Свойства электрона
Электрон характеризуется и другими важными свойствами, помимо спина и магнитного момента. Рассмотрим их.
Масса электрона
Электроны очень малы. Масса электрона составляет me = 9,109 • 10 -31 кг или 5, 489 • 10 -4 атомных единиц массы (а. е. м). Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, которая является самой маленькой из всех молекул. Из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт).
Отношение массы протона к массе электрона равно 1836, то есть протон в 1836 раз «тяжелее» электрона.
Заряд электрона
Электрический заряд — одно из основных свойств электрона. Невозможно представить, что с электронов можно снять заряд. Они неотделимы друг от друга.
Электрический заряд — это физическая величина. Она обозначается буквой q. Единицей электрического заряда является кулон (Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона. Электрон — это частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен e = — 1,6 • 10 -19 Кл.
Модуль заряда электрона назвали элементарным электрическим зарядом. Его обозначают е. Измерения показали, что e = 1,6 • 10 19 Кл.
Обратите внимание, что любой, даже самый малый, заряд тела содержит целое число элементарных зарядов. Так как заряд тела обозначается буквой q, то получаем: q = eN, где N — целое число (N = 1, 2, 3, … )
Элементарный заряд может показаться очень малым, однако вспомним: в любом теле, видимом невооружённым глазом, содержится невообразимо большое число заряженных частиц. Так, суммарный заряд электронов в одной столовой ложке воды равен по модулю примерно миллиону кулонов (а вы уже знаете, как велик заряд всего в 1 Кл).
Важно! Термин элементарный заряд был придуман, когда предположили, что этот заряд является наименьшим электрическим зарядом в природе. Сегодня мы знаем, что 1/3 элементарного заряда также приходится на кварки
Энергия покоя электрона
Энергия электрона рассчитывается из эквивалентности массы и энергии. Вы знаете это как формулу из теории относительности E=mc 2 . E означает энергию, m — массу, а c — скорость света. Как было уже сказано выше в этой статье: «из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт)».
В формуле это можно рассчитать следующим образом: E = mec 2 = 9,109 • 10 -31 • (3 • 10 8 ) 2 = 8,2 • 10 -14 Дж = 0,511 • 10 6 эВ ≈ 0,511 МэВ
1.1. Классическая электродинамика.
В предлагаемом курсе мы будем пользоваться, главным образом,
симметричной, или гауссовой системой единиц. В ней электрические величины
измеряются в единицах СГСЭ, а магнитные — в единицах СГСМ. Лишь в отдельных случаях
мы будем употреблять систему СИ, специально это оговорив, а там, где это
уместно — и внесистемные единицы, такие как электрон–вольт
(эВ) или ридберг (Ry). Применяемые значения констант взяты из статьи “The Fundamental Physical Constants”, опубликованной
на странице 9 журнала “Physics Today”
Volume 49, Number 8, Part 2, авторы — E.Richard Cohen
и Barry N.Taylor.
Итак, массу мы измеряем в граммах (г), размеры — в
сантиметрах (см) и время — в секундах (с). В качестве
базовых величин возьмем элементарный электрический заряд e, массу электрона meи скорость света c:
Это — экспериментальные величины, не
определяемые теоретически.
Классический радиус электрона.
Сформируем имеющую размерность длины комбинацию для
релятивистской, но не квантовой величины: в ней должна присутствовать скорость
света, но нет постоянной Планка. Для этого составим уравнение вида
Для размерностей это выглядит так:
Приравняв степени при одинаковых единицах размерности в левой и правой частях последней
формулы, получим систему из трех линейных уравнений:
Решение этой системы дает:
x= 2,y= –1,z = –2.
Таким образом, комбинация базовых величин (1.1) с размерностью длины
имеет вид:
Мы получили выражение для так называемого классического радиуса
электрона re. Численно он равен
re=2.82·10–13 см.
Перепишем формулу для re в
виде
В правой части последнего уравнения стоит кулоновская энергия
взаимодействия зарядов e,
находящихся на расстоянии re, а
в левой части — энергия покоящегося электрона. Таким образом, re представляет собой такой
размер шарика с зарядом e,
при котором энергия взаимодействия электрона с возбуждаемым им полем равна его
энергии покоя mec2.
