Má proton elektrický náboj? Protonový náboj - základní veličina fyziky elementárních částic
Kapitola 9. Základní poplatky. Elektron a proton
§ 9.1. Elektromagnetická hmota a náboj. Otázka podstaty náboje
V kapitole 5 jsme zjistili mechanismus vzniku setrvačnosti, vysvětlili, co je „setrvačná hmota“ a co elektrické jevy a určují to vlastnosti elementárních nábojů. V kapitole 7 jsme udělali totéž pro fenomén gravitace a "gravitační hmoty". Ukázalo se, že jak setrvačnost, tak gravitace těles určují geometrickou velikost elementární částice a jejich náboj. Vzhledem k tomu, že geometrická velikost je známým pojmem, v srdci takových základních jevů, jako je setrvačnost a gravitace, existuje pouze jedna málo prozkoumaná podstata - „náboj“. Až dosud je pojem „náboj“ tajemný a téměř mystický. Zpočátku se vědci zabývali pouze makroskopickými náboji, tzn. náboje makroskopických těles. Na počátku studia elektřiny ve vědě se používal koncept neviditelných „elektrických tekutin“, jejichž nadbytek nebo nedostatek vede k elektrifikaci těles. Debata se dlouho vedla jen o tom, zda jde o jednu tekutinu, nebo o dvě: pozitivní a negativní. Pak se zjistilo, že existují "elementární" nosiče náboje elektrony a ionizované atomy, tzn. atomy s přebytkem elektronu nebo chybějícím elektronem. Ještě později byly objeveny „nejelementárnější“ nosiče kladného náboje, protony. Pak se ukázalo, že existuje mnoho „elementárních“ částic a mnoho z nich má elektrický náboj a tento náboj je vždy
je násobkem nějaké minimální detekovatelné části náboje q 0 ≈ 1,602 10−19 C . Tento
část a byl nazýván "elementární náboj". Náboj určuje míru účasti těla na elektrických interakcích a zejména elektrostatických interakcích. Dodnes neexistují žádná srozumitelná vysvětlení toho, co je elementární náboj. Jakákoli úvaha na téma, že náboj sestává z jiných nábojů (například kvarky se zlomkovými hodnotami náboje), není vysvětlením, ale scholastickým „zamlžováním“ problému.
Zkusme se nad poplatky zamyslet sami s využitím toho, co jsme již dříve stanovili. Připomeňme, že hlavním zákonem stanoveným pro náboje je Coulombův zákon: síla interakce mezi dvěma nabitými tělesy je přímo úměrná součinu velikostí jejich nábojů a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi. Ukazuje se, že pokud odvodíme Coulombův zákon z jakýchkoli konkrétních již prostudovaných fyzikálních mechanismů, uděláme tím krok k pochopení podstaty nábojů. Již jsme řekli, že elementární náboje z hlediska interakce s venkovní svět jsou zcela určeny svým elektrickým polem: jeho strukturou a jeho pohybem. A řekli, že po vysvětlení setrvačnosti a gravitace v elementárních nábojích nezbylo nic jiného než pohybující se elektrické pole. A elektrické pole není nic jiného než narušené stavy vakua, éteru, pléna. No, buďme důslední a zkusme zredukovat elektron a jeho náboj na pohyblivé pole! Již v kapitole 5 jsme uhodli, že proton je přesně jako elektron, s výjimkou znaku náboje a geometrické velikosti. Pokud redukcí elektronu na pohybující se pole uvidíme, že dokážeme vysvětlit jak znaménko náboje, tak i nezávislost množství náboje částice na velikosti, pak bude náš úkol alespoň v prvním přiblížení splněn.
