Чему равен заряд электрона в физике

Содержание

Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами .

О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики .

Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.

Электрическое поле

1.1. Электрический заряд. Закон Кулона

Подобно понятию гравитационной массы тела в механике Ньютона, понятие заряда в электродинамике является первичным, основным понятием.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Электрический заряд обычно обозначается буквами или .

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда .

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду .

Галилео. Эксперимент. Заряд электрона

В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером . Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:

Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными . Элементарный заряд является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом и Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.

В обычных лабораторных опытах для обнаружения и измерения электрических зарядов используется электрометр – прибор, состоящий из металлического стержня и стрелки, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси (рис. 1.1.1). Стержень со стрелкой изолирован от металлического корпуса. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электрометра, электрические заряды одного знака распределяются по стержню и стрелке. Силы электрического отталкивания вызывают поворот стрелки на некоторый угол, по которому можно судить о заряде, переданном стержню электрометра.

Рисунок 1.1.1.

Перенос заряда с заряженного тела на электрометр

Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.1.2), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка .

Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Рисунок 1.1.2.

Прибор Кулона

Рисунок 1.1.3.

Силы взаимодействия зарядов

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой .

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Коэффициент пропорциональности в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А. Единица силы тока (ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения .

Коэффициент в системе СИ обычно записывают в виде:

где – электрическая постоянная .

В системе СИ элементарный заряд равен:

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

Рис. 1.1.4 поясняет принцип суперпозиции на примере электростатического взаимодействия трех заряженных тел.

Рисунок 1.1.4.

Принцип суперпозиции электростатических сил
Модель. Взаимодействие точечных зарядов

Принцип суперпозиции является фундаментальным законом природы. Однако, его применение требует определенной осторожности, в том случае, когда речь идет о взаимодействии заряженных тел конечных размеров (например, двух проводящих заряженных шаров 1 и 2). Если к системе из двух заряженных шаров поднсти третий заряженный шар, то взаимодействие между 1 и 2 изменится из-за перераспределения зарядов .

Принцип суперпозиции утверждает, что при заданном (фиксированном) распределении зарядов на всех телах силы электростатического взаимодействия между любыми двумя телами не зависят от наличия других заряженных тел.

Масса!

У электрона есть масса – она мала по сравнению с массой любого атома, поэтому про неё обычно можно забыть в начальных классах химии, но она не настолько мала, чтобы забыть о ней в физике частиц и даже в понимании структуры атомов. Хотя электроны не вносят значительного вклада в массу атома, масса электрона необходима для определения размера атома. В этом, в частности, заключается важность поля и частицы Хиггса. Эту массу можно записать по-разному, и каждый из способов даёт вам свою перспективу:

Она равна примерно 9 × 10 -31 кг = 0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 9 кг.
Она равна примерно 0,05% (точнее, 1/1838) массы атома водорода – легчайшего атома в природе. Большая часть его массы содержится в его ядре.
Энергия, хранящаяся в массе электрона, E = mc 2 , равна 0,000 511 ГэВ. Это в 200 000 раз больше энергии, переносимой одним фотоном зелёного цвета. В физике частиц масса частицы часто записывается через обратное взаимоотношение энергии и массы: для стационарной частицы m = E / c 2 . В этих терминах масса электрона равна 0,000511 ГэВ / c 2 .

Электрический заряд!

У электрона есть электрический заряд – а значит, на него действуют электрическое и магнитное поля. На электрически заряженную частицу в присутствии электрического поля будет действовать электрическая сила. Именно такие силы удерживают электроны внутри их атомов.

Насколько велик электрический заряд электрона? Представьте себе статическое электричество – вы прошли в ботинках по ковру, а затем, прикоснувшись к дверной ручке, другому человеку или компьютеру (. ), вы почувствуете искру. Эта искра переносит заряд из одного места в другое – и обычно она в 10 миллионов миллионов раз больше заряда, переносимого электроном. Физики измеряют заряд с использованием произвольно выбранной единицы под названием кулон (так же, как время измеряется в секундах и длина в метрах). В типичном заряде статического электричества содержится одна миллионная доля кулона. Величину заряда электрона обычно обозначают e, и e примерно равно 1,6 × 10 -19 Кл.

