ЭЛЕКТРОН | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

ЭЛЕКТРОН, элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, входящая в состав всех атомов, а следовательно, и любого обычного вещества. Это – самая легкая из электрически заряженных частиц. Электроны участвуют почти во всех электрических явлениях. В металле часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться, благодаря чему металлы хорошо проводят электричество. В плазме, т.е. ионизованном газе, положительно заряженные атомы также перемещаются свободно, но, имея гораздо большую массу, движутся значительно медленнее электронов, а потому вносят меньший вклад в электрический ток. Благодаря малой массе электрон оказался частицей, наиболее вовлеченной в развитие квантовой механики, частной теории относительности и их объединение – релятивистскую квантовую теорию поля. Считается, что в настоящее время полностью известны уравнения, описывающие поведение электронов во всех реально осуществимых физических условиях. (Правда, решение этих уравнений для систем, содержащих большое число электронов, таких, как твердое тело и конденсированная среда, все еще сопряжено с трудностями.)

Все электроны тождественны и подчиняются статистике Ферми – Дирака. Это обстоятельство выражается в принципе Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Одно из следствий принципа Паули заключается в том, что состояния наиболее слабо связанных электронов – валентных электронов, определяющих химические свойства атомов, – зависят от атомного номера (зарядового числа), который равен числу электронов в атоме. Атомный номер равен также заряду ядра, выраженному в единицах заряда протона

е. Другое следствие состоит в том, что электронные «облака», окутывающие ядра атомов, сопротивляются их перекрытию, вследствие чего обычное вещество обладает свойством занимать определенное пространство. Как и полагается элементарной частице, число основных характеристик электрона невелико, а именно масса (m_e » 0,51 МэВ » 0,91Ч10^–27 г), заряд (-e » -1,6Ч10^–19 Кл) и спин (¹/₂ћ »1/₂Ч0,66Ч10^–33 ДжЧс, где – постоянная Планка h, деленная на 2p). Через них выражаются все остальные характеристики электрона, например магнитный момент (»1,001m3 » 1,001Ч0,93Ч10^–23 Дж/Тл), за исключением еще двух констант, характеризующих слабое взаимодействие электронов ( см. ниже).

Первые указания на то, что электричество не является непрерывным потоком, а переносится дискретными порциями, были получены в опытах по электролизу. Результатом явился один из законов Фарадея (1833): заряд каждого иона равен целому кратному заряда электрона, называемого ныне элементарным зарядом е. Наименование «электрон» вначале относилось к этому элементарному заряду. Электрон же в современном смысле слова был открыт Дж.Томсоном в 1897. Тогда было уже известно, что при электрическом разряде в разреженном газе возникают «катодные лучи», несущие отрицательный электрический заряд и идущие от катода (отрицательно заряженного электрода) к аноду (положительно заряженному электроду). Исследуя влияние электрического и магнитного полей на пучок катодных лучей, Томсон пришел к выводу: если предположить, что пучок состоит из частиц, заряд которых не превышает элементарного заряда ионов

е, то масса таких частиц будет в тысячи раз меньше массы атома. (Действительно, масса электрона составляет примерно 1/1837 массы легчайшего атома, водорода.) Незадолго до этого Х.Лоренц и П.Зееман уже получили доказательства того, что электроны входят в состав атомов: исследования воздействия магнитного поля на атомные спектры (эффект Зеемана) показали, что у заряженных частиц в атоме, благодаря наличию которых свет взаимодействует с атомом, отношение заряда к массе такое же, как и установленное Томсоном для частиц катодных лучей.

Первая попытка описать поведение электрона в атоме связана с моделью атома Бора (1913). Представление о волновой природе электрона, выдвинутое Л.де Бройлем (1924) (и подтвержденное экспериментально К.Дэвиссоном и Л.Джермером в 1927), послужило основой волновой механики, разработанной Э.Шрёдингером в 1926. Одновременно на основании анализа атомных спектров С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком (1925) был сделан вывод о наличии у электрона спина. Строгое волновое уравнение для электрона было получено П.Дираком (1928). Уравнение Дирака согласуется с частной теорией относительности и адекватно описывает спин и магнитный момент электрона (без учета радиационных поправок).