Отсюда вытекает связь между электронвольтом
и эргом — единицей энергии в системе Гаусса:
1 эВ = 1.602192·10-12
эрг ≈ 1.6·10-12 эрг.
Хотя для температуры принята своя единица измерения — градус
Кельвина, тем не менее, и здесь иногда прибегают к электронвольтам. Чтобы
выразить температуру в энергетических единицах, надо выполнить замену
где k — постоянная
Больцмана,
Отсюда легко вычислить температуру, соответствующую одному электронвольту:
1эВ=11604.55 K.
Выразим энергию покоя электрона в электронвольтах:
Известна реакция образования электрон-позитронных пар — превращение
гамма–кванта (γ) в
электрон (e–) и позитрон (e+):
Позитрон — это элементарная частица,
масса которой равна массе электрона; заряды электрона и позитрона равны по
абсолютной величине, но противоположны по знаку. Говорят, что позитрон является
античастицей по отношению к электрону. Пороговая энергия реакции определяется
суммарной энергией покоя электрона и позитрона и составляет около одного мегаэлектронвольта. Имеет место и обратная реакция —
аннигиляция электрона и позитрона:
В этой реакции возникают два или три
фотона.
Другая важная для атомной физики частица — протон относится
к классу нуклонов. Нуклон — это обобщённое наименование протона и нейтрона,
частиц, из которых состоит ядро атома. Протон значительно тяжелее электрона:
mp= 1836.11·me=
1.672661·10-24 г.
Энергия покоя протона mpc2 равна 938 МэВ. Нейтрон слегка тяжелее
протона, его масса равна 1.6750·10-24 г, а соответствующая ему
энергия покоя составляет 940 МэВ. Аннигиляция нуклона и антинуклона
чаще всего приводит к образованию π–мезонов.
Ленгмюровская частота.
Вещество во Вселенной находится, главным образом, в виде
плазмы — полностью или частично ионизованного газа. В достаточно больших
объёмах плазма электронейтральна, то есть, количество
положительного и отрицательного зарядов в ней одинаково. Однако в небольших
областях и на короткое время возникают флуктуации заряда. Электроны, стараясь
их компенсировать, приходят в движение и получаются колебания вокруг положения
равновесия. Эти колебания называются плазменными, или ленгмюровскими,
по имени учёного, впервые обратившего на них внимание. Помимо элементарного заряда и массы электрона, частота плазменных
Помимо элементарного заряда и массы электрона, частота плазменных
колебаний ω зависит от концентрации
электронов Ne— их числа в единице объёма.
Комбинация e2/me
имеет размерность см3/ с2. Умножив
её на Ne,
получим с точностью до безразмерной константы:
Точное выражение для ω
содержит множитель (4π)1/2:
Излучение в плазме не может
распространяться на частотах ниже ленгмюровской. В
земной ионосфере электронная плотность может быть оценена как 106 см–3.
Соответственно, от неё отражаются радиоволны с линейной частотой n<
9 МГц.
Электронный дисбаланс
А теперь включаем смекалку математическую. Представим атом, который «потерял» электрон в результате некоторого энергетического взаимодействия или же «притянул» к себе лишний электрон. Мы помним, что отличительная черта природы — это стремление к балансу. Поэтому «не потревоженный» атом нейтрален: количество протонов, носителей положительного заряда, полностью совпадает с количеством электроном, носителями отрицательного заряда.
При появлении дисбаланса в количестве заряженных частиц, следовательно, актуально следующее:
| Электрон «улетает» с оболочки | Электрон «прилетает» в атом |
| Изменилось количество электронов. Оно уменьшилось. Количество протонов осталось тем же. Атом становится положительным ионом. | Вновь изменилось количество электронов, но их стало больше. Все так же количество протонов осталось неизменным. Атом становится отрицательным ионом. |
Дисбаланс в количестве электронов в оболочке и есть причина, почему происходят многие невероятные вещи. Во-первых, атом всегда стремится к нейтральности, поэтому «обедневший» атом не прочь «утянуть» откуда-нибудь «плохо закрепленный» электрон. Работает данный принцип и наоборот: «перенасыщенный» электронами атом не прочь куда-нибудь лишнее «скинуть».
