Protonun elektrik yükü var mı? Proton yükü - temel parçacık fiziğinin temel miktarı
Bölüm 9. Temel ücretler. elektron ve proton
§ 9.1. Elektromanyetik kütle ve yük. Ücretin özü sorusu
Bölüm 5'te eylemsizliğin ortaya çıkma mekanizmasını öğrendik, “atalet kütlesi” nin ne olduğunu ve ne olduğunu açıkladık. elektriksel olaylar ve temel yüklerin özellikleri onu belirler. Bölüm 7'de aynı şeyi yerçekimi ve "yerçekimi kütlesi" fenomeni için yaptık. Vücutların hem ataletinin hem de yerçekiminin geometrik boyutu belirlediği ortaya çıktı. temel parçacıklar ve onların ücreti. Geometrik boyut tanıdık bir kavram olduğundan, atalet ve yerçekimi gibi temel fenomenlerin kalbinde, üzerinde az çalışılmış tek bir öz vardır - “yük”. Şimdiye kadar "şarj" kavramı gizemli ve neredeyse mistikti. İlk başta, bilim adamları yalnızca makroskopik yükler, yani. makroskopik cisimlerin yükleri. Bilimde elektrik çalışmasının başlangıcında, fazlalığı veya eksikliği cisimlerin elektriklenmesine yol açan görünmez “elektrik sıvıları” kavramı kullanıldı. Uzun bir süre, tartışma sadece bir sıvı mı yoksa ikisi mi olduğu hakkındaydı: olumlu ve olumsuz. Daha sonra "temel" yük taşıyıcı elektronların ve iyonize atomların, yani. elektron fazlalığı veya elektronu eksik atomlar. Hatta daha sonra, "en temel" pozitif yük taşıyıcıları olan protonlar keşfedildi. Sonra birçok "temel" parçacık olduğu ve bunların çoğunun elektrik yükü olduğu ortaya çıktı ve bu yük her zaman
yükün q 0 ≈ 1.602 10−19 C minimum saptanabilir kısmının bir katıdır. Bu
kısmı ve "temel ücret" olarak adlandırıldı. Yük, vücudun elektriksel etkileşimlere ve özellikle elektrostatik etkileşimlere katılım derecesini belirler. Bugüne kadar, temel bir yükün ne olduğuna dair anlaşılır bir açıklama yoktur. Yükün başka yüklerden (örneğin, kesirli yük değerlerine sahip kuarklar) oluştuğu konusunda herhangi bir akıl yürütme, bir açıklama değil, konunun skolastik bir “bulanıklaştırılması” dır.
Daha önce belirlediklerimizi kullanarak suçlamaları kendimiz düşünmeye çalışalım. Yükler için oluşturulan ana yasanın Coulomb yasası olduğunu hatırlayın: iki yüklü cisim arasındaki etkileşim kuvveti, yüklerinin büyüklüklerinin çarpımı ile doğru orantılı ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır. Coulomb yasasını daha önce incelenmiş herhangi bir fiziksel mekanizmadan türetirsek, o zaman yüklerin özünü anlamada bir adım atmış olacağız. Temel ücretlerin etkileşim açısından olduğunu zaten söylemiştik. dış dünya tamamen elektrik alanları tarafından belirlenir: yapısı ve hareketi. Ve temel yüklerdeki atalet ve yerçekiminin açıklanmasından sonra, hareket eden bir elektrik alanından başka hiçbir şeyin kalmadığını söylediler. Ve elektrik alanı, boşluk, eter, dolumun bozulmuş hallerinden başka bir şey değildir. Peki, tutarlı olalım ve elektronu ve yükünü hareketli bir alana indirgemeye çalışalım! Bölüm 5'te, yük işareti ve geometrik boyut dışında protonun tam olarak elektron gibi olduğunu tahmin etmiştik. Elektronu hareketli bir alana indirgeyerek hem yükün işaretini hem de parçacık yükü miktarının boyut üzerindeki bağımsızlığını açıklayabildiğimizi görürsek, en azından ilk yaklaşımda görevimiz tamamlanmış olacaktır.