Из уравнения Дирака вытекало существование еще одной частицы – положительного электрона, или позитрона, с такими же значениями массы и спина, как у электрона, но с противоположным знаком электрического заряда и магнитного момента. Формально уравнение Дирака допускает существование электрона с полной энергией либо і mс² (mс² – энергия покоя электрона), либо Ј – mс²; отсутствие радиационных переходов электронов в состояния с отрицательными энергиями можно было объяснить, предположив, что эти состояния уже заняты электронами, так что, согласно принципу Паули, для дополнительных электронов нет места. Если из этого дираковского «моря» электронов с отрицательными энергиями удалить один электрон, то возникшая электронная «дырка» будет вести себя как положительно заряженный электрон. Позитрон был обнаружен в космических лучах К.Андерсоном (1932).

По современной терминологии электрон и позитрон являются античастицами по отношению друг к другу. Согласно релятивистской квантовой механике, для частиц любого вида существуют соответствующие античастицы (античастица электрически нейтральной частицы может совпадать с ней). Отдельно взятый позитрон столь же стабилен, как и электрон, время жизни которого бесконечно, поскольку не существует более легких частиц с зарядом электрона. Однако в обычном веществе позитрон рано или поздно соединяется с электроном. (Вначале электрон и позитрон могут на короткое время образовать «атом», так называемый позитроний, сходный с атомом водорода, в котором роль протона выполняет позитрон.) Такой процесс соединения называется электрон-позитронной аннигиляцией; в нем полная энергия, импульс и момент импульса сохраняются, а электрон и позитрон превращаются в гамма-кванты, или фотоны, – обычно их два. (С точки зрения «моря» электронов данный процесс представляет собой радиационный переход электрона в так называемую дырку – незанятое состояние с отрицательной энергией.) Если скорости электрона и позитрона не очень велики, то энергия каждого из двух гамма-квантов приблизительно равна

mс². Это характеристическое излучение аннигиляции позволяет обнаруживать позитроны. Наблюдалось, например, такое излучение, исходящее из центра нашей Галактики. Обратный процесс превращения электромагнитной энергии в электрон и позитрон называется рождением электрон-позитронной пары. Обычно гамма-квант с высокой энергией «конвертируется» в такую пару, пролетая вблизи атомного ядра (электрическое поле ядра необходимо, поскольку при превращении отдельно взятого фотона в электрон-позитронную пару были бы нарушены законы сохранения энергии и импульса). Еще один пример – распад первого возбужденного состояния ядра ¹⁶О, изотопа кислорода.

Испусканием электронов сопровождается один из видов радиоактивности ядер. Это бета-распад – процесс, обусловленный слабым взаимодействием, при котором нейтрон в исходном ядре превращается в протон. Наименование распада происходит от названия «бета-лучи», исторически присвоенного одному из видов радиоактивных излучений, которое, как потом выяснилось, представляет собой быстрые электроны. Энергия электронов этого излучения не имеет фиксированного значения, поскольку (в соответствии с гипотезой, выдвинутой Э.Ферми) при бета-распаде вылетает еще одна частица – нейтрино, уносящая часть энергии, выделяющейся при ядерном превращении. Основной процесс таков:

Нейтрон ® протон + электрон + антинейтрино.

Испускаемый электрон не содержится в нейтроне; появление электрона и антинейтрино представляет собой «рождение пары» из энергии и электрического заряда, освобождающихся при ядерном превращении. Существует также бета-распад с испусканием позитронов, при котором находящийся в ядре протон превращается в нейтрон. Подобные превращения могут также происходить в результате поглощения электрона; соответствующий процесс называется К-захватом. Электроны и позитроны испускаются при бета-распаде и других частиц, например мюонов.

Роль в науке и технике.

Быстрые электроны широко применяются в современной науке и технике. Они используются для получения электромагнитного излучения, например рентгеновского, возникающего в результате взаимодействия быстрых электронов с веществом, и для генерации синхротронного излучения, возникающего при их движении в сильном магнитном поле. Ускоренные электроны применяют и непосредственно, например в электронном микроскопе, или при более высоких энергиях – для зондирования ядер. (В таких исследованиях была обнаружена кварковая структура ядерных частиц.) Электроны и позитроны сверхвысоких энергий используются в электрон-позитронных накопительных кольцах – установках, аналогичных ускорителям элементарных частиц. За счет их аннигиляции накопительные кольца позволяют с высокой эффективностью получать элементарные частицы с очень большой массой.