Масса электрона – мал золотник да дорог
Если навскидку попросить 100 человек назвать хотя бы три известные элементарные частицы, то, возможно, не все назовут все три, но никто не забудет назвать чемпиона по популярности — электрон. Маленький, самый легкий среди несущих заряд частиц, вездесущий и…, к сожалению, «отрицательный», он входит в состав любого вещества на Земле и уже этим заслуживает особое к себе отношение. Название частицы возникло еще в древней Греции от греческого слова «янтарь» — материал, который любили древние за его способность притягивать мелкие предметы. Затем, когда исследования электричества получили больший размах, термин «электрон» стал означать неделимую, а значит, и наименьшую единицу заряда.
Вечную жизнь электрону, как неотъемлемой частичке вещества, подарила группа физиков, руководимая Дж. Дж.Томсоном. В 1897 г. они, исследуя катодные лучи, определили, как относится масса электрона к его заряду, и установили, что это отношение не зависит от материала катода. Следующий шаг в познании природы электрона сделал Беккерель в 1900 г. В его эксперименте было доказано, что бета-лучи радия также отклоняются в электрическом поле, и у них отношение массы к заряду одинаковое с катодными лучами. Это стало неоспоримым доказательством того, что электрон – это «самостоятельный кусочек» атома любого вещества. А потом, в 1909 г., Роберт Милликен в опыте с капельками масла, которые падали в электрическом поле, сумел измерить электрическую силу, уравновешивающую силу тяжести. Тогда же стала известной величина элементарного, т.е. наименьшего, заряда:
eo = — 1,602176487(49) * 10-19 Кл.
Этого стало достаточно, чтоб была вычислена масса электрона:
me = 9,10938215(15) * 10-31кг.
Казалось бы, вот теперь порядок, все позади, но это было только начало длинного пути познания природы электрона.
Долгое время тупиком физики была еще не доказанная, но все более заявляющая о себе двуликая сущность электрона: его квантово-механические свойства указывали на частицу, а в экспериментах по интерференции электронных пучков на параллельных щелях проявлялась волновая природа. Момент истины настал в 1924 г., когда сначала Луи де Бройль наделил все материальное, и электрон тоже, волнами, названными его именем, а через 3 года Паули завершил формирование исходных понятий квантовой механики, описывающих квантовую природу частиц. Затем наступил черед Эрвина Шредингера и Поля Дирака – дополняя друг друга, они нашли уравнения для описания сущности электрона, в которых масса электрона и постоянная Планка, квантовые величины, нашли свое отражение через волновые характеристики — частоту и длину волны.
Безусловно, такое двуличие элементарной частицы имело далеко идущие последствия. Со временем стало понятно, что характеристики свободного электрона вне вещества (как пример — катодные лучи) — это совсем не то же самое, что у электрона в виде электрического тока в кристалле. Для свободного электрона его масса известна как «масса покоя электрона». Физическая природа различия масс электрона в разных условиях вытекает из того факта, что его энергия зависит от насыщения магнитным полем пространства, в котором он движется. Более глубокие «разборки» показывают, что величина магнитного поля движущихся в проводнике электронов, точнее, протекания тока в веществе, зависит не от величины заряда носителей тока, а от их массы. Но, с другой стороны, удельная энергия магнитного поля равна плотности кинетической энергии движущихся зарядов, а рост этой энергии фактически эквивалентен увеличенной массе носителей заряда, которую назвали «эффективная масса электрона». Аналитически было определено, что она больше массы свободного электрона в a/2λ раз, где a – расстояние между плоскостями, ограничивающими проводник, λ — глубина скин-слоя магнитного поля.
Электрон. Что такое электрон, его заряд, масса, спин, энергия покоя
Электрон — это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица.
Электроны играют важную роль почти во всех физических эффектах. Поскольку электроны несут заряд, они также генерируют электрическое поле. Если привести электрон в движение, то возникнет магнитное поле. Если электрон проходит через другое внешнее электрическое поле, его путь изменяется под действием силы Лоренца.