§ 9.2. Garip akıntılar ve garip dalgalar. düz elektron
Başlangıç olarak, r 0 yarıçaplı dairesel bir yol boyunca hareket eden bir halka yükünün son derece basitleştirilmiş bir model durumunu (Şekil 9.1) ele alalım. Ve genel olarak ona izin ver
elektriksel olarak nötr, yani merkezi, işaretin karşısında bir yüke sahiptir. Bu sözde "düz elektron". Gerçek elektronun tam olarak böyle olduğunu iddia etmiyoruz, şimdilik sadece düz, iki boyutlu bir durumda serbest bir temel yüke eşdeğer elektriksel olarak nötr bir nesne elde etmenin mümkün olup olmadığını anlamaya çalışıyoruz. Eterin bağlı yüklerinden (vakum, plenum) yükümüzü yaratmaya çalışalım. Kesinlik için, halkanın yükü negatif olsun ve halkanın hareketi saat yönünde gerçekleşsin (Şekil 9.1). Bu durumda, akım I t saat yönünün tersine akar. küçük seçin
halka şarj elemanı dq ve ona küçük bir dl uzunluğu atayın. Zamanın her anında dq öğesinin v t teğetsel hızı ve a n normal ivmesi ile hareket ettiği açıktır. Böyle bir hareketle, dI elemanının toplam akımını ilişkilendirebiliriz -
vektör değeri. Bu değer, akışla yönünü sürekli olarak "döndüren" sabit bir teğet akımı dI t olarak temsil edilebilir.
zaman, yani hızlandırılmış. Yani, sahip normal hızlanma dI& n . Zorluk
Daha fazla değerlendirme, şimdiye kadar fizikte, ivmesi akımın kendi yönü ile aynı düz çizgide olan bu tür alternatif akımların dikkate alınması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Bu durumda durum farklıdır: mevcut dik ivmesine. Ve ne? Bu, önceden kesin olarak belirlenmiş fizik yasalarını geçersiz kılıyor mu?
Pirinç. 9.1. Halka akımı ve test yükü üzerindeki kuvvet etkisi
Tıpkı temel akımın kendisinin manyetik alanıyla (Biot-Savart-Laplace yasasına göre) ilişkili olması gibi, endüksiyonun elektrik alanı da, önceki bölümlerde gösterdiğimiz gibi, temel akımın hızlanmasıyla ilişkilidir. Bu alanların dış yük q üzerinde bir kuvvet etkisi vardır (Şekil 9.1). Yarıçap r 0 sonlu olduğundan, eylemler
halkanın sağ yarısının (şekle göre) temel akımları, sol yarının temel akımlarının zıt hareketi ile tam olarak telafi edilemez.
Böylece, halka akımı I ve harici test yükü q arasında
kuvvet etkileşimi oluşur.
Sonuç olarak, genel olarak yapımında tamamen elektriksel olarak nötr olacak, ancak bir halka akımı içeren bir nesneyi spekülatif olarak yaratabileceğimizi elde ettik. Vakumda halka akımı nedir? Bu yer değiştirme akımıdır. Yerleştirilen karşıt yüklerin tamamen geri kalanında bağlı negatif (veya tam tersi) vakum yüklerinin dairesel hareketi olarak temsil edilebilir.
içinde merkez. Aynı zamanda pozitif ve negatif bağlı yüklerin ortak dairesel hareketi olarak da temsil edilebilir, ancak farklı hızlarda veya farklı yarıçaplarda veya farklı uzunluklarda olabilir.
içinde farklı taraflar... Sonunda, duruma nasıl bakarsak bakalım, olacak
bir daire içinde kapalı, dönen bir elektrik alanına E indirgenebilir . Bu bir manyetik alan yaratır b, akımların akması ve ek, sınırsız bir cr olması nedeniyle de ohm elektrik alanı Eind bu akımların varlığı ile ilgili hızlandırılmış.
