різноіменно зарядами q 1 =4q і q 2 = -8q привели в дотик і розсунули на колишню відстань. Кожна з кульок має заряд

q 1 =-2q і q 2 = -2q

723.Крапля, що має позитивний заряд (+2е), при освітленні втратила один електрон. Заряд краплі став рівний

724.Одінакові металеві кульки, заряджені зарядами q 1 = 4q , q 2 = - 8q і q 3 = - 2q привели в дотик і розсунули на колишню відстань. Кожна з кульок матиме заряд

q 1 = - 2q, q 2 = - 2q і q 3 = - 2q

725.Одінакові металеві кульки, заряджені зарядами q 1 = 5q і q 2 = 7q привели в дотик і розсунули на колишню відстань, а потім привели в дотик другий і третій кулька з зарядом q 3 =-2q і розсунули на колишню відстань. Кожна з кульок матиме заряд

q 1 = 6q, q 2 = 2q і q 3 = 2q

726.Одінакові металеві кульки, заряджені зарядами q 1 = - 5q і q 2 = 7q привели в дотик і розсунули на колишню відстань, а потім привели в дотик другу і третю кульку з зарядом q 3 = 5q і розсунули на колишню відстань. Кожна з кульок матиме заряд

q 1 =1q, q 2 = 3q і q 3 = 3q

727. Є чотири однакові металеві кульки із зарядами q 1 = 5q, q 2 = 7q, q 3 = -3q і q 4 = -1q . Спочатку привели в дотик і розсунули на колишню відстань заряди q 1 і q 2 (1 система зарядів), а потім привели в дотик заряди q 4 і q 3 (2-а система зарядів). Потім взяли по одному заряду системи 1 і 2 і їх прищепили в дотик і розсунули на колишню відстань. Ці дві кульки матимуть заряд

728. Є чотири однакові металеві кульки із зарядами q 1 = -1q, q 2 = 5q, q 3 = 3q і q 4 = -7q . Спочатку привели до зіткнення і розсунули на колишню відстань заряди q 1 і q 2 (1 система зарядів), а потім привели до зіткнення заряди q 4 і q 3 (2 система зарядів). Потім взяли по одному заряду системи 1 і 2 і їх привели в дотик і розсунули на колишню відстань. Ці дві кульки матимуть заряд

729.В атомі позитивний заряд має

Ядро.

730.Навколо ядра атома кисню рухається 8 електронів. Число протонів в ядрі атома кисню дорівнює

731.Електричний заряд електрона дорівнює

-1,6 · 10 -19 Кл.

732. Електричний заряд протона дорівнює

1,6 · 10 -19 Кл.

733.Ядро атома літію містить 3 протони. Якщо навколо ядро ​​обертається 3 електрони, то

Атом електрично нейтральний.

734.В ядрі фтору 19 частинок, їх 9 протонів. Кількість нейтронів у ядрі та кількість електронів у нейтральному атом фтору





Нейтронів та 9 електронів.

735.Якщо в якому-небудь тілі число протонів більше за кількість електронів, то тіло в цілому

Заряджено позитивно.

736.Крапля, що має позитивний заряд +3е при опроміненні втратила 2 електрони. Заряд краплі став рівний

8 · 10 -19 Кл.

737. Негативний заряд в атомі несе

Оболонка.

738.Якщо атомом кисню, перетворився на позитивний іон, то він

Втратив електрон.

739.Велику масу має

Негативний іон водню.

740.В результаті тертя з поверхні скляної палички було видалено 5 10 10 електронів. Електричний заряд на паличці

(Е = -1.6 · 10 -19 Кл)

8 · 10 -9 Кл.

741.В результаті тертя ебонітова паличка отримала 5 · 10 10 електронів. Електричний заряд на паличці

(Е = -1.6 · 10 -19 Кл)

-8 · 10 -9 Кл.

742.Сила кулонівської взаємодії двох точкових електричних зарядів при зменшенні відстані між ними у 2 рази

Збільшиться у 4 рази.