Электрон принадлежит к лептонному семейству частиц. Существует несколько различных семейств частиц, перечисленных в стандартной модели физики частиц.
Спин электрона и магнитный момент электрона.
Согласно современному уровню знаний, лептоны являются элементарными частицами. По сравнению с другими лептонами, электрон имеет самую низкую массу среди лептонов, несущих заряд. Он принадлежит к первому поколению лептонов. Второе и третье поколения — мюон и тауон. Эти две частицы имеют одинаковые с электроном заряды и спин, но отличаются от него большей массой.
Лептоны отличаются от других фундаментальных частиц, таких как кварки, отсутствием сильного взаимодействия. Все лептоны принадлежат к семейству фермионов, поэтому электрон имеет собственный вращательный момент ( спин ) s = ½ в единицах ℏ, где ℏ — приведённая постоянная Планка).
Атомы и молекулы.
Электроны связаны с ядрами атомов «притягивающей» кулоновской силой. Такой состав из атомного ядра и одного или нескольких электронов называется атомом. Электроны движутся вокруг ядра атома. Если число электронов отличается от заряда ядра, то это ион.
Волновая природа связанных электронов описывается атомными орбиталями. Каждая из этих орбиталей имеет ряд квантовых чисел, таких как энергия и момент. Кроме того, у атома может быть только дискретное число орбиталей. В силу принципа Паули на орбитали может находиться максимум два электрона, спин которых имеет разные знаки.
Химическая связь между атомами возникает благодаря электромагнитным взаимодействиям, которые описываются с помощью квантовой физики. Самые прочные связи создаются путем обмена или передачи электронов. Это позволяет образовывать молекулы. В молекулах электроны движутся аналогично атомам и занимают молекулярные орбитали. Однако фундаментальным отличием является образование пар электронов с разными спинами. Это позволяет нескольким электронам занимать одну орбиталь без нарушения принципа Паули.
Отдельные свойства электронов
Электроны относят к первому поколению лептонов, со свойствами частиц и волн. Каждый из них наделен состоянием кванта, которое определяют в результате измерения энергии, спиновой ориентации и других параметров. Принадлежность к фермионам у него раскрывается через невозможность нахождения в одном состоянии кванта одновременно двух электронов (по принципу Паули).
Его изучают так же, как квазичастицу в периодическом кристаллическом потенциале, у которой эффективная масса способна существенно отличаться от массы в состоянии покоя.
Посредством движения электронов происходит электрический ток, магнетизм и термо ЭДС. Заряд электрона в движении образует магнитное поле. Однако внешнее магнитное поле отклоняет частицу от прямого направления. При ускорении электрон приобретает способность поглощения или излучения энергии в качестве фотона. Из его множества состоят электронные атомические оболочки, число и положение которых определяют химические свойства.
Атомическая масса в основном состоит из ядерных протонов и нейтронов, в то время как масса электронов состовляет порядка 0,06 % от всего атомного веса. Электрическая сила Кулона является одной из главных сил, способных удерживать электрон рядом с ядром. Но когда из атомов создаются молекулы и возникают химические связи, электроны перераспределяются в новом образованном пространстве.
В появлении электронов участвуют нуклоны и адроны. Изотопы с радиоактивными свойствами способны излучать электроны. В условиях лабораторий эти частицы могут изучаться в специальных приборах, а например, телескопы могут детектировать от них излучения в плазменных облаках.
Энергия сродства к электрону
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Зависимость сродства к электрону атома от атомного номера элемента (экзоэффект указан со знаком минус, эндоэффект со знаком плюс)
Эне́ргией сродства́ а́тома к электро́ну , или просто его сродством к электрону (ε), называют энергию, выделяющуюся или поглощающуюся в процессе присоединения электрона к свободному атому в его основном состоянии с превращением его в отрицательный ион A−(сродство атома к электрону численно равно, но противоположно по знаку энергии ионизации соответствующего изолированного однозарядного аниона).