Gerçek temel yüklere (örneğin elektronlar) yakın gözlemlediğimiz tam olarak budur! İşte "elektrostatik" etkileşim denen fenomenolojimiz. Bir elektron oluşturmak için serbest yüklere (kesirli veya diğer bazı yük değerleriyle) ihtiyaç duymaz. Sadece yeterli bağlı vakum ücretleri! Bunu hatırla modern fikirler foton ayrıca hareketli bir elektrik alanından oluşur ve genellikle elektriksel olarak nötrdür. Foton bir halka şeklinde "bükülürse", elektrik alanı artık düz bir çizgide ve düzgün hareket etmeyecek, ancak hızlanacağı için bir yükü olacaktır. Şimdi farklı işaretlerin yüklerinin nasıl oluştuğu açıktır: “halka modelindeki” E alanı (Şekil 9.1) merkezden parçacığın çevresine yönlendirilirse, o zaman tam tersi ise yük bir işaretlidir. , sonra bir başkası. Bir elektron (veya bir pozitron) açarsak, bir foton yaratacağız. Gerçekte, dönme momentini koruma ihtiyacı nedeniyle, bir yükü fotona dönüştürmek için iki zıt yükü almanız, bir araya getirmeniz ve iki elektriksel olarak nötr foton elde etmeniz gerekir. Böyle bir fenomen (yok olma reaksiyonu) gerçekten de deneylerde gözlemlenir. Peki ücret nedir? elektrik alanının torku! Daha sonra, formüller ve hesaplamalarla uğraşmaya ve alternatif yer değiştirme akımı durumuna uygulanan indüksiyon yasalarından Coulomb yasasını elde etmeye çalışacağız.
§ 9.3. Faraday'ın tümevarım yasasının bir sonucu olarak Coulomb yasası
İki boyutlu (düzlemsel) yaklaşımda, elektrostatik anlamda elektronun, r 0 yarıçapı boyunca hızla hareket eden q 0 yük akımına eşit büyüklükteki akımın dairesel hareketine eşdeğer olduğunu gösterelim. , eşit hızışık c.
Bunu yapmak için, toplam dairesel akımı I (Şekil 9.1) Idl temel akımlarına böleriz, test yükünün q olduğu noktada hareket ederek dE ind'yi hesaplar ve halka üzerinde integral alırız.
Yani, bizim durumumuzda halka boyunca akan akım şuna eşittir:
(9.1) I = q 0 v = q 0 c . 2 π r 0 2 π r 0
Bu akım eğrisel olduğundan, yani hızlandığından,
değişkenler:
I. Misyuchenko |
son sır Tanrı |
|||||||
dt 2 r |
2πr |
|||||||
a, bir daire etrafında c hızıyla hareket ederken her bir mevcut elemanın deneyimlediği merkezcil ivmedir.
A = c 2 ivmesi için kinematikten bilinen ifadeyi değiştirerek şunu elde ederiz: r 0
q0 c2 |
||||||
2πr |
2 π r 2 |
|||||
Mevcut elemanın türevinin aşağıdaki formülle ifade edileceği açıktır:
dl= |
q0 c2 |
dl . |
|||||
2πr |
2 π r 2 |
||||||
Biot-Savart-Laplace yasasından aşağıdaki gibi, her akım öğesi Idl, test yükünün bulunduğu noktada bir “temel” manyetik alan oluşturur:
(9.5) dB = |
ben [ dl , rr ] |
|||
4. bölümden, temel akımın alternatif manyetik alanının bir elektrik ürettiği bilinmektedir:
(9.6) dE r = v r B dB r = |
μ 0 |
|||||||||
ben [dl, r] |
||||||||||
Şimdi bu ifadede (9.4)'ten temel dairesel akımın türevinin değerini değiştirelim:
dl günah(β) |
|||||||||||
dE = |
|||||||||||
2 π r 2 |
|||||||||||
Geriye bu temel elektrik alan kuvvetlerini mevcut kontur boyunca, yani çember üzerinde tanımladığımız tüm dl'nin üzerine entegre etmek kalır:
q0 c2 |
günah(β) |
r 2 ∫ |
günah(β) |
||||||||
E = ∫ dE = ∫ 8 π |
2 π r 2 |
dl= |
16 π 2 ε |
dl . |
|||||||
Açılar üzerinden entegrasyonun aşağıdakileri vereceğini görmek kolaydır (Şekil 9.1):
(9.9) ∫ |
günah(β) |
4 r 2 |
|||
dl = 2 r0 |
2 0 |
r2 0 . |
Buna göre, test yükünün bulunduğu noktadaki eğrisel akımımızdan endüksiyon E ind'nin elektrik alan gücünün toplam değeri eşit olacaktır.