Электрон

Электро́н ( е – е^– е – ), элементарная частица , носитель отрицательного элементарного электрического заряда е ≈ 1 , 6 ⋅ 1 0 – 19 е≈1,6·10^ е ≈ 1 , 6 ⋅ 1 0 –19 Кл. Электрон – самая лёгкая из всех заряженных элементарных частиц, его масса m e = 9 , 1 ⋅ 1 0 – 28 m_e = 9,1·10^ m e = 9 , 1 ⋅ 1 0 –28 г, что в 1836 раз меньше массы протона . Спин электрона равен 1 /2 (в единицах постоянной Планка h h h ), следовательно, он подчиняется статистике Ферми – Дирака ; магнитный момент электрона μ е ≈ e h / ( 2 m e c ) = μ Б μ_е≈eh/(2m_ec)=μ_Б μ е ≈ e h / ( 2 m e c ) = μ Б (μБ – магнетон Бора , c c c – скорость света ). В пределах точности электрон – стабильная частица, его время жизни τ > 2 ⋅ 1 0 22 τ>2·10^ τ > 2 ⋅ 1 0 22 лет. Размеры электрона меньше 10 –18 м.

Электрон был открыт Дж. Дж. Томсоном в 1897 г., который показал, что т. н. катодные лучи, возникающие при электрическом разряде в газе , представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Опыты по отклонению этих частиц в электрическом и магнитном полях показали, что удельный заряд е / m е/m е / m примерно в 1837 раз больше, чем для иона водорода (протона). За открытыми частицами закрепили название «электроны», предложенное в 1891 г. Дж. Стони для обозначения элементарного электрического заряда.

Электроны играют важнейшую роль в строении вещества, образуя электронные оболочки атомов всех химических элементов . Размеры этих оболочек определяются в основном квантовой спецификой поведения электронов в поле ядра, задаются значениями массы и заряда электрона и по порядку величины близки к радиусу Бора ( ≈ 5 ⋅ 1 0 – 11 ≈5·10^ ≈ 5 ⋅ 1 0 –11 м).

Как элементарная частица электрон относится к лептонам , т. е. обладает способностью участвовать в электромагнитном и слабом взаимодействиях (и, кроме того, в гравитационном ).

Редакция физических наук

Опубликовано 22 июня 2022 г. в 11:49 (GMT+3). Последнее обновление 22 июня 2022 г. в 11:49 (GMT+3). Связаться с редакцией

Дискретность электрического заряда. Электрон. Строение атома

Возьмём два одинаковых электрометра и один из них зарядим (рис. а). Его заряд соответствует (6) делениям шкалы.

Рис. (1). Электрометры

Если соединить эти электрометры стеклянной палочкой, то никаких изменений не произойдёт. Это подтверждает тот факт, что стекло является диэлектриком. Если же для соединения электрометров использовать металлический стержень А (рис. б), держа его за не проводящую электричество ручку В, то можно заметить, что первоначальный заряд разделится на две равные части: половина заряда перейдёт с первого шара на второй. Теперь заряд каждого электрометра соответствует (3) делениям шкалы. Продолжим опыт. Разъединим электрометры и коснёмся второго шара рукой. От этого он потеряет заряд — разрядится. Соединим его снова с первым шаром, на котором осталась половина первоначального заряда. Оставшийся заряд снова разделится на две равные части, и на первом шаре останется четвёртая часть первоначального заряда. Таким же образом можно получить одну восьмую часть, одну шестнадцатую часть первоначального заряда и т.д.
Возникает вопрос, до каких пор можно уменьшать заряд? Существует ли предел деления электрического заряда? Чтобы выяснить это, понадобилось выполнить более сложные и точные опыты, чем описанный выше, так как очень скоро оставшийся на шаре заряд оказывается столь малым, что обнаружить его при помощи школьного электрометра не удаётся. Более точные опыты показали, что электрический заряд нельзя уменьшать бесконечно: он имеет предел делимости.

Электрический заряд — это физическая величина, которую обозначают буквой (q).