743.Сила кулонівської взаємодії двох точкових електричних зарядів при зменшенні відстані між ними у 4 рази

Збільшиться у 16 ​​разів.

744.Два точкові електричні заряди діють один на одного за законом Кулона з силою 1Н. Якщо відстань між ними збільшити вдвічі, то сила кулонівської взаємодії цих зарядів стане рівною

745.Два точкові заряди діють один на одного з силою в 1Н. Якщо величину кожного із зарядів збільшити у 4 рази, то сила кулонівської взаємодії стане рівною

746.Сила взаємодії двох точкових зарядів 25 Н. Якщо відстань між ними зменшити у 5 разів, то сила взаємодії цих зарядів стане рівною

747.Сила кулонівської взаємодії двох точкових зарядів зі збільшенням відстані між ними в 2 рази

Зменшиться у 4 рази.

748.Сила кулонівської взаємодії двох точкових електричних зарядів зі збільшенням відстані між ними в 4 рази





Зменшиться у 16 ​​разів.

749. Формула закону Кулону

.

750.Якщо 2 однакові металеві кулі, що мають заряди +q і +q привести в дотик і розсунути на колишню відстань, то модуль сили взаємодії

Чи не зміниться.

751.Якщо 2 однакові металеві кулі, що мають заряди +q і -q, кулі привести в дотик і розсунути на колишню відстань, то сила взаємодії

Стане рівною 0.

752.Два заряди взаємодіють у повітрі. Якщо їх помістити у воду (ε = 81), не змінюючи відстань між ними, то сила кулонівської взаємодії

Зменшиться у 81раз.

753.Сила взаємодії двох зарядів по 10 нКл, що знаходиться в повітрі на відстані 3 см один від одного, дорівнює

()

754.Заряди 1 мкКл та 10 нКл взаємодіють у повітрі з силою 9 мН на відстані

()

755. Два електрони, що знаходяться один від одного на відстані 3 · 10 -8 см відштовхуються з силою ( ; е = - 1.6 · 10 -19 Кл)

2,56 · 10 -9 Н.

756.При збільшенні відстані від заряду в 3 рази, модулю напруженість електричного поля

Зменшиться у 9 разів.

757.Напруженість поля у точці дорівнює 300 Н/Кл. Якщо заряд дорівнює 1 10 -8 Кл, то відстань до точки

()

758. Якщо відстань від точкового заряду, що створює електричне поле, збільшиться в 5 разів, то напруженість електричне поле

Зменшиться у 25 разів.

759.Напруженість поля точкового заряду в деякій точці 4 Н/Кл. Якщо відстань від заряду збільшити в 2 рази, то напруженість дорівнюватиме

760.Вкажіть формулу напруженості електричного поля у загальному випадку.

761.Математичний запис принципу суперпозиції електричних полів



762.Вкажіть формулу напруженості точкового електричного заряду Q

.

763.Модуль напруженості електричного поля в точці, де знаходиться заряд

1·10 -10 Кл дорівнює 10 В/м. Cила, що діє на заряд, дорівнює

1 · 10 -9 Н.

765.Якщо на поверхні металевої кулі радіусом 0,2 м, розподілений заряд 4 · 10 -8 Кл, то щільність заряду

2,5 · 10 -7 Кл/м 2 .

766.У вертикально спрямованому однорідному електричному полі знаходиться порошинка масою 1·10 -9 г і зарядом 3,2·10-17 Кл. Якщо сила тяжіння порошинки врівноважена силою електричного поля, то напруженість поля дорівнює

3·10 5 Н/Кл.

767.У трьох вершинах квадрата зі стороною 0,4 м знаходяться однакові позитивні заряди по 5 10 -9 Кл. Знайти напруженість у четвертій вершині

() 540 Н/Кл.

768.Якщо два заряди 5·10 -9 і 6·10 -9 Кл, щоб вони відштовхуються із силою 12·10 -4 Н, то вони знаходяться на відстані

768. Якщо модуль точкового заряду зменшити в 2 рази і відстань до заряду зменшити в 4 рази, то напруженість електричного поля в даній точці

Збільшиться у 8 разів.

Зменшується.