TANIM
Proton bir hidrojen atomunun çekirdeği olan hadron sınıfına ait kararlı bir parçacık olarak adlandırılır.
Bilim adamları, hangi bilimsel olayların protonun keşfi olarak kabul edilmesi gerektiği konusunda hemfikir değiller. Protonun keşfinde önemli bir rol oynadı:
- atomun gezegensel modelinin E. Rutherford tarafından yaratılması;
- F. Soddy, J. Thomson, F. Aston tarafından izotopların keşfi;
- E. Rutherford tarafından nitrojen çekirdeklerinden alfa parçacıkları tarafından nakavt edildiklerinde hidrojen atomlarının çekirdeklerinin davranışının gözlemleri.
Proton izlerinin ilk fotoğrafları, elementlerin yapay dönüşüm süreçlerini incelerken bir bulut odasında P. Blackett tarafından elde edildi. Blackett, nitrojen çekirdekleri tarafından alfa parçacıklarının yakalanmasını araştırdı. Bu süreçte bir proton salındı ve nitrojen çekirdeği bir oksijen izotopuna dönüştürüldü.
Protonlar, nötronlarla birlikte, tüm canlıların çekirdeğinin bir parçasıdır. kimyasal elementler. Çekirdekteki proton sayısı elementin atom numarasını belirler. periyodik sistem DI. Mendeleyev.
Proton, pozitif yüklü bir parçacıktır. Yükü, modül olarak temel yüke, yani elektron yükünün büyüklüğüne eşittir. Bir protonun yükü genellikle olarak gösterilir, o zaman şunu yazabiliriz:
Şu anda protonun temel bir parçacık olmadığına inanılıyor. Karmaşık bir yapıya sahiptir ve iki u-kuark ve bir d-kuarktan oluşur. u - kuarkın () elektrik yükü pozitiftir ve şuna eşittir:
d - kuarkın () elektrik yükü negatiftir ve şuna eşittir:
Kuarklar alan kuantası olan gluonların değişimini bağlar, güçlü etkileşimi taşırlar. Protonların yapısında birkaç noktasal saçılma merkezi olduğu gerçeği, elektronların protonlar tarafından saçılması üzerine yapılan deneylerle doğrulanır.
Proton, bilim adamlarının hala tartıştığı sonlu bir boyuta sahiptir. Şu anda proton, bulanık bir sınırı olan bir bulut olarak temsil edilmektedir. Böyle bir sınır, sürekli ortaya çıkan ve yok olan sanal parçacıklardan oluşur. ama çoğunda basit görevler proton, elbette, bir nokta yükü olarak kabul edilebilir. Bir protonun () kalan kütlesi yaklaşık olarak şuna eşittir:
Bir protonun kütlesi, bir elektronun kütlesinden 1836 kat daha fazladır.
Protonlar tüm temel etkileşimlerde yer alır: güçlü etkileşimler, protonları ve nötronları çekirdekte birleştirir, elektronlar ve protonlar, elektromanyetik etkileşimlerin yardımıyla atomlarda birleşir. Örneğin, bir nötronun (n) beta bozunmasını zayıf bir etkileşim olarak gösterebiliriz:
burada p bir protondur; - elektron; - antinötrino.