§ 9.2. Podivné proudy a podivné vlny. plochý elektron
Pro začátek uvažujme extrémně zjednodušenou modelovou situaci (obr. 9.1) prstencové nálože pohybující se po kruhové dráze o poloměru r 0 . A nechte ho obecně
elektricky neutrální, tj. jeho střed má ve znaménku náboj opačný. Jedná se o takzvaný „plochý elektron“. Netvrdíme, že skutečný elektron je přesně takový, pouze se zatím snažíme pochopit, zda je možné v plochém dvourozměrném případě získat elektricky neutrální objekt ekvivalentní volnému elementárnímu náboji. Zkusme vytvořit svůj náboj z vázaných nábojů éteru (vakuum, plénum). Pro jistotu nechť je náboj prstence záporný a pohyb prstence nastává ve směru hodinových ručiček (obr. 9.1). V tomto případě proud I t teče proti směru hodinových ručiček. Vyberte malý
prstencový nábojový prvek dq a přiřaďte mu malou délku dl. Je zřejmé, že v každém časovém okamžiku se prvek dq pohybuje tečnou rychlostí v t a normálovým zrychlením a n . S takovým pohybem můžeme spojit celkový proud prvku dI -
vektorová hodnota. Tato hodnota může být reprezentována jako konstantní tangenciální proud dI t, který neustále "otáčí" svůj směr s průtokem
čas, tedy zrychlený. Tedy mít normální zrychlení dl& n . Obtížnost
další úvaha je dána tím, že dosud se ve fyzice uvažovalo hlavně o takových střídavých proudech, jejichž zrychlení leželo na stejné přímce se směrem samotného proudu. V tomto případě je situace jiná: aktuální kolmý k jeho zrychlení. a co? Neruší to dříve pevně stanovené fyzikální zákony?
Rýže. 9.1. Prstencový proud a jeho silový vliv na zkušební náboj
Tak jako je samotný elementární proud spojen s jeho magnetickým polem (podle Biot-Savart-Laplaceova zákona), tak je elektrické pole indukce spojeno se zrychlením elementárního proudu, jak jsme si ukázali v předchozích kapitolách. Tato pole mají silové působení F na vnější náboj q (obr. 9.1). Protože poloměr r 0 je konečný, akce
elementární proudy pravé (podle obrázku) poloviny prstence nelze plně kompenzovat opačným působením elementárních proudů levé poloviny.
Tedy mezi prstencovým proudem I a externím zkušebním nábojem q musí
dochází k silové interakci.
V důsledku toho jsme získali, že můžeme spekulativně vytvořit objekt, který bude celkově zcela elektricky neutrální v konstrukci, ale bude obsahovat prstencový proud. Co je prstencový proud ve vakuu? Toto je posuvný proud. Může být reprezentován jako kruhový pohyb vázaných negativních (nebo naopak - pozitivních) vakuových nábojů v úplném zbytku protilehlých nábojů umístěných
v centrum. Lze jej také znázornit jako společný kruhový pohyb kladně a záporně vázaných nábojů, ale s různou rychlostí, nebo po různých poloměrech, popř.
v různé strany... Nakonec, bez ohledu na to, jak se na situaci díváme, bude
být redukován na rotující elektrické pole E uzavřené v kruhu . To vytváří magnetické pole b, vzhledem k tomu, že tečou proudy a další, neomezené cr v ohm elektrické pole Eind spojené s tím, že tyto proudy zrychlený.
To je přesně to, co pozorujeme v blízkosti skutečných elementárních nábojů (například elektronů)! Zde je naše fenomenologie takzvané „elektrostatické“ interakce. Nevyžaduje volné náboje (s zlomkovými nebo jinými hodnotami náboje) k vytvoření elektronu. Akorát dost vázané vakuové náboje! Zapamatujte si to moderní nápady foton se také skládá z pohybujícího se elektrického pole a je obecně elektricky neutrální. Pokud je foton „ohnut“ do prstence, bude mít náboj, protože jeho elektrické pole se nyní nebude pohybovat přímočaře a rovnoměrně, ale zrychleně. Nyní je jasné, jak se tvoří náboje různých znamének: pokud pole E v „prstencovém modelu“ (obr. 9.1) směřuje od středu k okraji částice, pak je náboj jednoho znaménka, je-li naopak , pak druhý. Pokud otevřeme elektron (nebo pozitron), vytvoříme foton. Ve skutečnosti, kvůli nutnosti zachovat moment rotace, aby se z náboje stal foton, musíte vzít dva opačné náboje, dát je dohromady a ve výsledku získat dva elektricky neutrální fotony. Takový jev (anihilační reakce) je při experimentech skutečně pozorován. Co je tedy poplatek? točivý moment elektrického pole! Dále se pokusíme vypořádat se vzorci a výpočty a získat Coulombův zákon ze zákonů indukce aplikovaných na případ střídavého posuvného proudu.