770.Виробництво заряду електрона на потенціал має розмірність

Енергія.

771. Потенціал у точці А електричного поля дорівнює 100В, потенціал у точці В дорівнює 200В. Робота, яку здійснюють сили електричного поля при переміщенні заряду 5мКл з точки А до точки В дорівнює

-0,5 Дж.

772.Частина із зарядом +q і масою m, що знаходиться в точках електричного поля з напруженістю Е і потенціалом, має прискорення

773. Електрон рухається в однорідному електричному полі вздовж лінії напруженості з точки з більшим потенціалом в точку з меншим потенціалом. Його швидкість при цьому

Збільшується.

774. Атом, що має в ядрі один протон, втрачає один електрон. При цьому утворюється

Іон водню.

775.Електричне поле у ​​вакуумі створено чотирма точковими позитивними зарядами, розміщеними у вершинах квадрата стороною а. Потенціал у центрі квадрата дорівнює

776. Якщо відстань від точкового заряду зменшиться в 3 рази, то потенціал поля

Збільшиться у 3 рази.

777.При переміщенні точкового електричного заряду q між точками з різницею потенціалів 12 В виконано роботу 3 Дж. При цьому переміщено заряд

778.Заряд q перемістили з точки електростатичного поляв точку з потенціалом. За якою з наведених формул:

1) 2) ; 3) можна знайти роботу з переміщення заряду.

779.В однорідному електричному полі напруженістю 2 Н/Кл переміщається вздовж силових ліній поля заряд 3 Кл на відстані 0,5 м. Робота сил електричного поля з переміщення заряду дорівнює

780.Електричне поле створено чотирма точковими різноіменними зарядами, розміщеними у вершинах квадрата зі стороною а. Однойменні заряди перебувають у протилежних вершинах. Потенціал у центрі квадрата дорівнює

781. Різниця потенціалів між точками, що лежать на одній силової лініїна відстані 6 см один від одного, дорівнює 60 В. Якщо поле однорідне, то його напруженість дорівнює

782. Одиниця різниці потенціалів

1 В = 1 Дж/1 Кл.

783.Нехай заряд перемістився в однорідному полі з напруженістю E=2 В/м вздовж силової лінії 0,2 м. Знайти різницю між цими потенціалами.

U = 0,4 ст.

784. Згідно з гіпотезою Планка абсолютно чорне тіло випромінює енергію

порціями.

785. Енергію фотона визначає 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. Якщо енергія кванта збільшилася в 2 рази, то частота випромінювання

збільшилася у 2 рази.

787. Якщо фотони з енергією 6 еВ падають на поверхню вольфрамової пластини, то максимальна кінетична. Енергія вибитих ними електронів дорівнює 1,5 еВ. Мінімальна енергія фотонів, за якої можливий фотоефект, для вольфраму дорівнює:

788.Правильно затвердження:

1. Швидкість фотона більша за швидкість світла.

2. Швидкість фотона в будь-якій речовині менша за швидкість світла.

3. Швидкість фотона завжди дорівнює швидкості світла.

4. Швидкість фотона більша або дорівнює швидкості світла.

5. Швидкість фотона в будь-якій речовині менша або дорівнює швидкості світла.

789.Великий імпульс мають фотони випромінювання

Синього.

790.При зменшенні температури нагрітого тіла максимум інтенсивності випромінювання

Зміст статті

ЕЛЕКТРОН,елементарна частка з негативним електричним зарядом, що входить до складу всіх атомів, а отже, і будь-якої звичайної речовини. Це – найлегша з електрично заряджених частинок. Електрони беруть участь у всіх електричних явищах. У металі частина електронів не пов'язана з атомами і може вільно переміщатися, завдяки чому метали добре проводять електрику. у плазмі, тобто. іонізованому газі, позитивно заряджені атоми також переміщаються вільно, але, маючи набагато більшу масу, рухаються значно повільніше електронів, а тому вносять менший внесок у електричний струм. Завдяки малій масі електрон виявився часткою, найбільш залученою до розвитку квантової механіки, приватної теорії відносності та їх об'єднання – релятивістську квантову теорію поля. Вважається, що в даний час повністю відомі рівняння, що описують поведінку електронів у всіх реально фізичних умовах. (Щоправда, розв'язання цих рівнянь для систем, що містять велика кількістьелектронів, таких, як тверде тілоі конденсоване середовище, все ще пов'язане з труднощами.)