Protonun bozunması henüz elde edilmedi. Bu, fiziğin önemli modern görevlerinden biridir, çünkü bu keşif, doğa güçlerinin birliğini anlamada önemli bir adım olacaktır.
Problem çözme örnekleri
ÖRNEK 1
Egzersiz yapmak | Sodyum atomunun çekirdeği protonlarla bombardımana tutulur. Proton uzaktaysa, bir protonun bir atomun çekirdeğinden elektrostatik itme kuvveti nedir? m Sodyum atomunun çekirdeğinin yükünün, protonun yükünden 11 kat daha büyük olduğunu düşünün. Sodyum atomunun elektron kabuğunun etkisi göz ardı edilebilir. |
Çözüm | Problemimiz için (parçacıkların nokta parçacık olduğunu varsayarak) aşağıdaki gibi yazılabilecek olan Coulomb yasasını problemin çözümü için temel alacağız:
burada F, yüklü parçacıkların elektrostatik etkileşiminin kuvvetidir; Cl proton yüküdür; - sodyum atomunun çekirdeğinin yükü; - vakum geçirgenliği; elektrik sabitidir. Elimizdeki verileri kullanarak istenen itme kuvvetini hesaplayabiliriz: |
Cevap | H |
ÖRNEK 2
Egzersiz yapmak | Hidrojen atomunun en basit modeli göz önüne alındığında, elektronun proton (hidrojen atomunun çekirdeği) etrafında dairesel bir yörüngede hareket ettiğine inanılmaktadır. Yörüngesinin yarıçapı m ise elektronun hızı nedir? |
Çözüm | Daire içinde hareket eden bir elektrona etki eden kuvvetleri (Şekil 1) düşünün. Bu, protonun yanından gelen çekim kuvvetidir. Coulomb yasasına göre değerinin () değerine eşit olduğunu yazıyoruz:
burada = elektron yükü; - proton yükü; elektrik sabitidir. Elektronun yörüngesinin herhangi bir noktasında bir elektron ve bir proton arasındaki çekim kuvveti, dairenin yarıçapı boyunca elektrondan protona yönlendirilir. |
Atomun yapısına aşina iseniz, muhtemelen herhangi bir elementin atomunun üç tip temel parçacıktan oluştuğunu bilirsiniz: protonlar, elektronlar, nötronlar. Protonlar, bir atom çekirdeği oluşturmak için nötronlarla birleşirler.Proton pozitif bir yüke sahip olduğundan, atom çekirdeği her zaman pozitif yüklüdür. Atom çekirdeğinin büyüklüğü, onu çevreleyen diğer temel parçacıkların bulutu tarafından telafi edilir. Negatif yüklü elektron, atomun proton yükünü stabilize eden kısmıdır. Hangi atom çekirdeğinin çevrelendiğine bağlı olarak, bir element ya elektriksel olarak nötr olabilir (bir atomda eşit sayıda proton ve elektron olması durumunda) ya da pozitif veya negatif bir yüke sahip olabilir (elektron eksikliği veya fazlalığı durumunda, sırasıyla). Belirli bir yük taşıyan bir elementin atomuna iyon denir.
Elementlerin özelliklerini ve periyodik tablodaki konumlarını belirleyen şeyin proton sayısı olduğunu hatırlamak önemlidir. D.I. Mendeleyev. İçerisinde atom çekirdeği nötronların yükü yoktur. Her iki protonun karşılaştırılabilir ve pratik olarak birbirine eşit olması ve bir elektronun kütlesi onlara kıyasla ihmal edilebilir olması nedeniyle (1836 kat daha az, o zaman bir atomun çekirdeğindeki nötron sayısı çok önemlidir. önemli rol, yani: sistemin kararlılığını ve çekirdeklerin hızını belirler. Nötronların içeriği, elementin izotopu (çeşitliliği) tarafından belirlenir.