§ 9.3. Coulombův zákon jako důsledek Faradayova zákona indukce
Ukažme, že ve dvourozměrné (rovinné) aproximaci je elektron v elektrostatickém smyslu ekvivalentní kruhovému pohybu proudu, který se co do velikosti rovná nabíjecímu proudu q 0 pohybujícímu se po poloměru r 0 rychlostí , stejnou rychlost světlo c.
K tomu rozdělíme celkový kruhový proud I (obr. 9.1) na elementární proudy Idl, vypočteme dE ind, působící v místě zkušebního náboje q, a integrujeme přes prstenec.
Takže proud tekoucí v našem případě podél prstence se rovná:
(9.1) I = qo v = qoc. 2 π r 0 2 π r 0
Protože je tento proud křivočarý, to znamená zrychlený, pak je
proměnné:
I. Misjučenko |
||||||||
dt 2 r |
2πr |
|||||||
kde a je dostředivé zrychlení, které každý aktuální prvek zažije při pohybu po kružnici rychlostí c.
Dosazením výrazu známého z kinematiky za zrychlení a = c 2 dostaneme: r 0
q0 c2 |
||||||
2πr |
2 π r 2 |
|||||
Je jasné, že derivace pro aktuální prvek bude vyjádřena vzorcem:
dl= |
q0 c2 |
dl. |
|||||
2πr |
2 π r 2 |
||||||
Jak vyplývá z Biot-Savart-Laplaceova zákona, každý proudový prvek Idl vytváří „elementární“ magnetické pole v místě, kde se nachází testovací náboj:
(9,5) dB = |
já[dl, rr] |
|||
Z kapitoly 4 je známo, že střídavé magnetické pole elementárního proudu generuje elektrické:
(9.6) dE r = v r B dB r = |
μ 0 |
|||||||||
já [dl, r] |
||||||||||
Nyní dosadíme do tohoto výrazu hodnotu derivace elementárního kruhového proudu z (9.4):
dl sin(β) |
|||||||||||
dE = |
|||||||||||
2 π r 2 |
|||||||||||
Zbývá integrovat tyto elementární intenzity elektrického pole podél aktuálního obrysu, to znamená přes všechny dl, které jsme identifikovali na kruhu:
q0 c2 |
hřích (β) |
r 2 ∫ |
hřích (β) |
||||||||
E = ∫ dE = ∫ 8 π |
2 π r 2 |
dl= |
16 π 2 ε |
dl. |
|||||||
Je snadné vidět (obr. 9.1), že integrace přes úhly poskytne:
(9.9) ∫ |
hřích (β) |
4 r 2 |
|||
dl = 2 r0 |
r 20 |
r 20. |
V souladu s tím bude celková hodnota intenzity elektrického pole indukce Eind z našeho křivočarého proudu v bodě, kde se nachází testovací náboj, stejná.
DEFINICE
Proton nazývaná stabilní částice patřící do třídy hadronů, což je jádro atomu vodíku.
Vědci se neshodnou na tom, jaké vědecké události by měly být považovány za objev protonu. Důležitou roli při objevu protonu sehrál:
- vytvoření planetárního modelu atomu E. Rutherfordem;
- objev izotopů F. Soddym, J. Thomsonem, F. Astonem;
- pozorování chování jader atomů vodíku při jejich vyřazení částicemi alfa z jader dusíku od E. Rutherforda.