Усі електрони тотожні і підпорядковуються статистиці Фермі - Дірака. Ця обставина виражається в принципі Паулі, згідно з яким два електрони не можуть перебувати в тому самому квантовому стані. Один із наслідків принципу Паулі полягає в тому, що стани найслабше пов'язаних електронів – валентних електронів, що визначають хімічні властивостіатомів – залежать від атомного номера (зарядового числа), який дорівнює числуелектронів у атомі. Атомний номер дорівнює також заряду ядра, вираженому в одиницях заряду протону е. Інше слідство полягає в тому, що електронні «хмари», що огортають ядра атомів, опираються їх перекриттю, внаслідок чого звичайна речовина має властивість займати певний простір. Як і належить елементарній частинці, кількість основних характеристик електрона невелика, а саме маса ( m e» 0,51 МеВ » 0,91Ч 10 -27 г), заряд (- e» - 1,6Ч 10 -19 Кл) та спин (1 / 2 ћ » 1/ 2 Ч 0,66Ч 10 -33 ДжЧ с, де - Постійна Планка h, поділена на 2 p). Через них виражаються інші характеристики електрона, наприклад магнітний момент (» 1,001 m 3 » 1,001Ч 0,93Ч 10 -23 Дж/Тл), за винятком ще двох констант, що характеризують слабку взаємодію електронів ( см. нижче).

Перші вказівки на те, що електрика не є безперервним потоком, а переноситься дискретними порціями, були отримані в дослідах електролізу. Результатом став один із законів Фарадея (1833): заряд кожного іона дорівнює цілому кратному заряду електрона, званого нині елементарним зарядом е. Найменування «електрон» спочатку стосувалося цього елементарного заряду. Електрон ж у сучасному значенні слова був відкритий Дж. Томсоном в 1897. Тоді було вже відомо, що при електричному розряді в розрідженому газі виникають «катодні промені», що несуть негативний електричний заряд і йдуть від катода (негативно зарядженого електрода) до анода (позитивно зарядженого) електроду). Досліджуючи вплив електричного та магнітного полів на пучок катодних променів, Томсон дійшов висновку: якщо припустити, що пучок складається з частинок, заряд яких не перевищує елементарного зарядуіонів е, то маса таких частинок буде у тисячі разів менша за масу атома. (Дійсно, маса електрона становить приблизно 1/1837 маси найлегшого атома, водню.) Незадовго до цього Х.Лоренц і П.Зееман вже отримали докази того, що електрони входять до складу атомів: дослідження впливу магнітного поля на атомні спектри (ефект Зеємана) показали, що в заряджених частинок в атомі, завдяки наявності яких світло взаємодіє з атомом, відношення заряду до маси таке ж, як і встановлене Томсоном для часток катодних променів.

Перша спроба описати поведінку електрона у атомі пов'язані з моделлю атома Бора (1913). Уявлення про хвильову природу електрона, висунуте Л. де Бройлем (1924) (і підтверджене експериментально К. Девіссоном і Л. Джермером у 1927), послужило основою хвильової механіки, розробленої Е. Шредінгером в 1926. Одночасно на підставі аналізу атомних спектрів С. Гаудсмітом і Дж. Уленбеком (1925) було зроблено висновок про наявність у електрона спина. Суворе хвильове рівняння для електрона було отримано П.Діраком (1928). Рівняння Дірака узгоджується з приватною теорією відносності та адекватно описує спин та магнітний момент електрона (без урахування радіаційних поправок).