В отличие от ионизационного потенциала атома , имеющего всегда эндоэнергетическое значение, сродство атома к электрону описывается как экзоэнергетическими, так и эндоэнергетическими значениями.
| Элемент | ε | Элемент | ε | Элемент | ε |
|---|---|---|---|---|---|
| H | -0,75 | Na | -0,78 | K | -0,92 |
| He | 0,30 | Mg | 0,32 | Ca | 0,40 |
| Li | -0,58 | Al | -0,52 | Sc | 0,14 |
| Be | 0,19 | Si | -1,39 | Ti | -0,40 |
| B | -0,33 | P | -0,78 | V | -0,94 |
| C | -1,12 | S | -2,07 | Cr | -0,98 |
| N | 0,27 | Cl | -3,61 | Mn | 1,07 |
| О | -1,47 | Br | -3,36 | Fe | -0,58 |
| F | -3,45 | I | -3,06 | Co | -0,94 |
| Ne | 0,55 | Ni | -1,28 | ||
| Cu | -1,80 |
Сродство к электрону определяет окислительную способность частицы. Молекулы с большим сродством к электрону являются сильными окислителями. Наибольшим сродством к электрону обладают элементы 17 группы ( p -элементы VII группы). Наименьшее сродство к электрону у атомов с конфигурацией s2( Be , Mg , Zn ) и s2p6( Ne , Ar ) или с наполовину заполненными p — орбиталями ( N , P , As ):
Небольшие расхождения в цифрах между табл. 1 и табл. 2 обусловлены тем, что данные взяты из разных источников, а также погрешностью измерений.
Наибольшее значение сродства к электрону имеет гексафторид платины : 7,00±0,35 эВ.
На заре электричества
Под удивительными свойствами, конечно же, понимается явление, когда взаимодействие предметов приводит к тому, что один из них словно начинает обладать свойством магнита — притягивать или отталкивать ряд прочих предметов вокруг. Все не раз видели искорки при, казалось, касании совершенно обыденного объекта, как, например, дверной ручки, или то, как праздничный шарик приклеивается к чьим-либо волосам.
Слова «электричество», «электроника», «электрон» и им подобные все восходят к древнегреческому существительному «ἤλεκτρον» (латиницей: ‘ḗlektron’), в переводе на русский — «янтарь». Ничего не скажешь, странное соседство: электрический заряд и окаменевшая смола хвойных деревьев. Несмотря на то, что на первый взгляд никакой связи между данными вещами не проглядывается, есть разумное объяснение, почему электричество этимологически имеет отношение к янтарю.
О том, что материя обладает зарядом, люди и даже, вполне возможно, их далекие предки подозревают давно. Мы натыкались на кусочки железа, которые притягивались друг к другу, низменно показывая направление в сторону севера-юга. Каждый видел чудеса электростатического разряда в виде молнии на небе. Древние рыболовы знали, как выглядит рыба, которую не стоит трогать руками — коснись, и она бьется чем-то странным, что вызывает боль.
Электричество есть природа, но в течение десятков тысяч лет мы всего лишь играли роль пассивных наблюдателей, не имея ни малейшего понятия, откуда берутся все эти чудеса. Одно то, что в ряде мифологий присутствуют божества, повелевающие молнией (Тор — в скандинавской мифологии; Зевс — в древнегреческой; Юпитер — в древнеримской; Перун — в славянской; Укко — в карело-финской), говорит о том, что человек не мог объяснить наличие заряда в природе. Вместо, нам приходилось прибегать к антропоморфизму — переносить человеческий образ на явления вокруг и выдумывать богов. И уж тем более мы не могли предположить, что все феномены, от больно бьющейся рыбы до молнии, имеют общее происхождение.
Кстати. Египтяне и электро-рыбы!
Еще бы: такой сом способен вырабатывать напряжение до 450 В. Но прочих рыбок он все-таки не защищал, а ел, предварительно оглушая их мощным разрядом тока.
В древних египетских рукописях, датированных 2750 г. до нашей эры, имеется упоминание подобного вида рыб. Египтяне называли их «грозой Нила» и приписывали им свойства «защитников» прочих рыбок. Вот так вот, ничего не подозревающий милый электрический сом считался оберегом рыбного водного царства.