První fotografie protonových stop získal P. Blackett v oblačné komoře při studiu procesů umělé přeměny prvků. Blackett zkoumal zachycování částic alfa jádry dusíku. Při tomto procesu se uvolnil proton a jádro dusíku se přeměnilo na izotop kyslíku.
Protony jsou spolu s neutrony součástí všech jader chemické prvky. Počet protonů v jádře určuje atomové číslo prvku periodický systém DI. Mendělejev.
Proton je kladně nabitá částice. Jeho náboj je modulově roven elementárnímu náboji, tedy velikosti náboje elektronu. Náboj protonu se často označuje jako , pak můžeme napsat, že:
V současnosti se má za to, že proton není elementární částice. Má složitou strukturu a skládá se ze dvou u-kvarků a jednoho d-kvarku. Elektrický náboj u - kvarku () je kladný a rovná se
Elektrický náboj d - kvarku () je záporný a rovný:
Kvarky váží výměnu gluonů, což jsou polní kvanta, nesou silnou interakci. Skutečnost, že protony mají ve své struktuře několik center bodového rozptylu, potvrzují experimenty na rozptylu elektronů protony.
Proton má konečnou velikost, o čemž se vědci stále přou. V současnosti je proton reprezentován jako oblak, který má rozmazaný okraj. Taková hranice se skládá z neustále vznikajících a ničících virtuálních částic. Ale ve většině jednoduché úkoly proton lze samozřejmě považovat za bodový náboj. Zbytková hmotnost protonu () je přibližně rovna:
Hmotnost protonu je 1836krát větší než hmotnost elektronu.
Protony se účastní všech základních interakcí: silné interakce spojují protony a neutrony do jader, elektrony a protony se spojují v atomech pomocí elektromagnetických interakcí. Jako slabou interakci můžeme uvést například beta rozpad neutronu (n):
kde p je proton; - elektron; - antineutrino.
Rozpad protonu nebyl dosud získán. To je jeden z důležitých moderních úkolů fyziky, protože tento objev by byl významným krokem k pochopení jednoty přírodních sil.
Příklady řešení problémů
PŘÍKLAD 1
Cvičení | Jádra atomu sodíku jsou bombardována protony. Jaká je elektrostatická odpudivá síla protonu od jádra atomu, pokud je proton ve vzdálenosti m. Uvažujme, že náboj jádra atomu sodíku je 11x větší než náboj protonu. Vliv elektronového obalu atomu sodíku lze ignorovat. |
Řešení | Vezmeme si Coulombův zákon jako základ pro řešení problému, který lze pro náš problém napsat (za předpokladu, že částice jsou bodové částice) takto:
kde F je síla elektrostatické interakce nabitých částic; Cl je náboj protonu; - náboj jádra atomu sodíku; - permitivita vakua; je elektrická konstanta. Pomocí údajů, které máme, můžeme vypočítat požadovanou odpudivou sílu: |
Odpovědět | H |
PŘÍKLAD 2
Cvičení | S ohledem na nejjednodušší model atomu vodíku se předpokládá, že elektron se pohybuje po kruhové dráze kolem protonu (jádra atomu vodíku). Jaká je rychlost elektronu, je-li poloměr jeho oběžné dráhy m? |
Řešení | Uvažujme síly (obr. 1), které působí na elektron pohybující se po kružnici. Toto je síla přitažlivosti ze strany protonu. Podle Coulombova zákona píšeme, že jeho hodnota je rovna ():
kde = je náboj elektronu; - protonový náboj; je elektrická konstanta. Přitažlivá síla mezi elektronem a protonem v libovolném bodě oběžné dráhy elektronu směřuje od elektronu k protonu podél poloměru kružnice. |
Pokud jste obeznámeni se strukturou atomu, pak pravděpodobně víte, že atom jakéhokoli prvku se skládá ze tří typů elementárních částic: protonů, elektronů, neutronů. Protony se spojují s neutrony a vytvářejí atomové jádro.Proton má kladný náboj, je atomové jádro vždy kladně nabité. atomového jádra je kompenzováno oblakem jiných elementárních částic, které jej obklopují. Záporně nabitý elektron je část atomu, která stabilizuje náboj protonu. V závislosti na tom, které atomové jádro obklopuje, může být prvek buď elektricky neutrální (v případě stejného počtu protonů a elektronů v atomu), nebo může mít kladný nebo záporný náboj (v případě nedostatku nebo přebytku elektronů, respektive). Atom prvku, který nese určitý náboj, se nazývá iont.