За единицу электрического заряда принят кулон (Кл). Частицу, имеющую самый маленький заряд, назвали электроном. Этот заряд нельзя «снять» с электрона. Заряд электрона обозначают буквой е. Заряд электрона является отрицательным. (e = -0,00000000000000000016) Кл = (-) 1,6 · 10 − 19 ()Кл. Этот заряд в миллиарды раз меньше того, что обычно получают в опытах по электризации тел трением.
Чтобы узнать заряд тела, необходимо заряд электрона умножить на количество зарядов n:
q = e · n .
Электрон — очень маленькая частица. Его масса (m =) 9,1 · 10 − 31 кг. Крылышко мухи имеет массу примерно в (5·10²²) большую, чем масса электрона.

Если тело не заряжено и при электризации оно приобрело электроны, то оно зарядится отрицательно. Его заряд будет равен сумме зарядов полученных электронов.

Обрати внимание!

Если тело заряжено отрицательно и при электризации оно ещё приобретает электроны, то отрицательный заряд тела возрастает.

Например, до электризации тело с зарядом (2е) в ходе электризации приобретает ещё (4) заряда электрона. Тогда после электризации заряд тела равен (2е + 4е = 6е) .

Обрати внимание!

Если тело заряжено отрицательно и при электризации оно теряет электроны, то отрицательный заряд тела уменьшается.

Например, до электризации тело с зарядом (8е) в ходе электризации теряет (3) заряда электрона. Тогда после электризации заряд тела равен (8е — 3е = 5е).

Чему равен заряд электрона в физике

ЭЛЕКТРОН (символ е — , е), стабильная элементарная частица с наименьшим отрицат. электрич. зарядом. Абс. величина заряда электрона e= 1,6021892 x 10 -19 Кл, или 4,803242 x 10 -10 ед. СГСЕ. Масса покоя электрона те = 9,109534 x 10 -28 г. Спин электрона равен( -постоянная Планка); система электронов подчиняется статистике Ферми — Дирака (см. Статистическая термодинамика). Магн. момент электрона, связанный с его спином, равен -1,00116, где магнетон Бора.
Э лектрон- первая элементарная частица, открытая в физике (Дж. Дж. Томсон, 1897); соответствующая ему античастица -позитрон е + — была открыта в 1932. Электрон относится к классу лептонов, т. е. частиц, не проявляющих сильного взаимодействия, в то же время он участвует в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях (см. Элементарные частицы). Электроны могут возникать при распаде отрицательно заряженного мюона,-распаде, др. р-циях элементарных частиц. Примером р-ций с превращением электрона может служить аннигиляция электрона и позитрона с образованием двух -квантов:
В классич. электродинамике электрон рассматривается как частица, движение к-рой подчиняется ур-ниям Лоренца-Максвелла. Сформулировать понятие «размер электрона» можно лишь условно, хотя величину r0 = е 2 /тес 2 и принято наз. классич. радиусом электрона. Описание поведения электрона в потенц. полях, отвечающее эксперим. данным, удалось дать лишь на базе квантовой теории, согласно к-рой движение электрона подчиняется ур-нию Шрёдингера для нерелятивистских явлений и ур-нию Дирака для релятивистских (см. Квантовая механика). Вычисляемые в релятивистской квантовой теории характеристики электрона, напр. магн. момент, с чрезвычайно высокой точностью совпадают с их эксперим. значениями.
Э лектрон входят в состав всех атомов и молекул; они определяют многие оптич., электрич., магн. и хим. св-ва в-ва. Удаление электрона из нейтрального атома или молекулы на бесконечность приводит к появлению положит. иона; присоединение электрона- к отрицат. иону; миним. энергия, необходимая для удаления электрона либо выделяющаяся при присоединении электрона,- важная характеристика частицы, определяющая ее окислит.-восстановит. способность (см. Потенциал ионизации, Сродство к электрону).