Первые основательные упоминания электростатических явлений зафиксированы лишь в 600 г. до нашей эры Фалесом, древнегреческим философом и математиком, также известным своей теоремой о пропорциональных отрезках. Ученый заметил, что янтарь, потертый о шерсть, может притягивать маленькие объекты наподобие пылинок. Правда Фалес на пару с Аристотелем полагали, что внутри янтарного камня просто сидит душа человека… а мех ее как бы пробуждает.
К сожалению, в течение более полутора тысяч лет подобными наблюдениями и ограничивались наши знания о заряде: мы находили его проявления нюансом забавным, судя по уровню научной письменности — не проводили особых экспериментальных исследований, а добрую часть электростатики приписывали сверхъестественному. Средневековых ученых и физиков времен Ренессанса больше интересовали свойства магнитов и компасов — различие между электрическими и магнетическими силами впервые было введено только в середине XVI века.
Теория одного электрона. Теория одноэлектронной Вселенной
Теория одноэлектронной Вселенной —, в которой всеявляются одним электроном, находящимся попеременно в разных точках. Предпосылкой для создания гипотезы являлся принцип, то есть невозможность экспериментально различить два электрона. Основоположником гипотезы считается. Ввиду своей простоты гипотеза может быть сформулирована в рамках школьной программы по физике.
Формулировка
Рассмотрим для простоты двумерную Вселенную — одна ось пространства и одна ось времени. Вначертим произвольную кривую. Укажем направление обхода этой кривой. Выделим две части этой кривой: та часть, которая идёт вправо (синяя линия) и та часть, которая идёт влево (красная линия). Эти цвета соответствуют электрону и. Фрагментируем время: разделим ось времени на множество составляющих, при этом шаг разбиения может быть различным. Выберем на каждой полосе только одну составляющую кривой. Проделав всё это, мы имеем Вселенную, в которой в каждый момент времени всегда существует только один электрон, при этом может показаться что их несколько (на рисунке такое число достигает четырёх).
История создания
Фейнман пришёл к своей основной идее, когда он был студентом ввесной 1940 года, во время телефонного разговора со своим профессором физики. В речи при получении Нобелевской премии Фейнман следующим образом передаёт эту историю: «Фейнман, — сказал Уилер, — я знаю, почему все электроны обладают одним и тем же зарядом и одной и той же массой». «Почему?» — спросил Фейнман. «Потому, — ответил Уилер, — что все они являются одним и тем же электроном!»
В 1948 году Ричард Фейнман разработал математический подход к квантовой теории, в котором античастица рассматривалась как частица, движущаяся обратно во времени.
Проблемы теории
- Электронейтральность Вселенной. По этой теории число электронов должно быть или равным числу позитронов или отличаться на единицу. Однако во Вселенной(вот почему, когда Уилер описал свою гипотезу, Фейнман сразу же спросил его: «Но, профессор, вокруг нас нет столько позитронов, сколько электронов». «Хорошо, — парировал Уилер, — может быть, они скрываются в протонах или ещё в чём-нибудь»).
- Трудности при объяснении некоторых реакций элементарных частиц.
- Достаточно создать одну пару электрон-позитрон, а потом их же аннигилировать, и тогда мировая линия электрона замкнется в кольцо, никак не связанное с мировой линией другого электрона, значит, электрон не один.
Свойства электрона
Но ученые неумолимы. Каждое новое столетие появлялись физики и естествоиспытатели, которые хотели дополнить и приумножить наше понимание процессов на уровне субатомных частиц. За последние 500 лет нам удалось-таки выяснить кое-что — не все, но многое. Давайте же ознакомимся с основными выводами и находками.
Первое и наиболее важное: главное отличие электрона от его «соседей» по атомарному жилищу заключается в том, что он относительно свободен. К атому электрон присоединился последним, уже после формирования ядра
В дополнение к этому, масса протона в тысячу раз превышает массу электрона, что делает последний в сравнении с нуклонами маленьким и мобильным. Это — единственная составная часть атома, которая может покидать его потенциальный барьер, поэтому электричество во многом ассоциируется с электроном, как наиболее частым «переносчиком» заряда.
Шведские ученые могут! Вот как-то так выглядит реальный электрон. А теперь представьте, что таких облачных шариков в атомной оболочке не один, а несколько — сразу станет примерно ясно, почему оболочку называют «электронным облаком».