Je důležité si uvědomit, že právě počet protonů určuje vlastnosti prvků a jejich pozici v periodické tabulce. D. I. Mendělejev. Obsaženo v atomové jádro neutrony nemají náboj. Vzhledem k tomu, že oba protony jsou srovnatelné a prakticky si navzájem rovny a hmotnost elektronu je oproti nim zanedbatelná (1836x méně, pak počet neutronů v jádře atomu hraje velmi důležitá role, totiž: určuje stabilitu systému a rychlost jader. Obsah neutronů je určen izotopem (odrůdou) prvku.
V důsledku nesouladu mezi hmotnostmi nabitých částic však mají protony a elektrony různé specifické náboje (tato hodnota je určena poměrem náboje elementární částice k její hmotnosti). Výsledkem je, že specifický náboj protonu je 9,578756(27) 107 C/kg oproti -1,758820088(39) 1011 pro elektron. Vzhledem k vysoké hodnotě specifického náboje nemohou volné protony existovat v kapalném prostředí: jsou přístupné hydrataci.
Hmotnost a náboj protonu jsou specifické veličiny, které byly stanoveny na začátku minulého století. Který vědec učinil tento – jeden z největších – objevů dvacátého století? V roce 1913 Rutherford na základě skutečnosti, že hmotnosti všech známých chemických prvků jsou celočíselně větší než hmotnost atomu vodíku, navrhl, že jádro atomu vodíku je součástí jádra atomu. jakéhokoli prvku. O něco později Rutherford provedl experiment, ve kterém studoval interakci jader atomu dusíku s částicemi alfa. V důsledku experimentu vyletěla z jádra atomu částice, kterou Rutherford nazval „proton“ (z řeckého slova „protos“ – první) a navrhl, že jde o jádro atomu vodíku. Předpoklad byl experimentálně prokázán při opakovaném provádění tohoto vědeckého experimentu v oblačné komoře.
Tentýž Rutherford v roce 1920 předložil hypotézu o existenci částice v atomovém jádře, jejíž hmotnost se rovná hmotnosti protonu, ale která nenese žádný elektrický náboj. Samotnému Rutherfordovi se však tuto částici nepodařilo detekovat. Ale v roce 1932 jeho student Chadwick experimentálně prokázal existenci neutronu v atomovém jádru - částice, jak předpověděl Rutherford, přibližně stejné hmotnosti jako proton. Bylo obtížnější detekovat neutrony, protože nemají elektrický náboj, a proto neinteragují s jinými jádry. Absence náboje vysvětluje takovou vlastnost neutronů, jako je velmi vysoká penetrační síla.
Protony a neutrony jsou v atomovém jádře vázány velmi silnou interakcí. Nyní se fyzici shodují, že tyto dvě elementární jaderné částice jsou si navzájem velmi podobné. Mají tedy stejné rotace a jaderné síly na ně působí úplně stejným způsobem. Jediný rozdíl je v tom, že náboj protonu je kladný, zatímco neutron nemá náboj vůbec žádný. Ale protože na elektrickém náboji v jaderných interakcích nezáleží, lze jej považovat pouze za druh označení pro proton. Pokud však zbavíme proton elektrického náboje, ztratí svou individualitu.