В химии с электроном связывают образование разл. квантовых состояний молекул. Согласно адиабатическому приближению электроны молекулы движутся в фиксир. поле ядер, к-рое считается внешним по отношению к системе электронов. Возникновение хим. связи между атомами обусловлено более сильным понижением электронной энергии системы при сближении атомов по сравнению с увеличением энергии отталкивания ядер. Анализ энергии системы электронов при разл. геом. конфигурациях ядер (см. Поверхность потенциальной энергии)позволяет судить о наиб. стабильных (равновесных) конфигурациях молекул, относит. стабильности разл. конформеров, колебат.-вращат. уровнях для каждого из электронных состояний и, что весьма важно,- о возможных путях и механизмах превращений хим. соед. (см. Реакционная способность). Распределение электронной плотности в в-вах — реагентах и изменение этого распределения при хим. взаимод. учитывается при изучении динамики элементарного акта р-ции.
Ценную информацию о строении молекул в разл. квантовых состояниях дает изучение углового распределения электронов, выбиваемых из молекул при разл. физ. воздействиях, напр. при облучении квантами достаточно высокой энергии либо при столкновениях с электронами (см. Фотоэлектронная спектроскопия). Наличие у электрона спина, приводящее к существованию электронных состояний молекул разл. мультиплетности, и связанного со спином магн. момента позволяет изучать расщепление мультиплетных состояний в магн. поле (см. Электронный парамагнитный резонанс). Со спином электрона связаны и различие св-в диа- и парамагнетиков в магн. поле, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и т.д. Св-ва мн. материалов, в частности металлов и им подобных соед., определяются системой электронов, образующих своего рода электронный газ (см. Металлическая связь). С коллективными состояниями системы электронов связано возникновение сверхпроводящего состояния в-ва (см. Сверхпроводники). Управляемые потоки электронов широко используют в технике, напр. в вакуумной электронике, а создаваемые в ускорителях потоки электронов высокой энергии — в исследованиях пов-сти твердых тел. В конденсир. среде электрон может быть захвачен молекулами среды и существовать в таком состоянии длительное время, напр. в р-рах щелочных металлов в аммиаке в отсутствие кислорода — в течение неск. месяцев (см. Сольватированный электрон).

Лит.: Андерсон Д., Открытие электрона, пер. с англ., М., 1968; Т оме он Г. П., «Успехи физ. наук», 1968, т. 94, в. 2, с. 361-70; Бейзер А., Основные представления современной физики, пер. с англ., М., 1973; Салем Л., Электроны в химических реакциях, пер. с англ., М., 1985; Пономарев Л.И., Под знаком кванта, 2 изд., М., 1989.

Электрон

Редакция физических наук

Опубликовано 22 июня 2022 г. в 11:49 (GMT+3). Последнее обновление 22 июня 2022 г. в 11:49 (GMT+3). Связаться с редакцией

Атомная теория

Согласно этой теории, атом состоит из ядра и электронов вокруг него, расположенных в виде облака. Они находятся в неких квантованных состояниях энергии, изменение которых сопровождается процессом поглощения или излучения фотонов.

В начале двадцатого века была сформулирована гипотеза, согласно которой материальные частицы имеют свойства как собственно частиц, так и волн. Также и свет способен проявляться в виде волны (ее называют волной де Бройля) и частиц (фотонов).

В результате было сформулировано знаменитое уравнение Шредингера, где описывалось распространение электронных волн. Этот подход и назвали квантовой механикой. При помощи него вычисляли электронные состояния энергии в атоме водорода.

Фундаментальные и квантовые свойства электрона

Частица проявляет фундаментальные и квантовые свойства.

К фундаментальным относятся масса (9,109*10 -31 килограмм), элементарный электрический заряд (то есть минимальная порция заряда). Согласно тем измерениям, что проведены до настоящего времени, у электрона не обнаруживается никаких элементов, способных выявить его субструктуру. Но некоторые ученые придерживаются мнения, что он является точечной заряженной частицей. Как указано в начале статьи, электронный электрический заряд — это -1,602*10 -19 Кл.

Являясь частицей, электрон одновременно может быть волной. Эксперимент с двумя щелями подтверждает возможность его одновременного прохождения через обе из них. Это вступает в противоречие со свойствами частицы, где каждый раз возможно прохождение только через одну щель.

Считается, что электроны имеют одинаковые физические свойства. Поэтому их перестановка, с точки зрения квантовой механики, не ведет к изменению системного состояния. Волновая функция электронов является антисимметричной. Поэтому ее решения обращаются в нуль тогда, когда одинаковые электроны попадают в одно квантовое состояние (принцип Паули).