Модель атома, что вы наблюдали уже неоднократно ранее, в любом случае далека от действительности. Ввели мы ее для упрощения. А вот если бы у нас была возможность отобразить действительность в высоком разрешении, как на настоящей картинке, мы бы определенно точно увидели не точки, летающие вокруг плотного центра, а просто мерцающее облако. Где-то ярче, где-то тусклее. Месторасположение и характер движения электронов описывается волновой функцией: данный элемент обладает одновременно и свойствами частицы, и свойствами волны.
В отличие от обычной частицы, электрон — сосредоточение энергии, поэтому вполне логично, что физика обычной частицы не подойдет для описания этого уникального «малыша». Но здесь и далее в курсе школьной физики вам не нужно изыскивать феноменальные умственные ресурсы, чтобы осознать в полной мере квантовую модель атома. Вполне подойдет ситуация, при которой электрон воспринимается как точечный шарик.
Маленький и мобильный электрон притягивается к ядру, но между самими электронами также действуют определенные силы. Это позволяет ему:
— находиться внутри границ атома;
— также находиться на некотором расстоянии от ядра атома.
Однако если электронная оболочка атома начинает получать энергию от внешнего источника, что может позволить электрону преодолеть притяжение к ядру, он имеет все шансы «сбежать из домика» и стать, как говорят ученые, свободным электроном.
{"questions":[{"content":"Подытожим основные свойства электрона. Ниже описаны свойства элементарных частиц, но только три из них имеют отношение к электрону. Два свойства из представленных — лишние и описывают уж точно не электрон. Вспомните, чем отличается электрон от нуклонов (протонов и нейтронов) и расположите свойства по группам. `grouper-1`","widgets":{"grouper-1":{"type":"grouper","labels":[" Относится к электрону"," Не относится к электрону"],"items":,]}},"step":1,"hints":["Электрон располагается не там же, где протон и нейтрон, а как бы отдельно.","Раз он внеядерный, то ему легче «убежать», если его кто-то «подтолкнет».","И раз он маленький, прыткий, то его масса должна быть в разы меньше, чем у любого из нуклонов, «сидящих в домике»."]}]}
Электрический заряд
Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества
. Подобные действия называютсяэлектризацией .
Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда
. Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называютположительным , а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, —отрицательным .
Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).
Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного — протон. Нейтрон — нейтральная частица, не имеет заряда.
Величина элементарного заряда — электрона или протона, имеет постоянное значение и равна
Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом
. А если присоединится один электрон лишний — получимотрицательный ион . Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.
Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.
Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).
Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет . Элементарный заряд не делим — это свойство называется дискретностью
Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются
, разноименные (положительный и отрицательный) —притягиваютсяТочечный заряд
— это материальная точка, которая имеет электрический заряд.
Закон сохранения электрического заряда
Замкнутая система тел в электричестве — это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.
Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.
На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.
В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.
Итоги раздела
Поздравляем!
Где-то было сложно, где-то было много, но вы справились и полностью завершили раздел введения в электрические процессы. Теперь вы отличаете трибоэлектричество от пироэлектричества, умеете показывать фокусы с турмалином, владеете необычными терминами вроде «валентность» и знаете, что такое заряд. Ни много ни мало, но это отличная база, чтобы следовать дальше.
Пока что электричество для нас — это сосредоточение заряда. Его движение практически не описывалось, в особенности на длинные дистанции. Однако самые восхитительные вещи, должны вам доложить, все же происходят, когда заряд путешествует не локально от тела к телу, а охватывает огромные расстояния. Например, от вашей розетки до электростанции. Как «накопить» столь существенный заряд? Как заставить электроны перемещаться на дистанции в сотни километров? Перемещаются ли электроны вовсе?
Ответы на эти и многие другие вопросы вас удивят. И их мы охватим уже в следующем разделе.
А сейчас — «повторение — мать учения». Приглашаем пройти тестирование по разделу, закрепить изученное, а также ознакомиться с рубрикой «Занимательное дополнение» и приоткрыть завесу тайны над одним из самых загадочных электростатических явлений природы — молнией.