Až do začátku 20. století považovali vědci atom za nejmenší nedělitelnou částici hmoty, ale ukázalo se, že tomu tak není. Ve skutečnosti je jeho jádro s kladně nabitými protony a neutrálními neutrony umístěno ve středu atomu, záporně nabité elektrony rotují kolem jádra na orbitalech (toto model atomu navrhl v roce 1911 E. Rutherford). Je pozoruhodné, že hmotnosti protonů a neutronů jsou téměř stejné, ale hmotnost elektronu je asi 2000krát menší.
Přestože atom obsahuje kladně i záporně nabité částice, jeho náboj je neutrální, protože atom má stejný počet protonů a elektronů a různě nabité částice se vzájemně neutralizují.
Později vědci zjistili, že elektrony a protony mají stejné množství náboje, rovné 1,6 10 -19 C (C - coulomb, jednotka elektrického náboje v soustavě SI.
Přemýšleli jste někdy nad otázkou - jaký počet elektronů odpovídá náboji 1 C?
1 / (1,6 10 -19) \u003d 6,25 10 18 elektronů
elektrická síla
Elektrické náboje na sebe působí, což se projevuje formou elektrická síla.
Pokud má těleso nadbytek elektronů, bude mít celkový záporný elektrický náboj a naopak - při deficitu elektronů bude mít těleso celkový kladný náboj.
Analogicky k magnetickým silám, když se stejně nabité póly odpuzují a opačně nabité póly se přitahují, elektrické náboje se chovají podobným způsobem. Ve fyzice však nestačí mluvit pouze o polaritě elektrického náboje, důležitá je jeho číselná hodnota.
Pro zjištění velikosti síly působící mezi nabitými tělesy je nutné znát nejen velikost nábojů, ale i vzdálenost mezi nimi. Dříve zvažováno gravitační síla F = (Gm1m2)/R2
- m1, m2- hmotnosti těles;
- R- vzdálenost mezi středy těles;
- G \u003d 6,67 10 -11 Nm 2 / kg je univerzální gravitační konstanta.
Fyzici v důsledku laboratorních experimentů odvodili podobný vzorec pro interakční sílu elektrických nábojů, tzv. Coulombův zákon:
F = kqiq2/r2
- q 1 , q 2 - interagující náboje, měřeno v C;
- r - vzdálenost mezi náboji;
- k - koeficient proporcionality ( SI: k=8,99109 Nm2C2; SGSE: k=1).
- k=l/(4πε 0).
- ε 0 ≈8,85·10 -12 C 2 N -1 m -2 - elektrická konstanta.
Podle Coulombova zákona, mají-li dva náboje stejné znaménko, pak síla F působící mezi nimi je kladná (náboje se vzájemně odpuzují); mají-li náboje opačná znaménka, je působící síla záporná (náboje se k sobě přitahují).
Jak obrovskou sílu má náboj 1 C lze posoudit pomocí Coulombova zákona. Pokud například předpokládáme, že dva náboje, každý v 1 C, jsou od sebe vzdáleny 10 metrů, budou se odpuzovat silou:
F \u003d kq 1 q 2 / r 2 F \u003d (8,99 10 9) 1 1 / (10 2) \u003d -8,99 10 7 N
To je poměrně velká síla, přibližně srovnatelná s hmotností 5600 tun.
Nyní pomocí Coulombova zákona zjistíme, jakou lineární rychlostí rotuje elektron v atomu vodíku za předpokladu, že se pohybuje po kruhové dráze.
Elektrostatická síla působící na elektron, podle Coulombova zákona, může být přirovnána k dostředivé síle:
F = kqiq2/r2 = mv2/r
Vezmeme-li v úvahu skutečnost, že hmotnost elektronu je 9,1 10 -31 kg a poloměr jeho oběžné dráhy = 5,29 10 -11 m, dostaneme hodnotu 8,22 10 -8 N.
Nyní můžete najít lineární rychlost elektronu:
8,22 10 -8 \u003d (9,1 10 -31) v 2 / (5,29 10 -11) v \u003d 2,19 10 6 m/s
Elektron atomu vodíku tedy rotuje kolem svého středu rychlostí rovnající se asi 7,88 milionu km/h.