Bununla birlikte, yüklü parçacıkların kütleleri arasındaki tutarsızlık nedeniyle, protonlar ve elektronlar farklı özgül yüklere sahiptir (bu değer, bir temel parçacığın yükünün kütlesine oranı ile belirlenir). Sonuç olarak, protonun özgül yükü 9.578756(27) 107 C/kg'a karşılık elektron için -1.758820088(39) 1011'dir. Spesifik yükün yüksek değeri nedeniyle, sıvı ortamda serbest protonlar mevcut olamaz: hidrasyona uygundurlar.
Protonun kütlesi ve yükü, geçen yüzyılın başında belirlenmiş belirli miktarlardır. Yirminci yüzyılın bu - en büyüklerinden biri - keşfini hangi bilim adamı yaptı? 1913'te Rutherford, bilinen tüm kimyasal elementlerin kütlelerinin bir hidrojen atomunun kütlesinden bir tam sayı kadar daha büyük olduğu gerçeğine dayanarak, bir hidrojen atomunun çekirdeğinin bir atomun çekirdeğine dahil olduğunu öne sürdü. herhangi bir elementin Bir süre sonra Rutherford, nitrojen atomunun çekirdeklerinin alfa parçacıkları ile etkileşimini incelediği bir deney yaptı. Deney sonucunda, Rutherford'un "proton" (Yunanca "protos" kelimesinden - ilk) olarak adlandırdığı atomun çekirdeğinden bir parçacık uçtu ve bunun hidrojen atomunun çekirdeği olduğunu öne sürdü. Bu bilimsel deneyin bir bulut odasında yeniden yapılması sırasında varsayım deneysel olarak kanıtlanmıştır.
1920'de aynı Rutherford, kütlesi bir protonun kütlesine eşit olan, ancak herhangi bir elektrik yükü taşımayan bir parçacığın atom çekirdeğinde varlığı hakkında bir hipotez ortaya koydu. Ancak, Rutherford'un kendisi bu parçacığı tespit edemedi. Ancak 1932'de öğrencisi Chadwick, atom çekirdeğinde bir nötronun varlığını deneysel olarak kanıtladı - Rutherford tarafından tahmin edildiği gibi, kütle olarak bir protona yaklaşık olarak eşit bir parçacık. Elektrik yükü olmadığı ve buna bağlı olarak diğer çekirdeklerle etkileşime girmediği için nötronları tespit etmek daha zordu. Bir yükün olmaması, nötronların böyle bir özelliğini çok yüksek bir nüfuz gücü olarak açıklar.
Protonlar ve nötronlar, atom çekirdeğinde çok güçlü bir etkileşimle bağlanır. Şimdi fizikçiler, bu iki temel nükleer parçacığın birbirine çok benzer olduğu konusunda hemfikir. Yani spinleri eşittir ve nükleer kuvvetler onlara tam olarak aynı şekilde etki eder. Tek fark, protonun yükünün pozitif, nötronun ise hiç yükü olmamasıdır. Ancak nükleer etkileşimlerdeki elektrik yükü önemli olmadığından, sadece proton için bir tür etiket olarak düşünülebilir. Bununla birlikte, protonu elektrik yükünden yoksun bırakırsa, bireyselliğini kaybeder.
20. yüzyılın başlarına kadar bilim adamları atomu maddenin bölünemez en küçük parçacığı olarak görüyorlardı, ancak durumun böyle olmadığı ortaya çıktı. Aslında, pozitif yüklü protonlara ve nötr nötronlara sahip çekirdeği atomun merkezinde bulunur, negatif yüklü elektronlar çekirdeğin etrafında yörüngelerde döner (bu atom modeli 1911'de E. Rutherford tarafından önerildi). Protonların ve nötronların kütlelerinin neredeyse eşit olması dikkat çekicidir, ancak bir elektronun kütlesi yaklaşık 2000 kat daha azdır.
Bir atom hem pozitif hem de negatif yüklü parçacıklar içermesine rağmen, yükü nötrdür, çünkü atom aynı sayıda proton ve elektrona sahiptir ve farklı yüklü parçacıklar birbirini nötralize eder.