З рівняння Дірака випливало існування ще однієї частинки - позитивного електрона, або позитрона, з такими ж значеннями маси і спина, як у електрона, але з протилежним знаком електричного заряду та магнітного моменту. Формально рівняння Дірака допускає існування електрона з повною енергією або mс 2 (mс 2 – енергія спокою електрона), або Ј – mс 2; відсутність радіаційних переходів електронів у стани з негативними енергіями можна було пояснити, припустивши, що ці стани вже зайняті електронами, тож, згідно з принципом Паулі, для додаткових електронів немає місця. Якщо з цього дираківського «моря» електронів з негативними енергіями видалити один електрон, то електронна «дірка», що виникла, поводитиметься як позитивно заряджений електрон. Позитрон був виявлений у космічних променях К. Андерсоном (1932).

За сучасною термінологією електрон та позитрон є античастинками по відношенню один до одного. Відповідно до релятивістської квантової механіки, для частинок будь-якого виду існують відповідні античастинки (античастка електрично нейтральної частинки може збігатися з нею). Окремо взятий позитрон настільки ж стабільний, як і електрон, час життя якого нескінченно, оскільки немає більш легких частинок із зарядом електрона. Однак у звичайній речовині позитрон рано чи пізно з'єднується з електроном. (Спочатку електрон та позитрон можуть на короткий час утворити «атом», так званий позитроній, подібний до атома водню, в якому роль протона виконує позитрон.) Такий процес з'єднання називається електрон-позитронною анігіляцією; у ньому повна енергія, імпульс і момент імпульсу зберігаються, а електрон і позитрон перетворюються на гамма-кванти, або фотони, – зазвичай їх два. (З погляду «моря» електронів даний процес є радіаційний перехід електрона в так звану дірку – незайнятий стан з негативною енергією.) Якщо швидкості електрона і позитрона не дуже великі, то енергія кожного з двох гамма-квантів приблизно дорівнює mс 2 . Це характеристичне випромінювання анігіляції дозволяє виявляти позитрони. Спостерігалося, наприклад, таке випромінювання, що виходить із центру нашої Галактики. Зворотний процес перетворення електромагнітної енергії на електрон і позитрон називається народженням електрон-позитронної пари. Зазвичай гамма-квант із високою енергією «конвертується» в таку пару, пролітаючи поблизу атомного ядра(Електричне поле ядра необхідне, оскільки при перетворенні окремо взятого фотона на електрон-позитронну пару було б порушено закони збереження енергії та імпульсу). Ще один приклад - розпад першого збудженого стану ядра 16 О, ізотопу кисню.

Випусканням електронів супроводжується один із видів радіоактивності ядер. Це бета-розпад – процес, зумовлений слабкою взаємодією, При якому нейтрон у вихідному ядрі перетворюється на протон. Найменування розпаду походить від назви «бета-промені», історично привласненого одному з видів радіоактивних випромінювань, яке, як потім з'ясувалося, є швидкими електронами. Енергія електронів цього випромінювання не має фіксованого значення, оскільки (відповідно до гіпотези, висунутої Е.Фермі) при бета-розпаді вилітає ще одна частка - нейтрино, що забирає частину енергії, що виділяється при ядерному перетворенні. Основний процес такий:

Нейтрон ® протон + електрон + антинейтрино.

Електрон, що випускається, не міститься в нейтроні; Поява електрона і антинейтрино є «народження пари» з енергії та електричного заряду, що звільняються при ядерному перетворенні. Існує також бета-розпад з випромінюванням позитронів, при якому протон, що знаходиться в ядрі, перетворюється на нейтрон. Подібні перетворення можуть відбуватися в результаті поглинання електрона; відповідний процес називається До-захопленням. Електрони та позитрони випускаються при бета-розпаді та інших частинок, наприклад, мюонів.

Роль у науці та техніці.

Швидкі електрони широко застосовуються в сучасній науціта техніку. Вони використовуються для отримання електромагнітного випромінюваннянаприклад, рентгенівського, що виникає в результаті взаємодії швидких електронів з речовиною, і для генерації синхротронного випромінювання, що виникає при їх русі в сильному магнітному полі. Прискорені електрони застосовують і безпосередньо, наприклад, в електронному мікроскопі, або при більш високих енергіях – для зондування ядер. (У таких дослідженнях було виявлено кваркову структуру ядерних частинок.) Електрони та позитрони надвисоких енергій використовуються в електрон-позитронних накопичувальних кільцях – установках, аналогічних прискорювачам елементарних частинок. За рахунок їх анігіляції накопичувальні кільця дають змогу з високою ефективністю отримувати елементарні частинки з дуже великою масою.

лекція 1.ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ, ЄГОХАРАКТЕРИСТИКИ. ТЕОРЕМА ГАВСУ

Розгляд цієї теми починаємо з поняття про основні форми матерії: речовину та поле.

Усі речовини, як прості, і складні, складаються з молекул, а молекули – з атомів.

Молекула– найдрібніша частка речовини, яка зберігає її хімічні властивості.

атом- Найдрібніша частка хімічного елемента, яка зберігає його властивості. Атом складається з позитивно зарядженого ядра, до складу якого входять протони та нейтрони (нуклони), та негативно заряджених електронів, розташованих на оболонках навколо ядра на різній відстані від нього. Якщо кажуть, що атом електрично нейтральний, це означає, що число електронів на оболонках дорівнює числу протонів у ядрі, т.к. нейтрон заряду немає.

Електричний заряд- Фізична величина, що визначає інтенсивність електромагнітної взаємодії. Заряд частки позначається qта вимірюється в Кл (Кулон) на честь французького вченого Шарля Кулона. Елементарний (неподільний) заряд має електрон, його заряд дорівнює q е = -1,610 -19 Кл. Заряд протона по модулю дорівнює заряду електрона, тобто q р = 1,6 10 -19 Кл, отже, бувають позитивні та негативні електричні заряди. Причому однойменні заряди відштовхуються, а різноіменні – притягуються.

Якщо тіло заряджено, це означає, що в ньому переважають заряди якогось одного знака («+» або «-»), в електрично-нейтральному тілі число «+» і «-» зарядів дорівнює.

Заряд завжди пов'язаний із якоюсь часткою. Існують частинки, які не мають електричного заряду (нейтрон), але не існує заряду без частки.

З поняттям електричного заряду пов'язано нерозривно поняття електричного поля. Існує кілька видів полів:

електростатичне поле – це електричне поле заряджених нерухомих частинок;

електричне поле - це матерія, яка оточує заряджені частинки, нерозривно з ними пов'язана і впливає на електрично заряджене тіло, внесене в простір, заповнене цим видом матерії;

магнітне поле - це матерія, яка оточує будь-яке заряджене тіло, що рухається;

електромагнітне поле характеризується двома взаємозалежними сторонами – складовими: магнітним полем та електричним, які виявляються за силовим впливом на заряджені частинки або тіла.

Як визначити, чи існує електричне поле у ​​цій точці простору чи ні? Ми не можемо помацати поле, побачити його чи понюхати. Для визначення існування поля необхідно внести до будь-якої точки простору пробний (точковий) електричний заряд q 0 .

Заряд називається точковимякщо його лінійні розміри дуже малі в порівнянні з відстанню до тих точок, в яких визначається його поле.

Нехай поле створюється позитивним зарядом q. Для визначення величини поля цього заряду необхідно будь-яку точку простору, що оточує цей заряд, внести пробний заряд q 0 . Тоді з боку електричного поля заряду +q на заряд q 0 діятиме деяка сила.

Цю силу можна визначити, використовуючи закон Кулону: величина сили, з якою на кожен із двох точкових тіл діє їх загальне електричне поле, пропорційна добутку зарядів цих тіл, обернено пропорційна квадрату відстані між ними і залежить від середовища, в якому знаходяться ці тіла:

F = q 1  q 2 /4  0 r 2 ,

де 1/4 0 = k = 910 9 Нм 2 /Кл 2;

q 1 , q 2 - Заряди частинок;

r – відстань між частинками;

 0 – абсолютна діелектрична проникність вакууму (електрична постійна, рівна:  0 = 8,8510 -12 Ф/м);

 - абсолютна діелектрична проникність середовища, що показує у скільки разів у середовищі електричне поле менше, ніж у вакуумі.