Daha sonra bilim adamları, elektronların ve protonların aynı miktarda yüke sahip olduğunu, 1,6 10 -19 C'ye (C - coulomb, SI sisteminde bir elektrik yükü birimi) eşit olduğunu buldular.
Soruyu hiç düşündünüz mü - kaç elektron 1 C'lik bir yüke karşılık gelir?
1 / (1.6 10 -19) \u003d 6.25 10 18 elektron
elektrik kuvveti
Elektrik yükleri birbirleri üzerinde hareket eder ve bu formda kendini gösterir. elektrik kuvveti.
Bir vücudun fazla elektronu varsa, toplam negatif elektrik yüküne sahip olacaktır ve bunun tersi - elektron eksikliği ile vücut toplam pozitif yüke sahip olacaktır.
Manyetik kuvvetlere benzer şekilde, benzer yüklü kutuplar birbirini ittiğinde ve zıt yüklü kutuplar birbirini çektiğinde, elektrik yükleri benzer şekilde davranır. Ancak fizikte sadece elektrik yükünün polaritesinden bahsetmek yeterli değildir, sayısal değeri önemlidir.
Yüklü cisimler arasında etki eden kuvvetin büyüklüğünü bulmak için, yalnızca yüklerin büyüklüğünü değil, aralarındaki mesafeyi de bilmek gerekir. Daha önce düşünülmüş yer çekimi gücü: F = (Gm 1 m 2)/R2
- m1, m2- vücut kütleleri;
- R- vücut merkezleri arasındaki mesafe;
- G \u003d 6.67 10 -11 Nm 2 / kg evrensel yerçekimi sabitidir.
Laboratuvar deneyleri sonucunda fizikçiler, elektrik yüklerinin etkileşim kuvveti için benzer bir formül türetmişlerdir. Coulomb yasası:
F = kq 1 q 2 /r 2
- q 1 , q 2 - C ile ölçülen etkileşimli yükler;
- r - yükler arasındaki mesafe;
- k - orantılılık katsayısı ( Sİ: k=8.99 109 Nm2C2; SGSE: k=1).
- k=1/(4πε 0).
- ε 0 ≈8.85·10 -12 C 2 N -1 m -2 - elektrik sabiti.
Coulomb yasasına göre, iki yük aynı işarete sahipse, aralarında etki eden F kuvveti pozitiftir (yükler birbirini iter); yükler zıt işaretlere sahipse, etki eden kuvvet negatiftir (yükler birbirini çeker).
1 C'lik bir yükün kuvvetinin ne kadar büyük olduğu, Coulomb yasası kullanılarak değerlendirilebilir. Örneğin, her biri 1 C olan iki yükün birbirinden 10 metre mesafeyle ayrıldığını varsayarsak, birbirlerini kuvvetle iteceklerdir:
F \u003d kq 1 q 2 / r 2 F \u003d (8.99 10 9) 1 1 / (10 2) \u003d -8.99 10 7 N
Bu oldukça büyük bir kuvvettir, yaklaşık olarak 5600 tonluk bir kütle ile karşılaştırılabilir.
Şimdi, Coulomb yasasını kullanarak, bir elektronun bir hidrojen atomunda hangi doğrusal hızla döndüğünü, dairesel bir yörüngede hareket ettiğini varsayarak bulalım.
Coulomb yasasına göre bir elektrona etki eden elektrostatik kuvvet, merkezcil kuvvete eşitlenebilir:
F = kq 1 q 2 /r 2 = mv 2 /r
Bir elektronun kütlesinin 9,1 10-31 kg olduğu ve yörüngesinin yarıçapının = 5,29 10-11 m olduğu gerçeğini dikkate alarak, 8,22 10 -8 N değerini elde ederiz.
Şimdi elektronun lineer hızını bulabilirsiniz:
8.22 10 -8 \u003d (9.1 10 -31) v 2 / (5.29 10 -11) v \u003d 2.19 10 6 m / s
Böylece, hidrojen atomunun elektronu, merkezi etrafında yaklaşık 7.88 milyon km/saat'e eşit bir hızla döner.