ЭЛЕКТРОН — это… Что такое ЭЛЕКТРОН?

Электрон (КА) — У этого термина существуют и другие значения, см. Электрон (значения). «Электрон 2» «Электрон» серия из четырёх советских искусственных спутников Земли, запущенных в 1964 году. Цель …   Википедия

Электрон — (Новосибирск,Россия) Категория отеля: 3 звездочный отель Адрес: 2 ой Краснодонский Переулок …   Каталог отелей

ЭЛЕКТРОН — (символ е , е), первая элем. ч ца, открытая в физике; матер. носитель наименьшей массы и наименьшего электрич. заряда в природе. Э. составная часть атомов; их число в нейтр. атоме равно ат. номеру, т. е. числу протонов в ядре. Заряд (е) и масса… …   Физическая энциклопедия

Электрон — (Москва,Россия) Категория отеля: 2 звездочный отель Адрес: Проспект Андропова 38 строение 2 …   Каталог отелей

Электрон — (e , e) (от греческого elektron янтарь; вещество, легко электризующееся при трении), стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом e=1,6´10 19 Кл и массой 9´10 28 г. Относится к классу лептонов. Открыт английским физиком… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

ЭЛЕКТРОН — (е е ), стабильная отрицательно заряженная элементарная частица со спином 1/2, массой ок. 9.10 28 г и магнитным моментом, равным магнетону Бора; относится к лептонам и участвует в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях.… …   Большой Энциклопедический словарь

электрон — сущ., кол во синонимов: 12 • дельта электрон (1) • лептон (7) • минерал (5627) • …   Словарь синонимов

ЭЛЕКТРОН — искусственный спутник Земли, созданный в СССР для изучения радиационных поясов и магнитного поля Земли. Запускались парами один по траектории, лежащей ниже, а другой выше радиационных поясов. В 1964 запущено 2 пары Электронов …   Большой Энциклопедический словарь

ЭЛЕКТРОН — ЭЛЕКТРОН, элктрона, муж. (греч. elektron янтарь). 1. Частица с наименьшим отрицательным электрическим зарядом, образующая в соединении с протоном атом (физ.). Движение электронов создает электрический ток. 2. только ед. Легкий магниевый сплав,… …   Толковый словарь Ушакова

ЭЛЕКТРОН — ЭЛЕКТРОН, а, м. (спец.). Элементарная частица с наименьшим отрицательным электрическим зарядом. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 …   Толковый словарь Ожегова

Кто открыл электрон — Парламентская газета

Электрон — это элементарная частица, являющаяся материальным носителем наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе. Открыл электрон английский физик Джозеф Томсон 29 апреля 1897 года.

Томсон объявил о существовании элементарной частицы на заседании Лондонского королевского общества. Открытие было сделано в результате изучения газового разряда. Занимаясь исследованием прохождения электрического тока через разреженные газы, учёный обнаружил электрон и определил его заряд.

Томсону удалось измерить отношение заряда электрона к массе, а впоследствии он разработал теорию движения частицы в магнитном и электрическом полях. За своё открытие Джозеф Томсон в 1906 году был удостоен Нобелевской премии по физике.

При помощи катодно-лучевой трубки, внутри которой создавались два поля — магнитное и электрическое, Томсон доказал что:

• катодные лучи отклоняются в магнитном поле при отсутствии электрического поля;
• катодные лучи отклоняются и в электрическом поле, если отсутствует магнитное поле;
• если магнитное и электрические поля ориентированы в разных направлениях, то лучи будут распространяться прямолинейно, то есть действие полей будет уравновешиваться. 

Томсону удалось измерить и скорость движения катодных лучей. Они двигались медленнее скорости света. А так как свет и электромагнитное излучение распространяются со скоростью света, то это означало, что катодные лучи могли быть только частицами.

Позже физик также предложил и новую модель атома. Теория атома, разработанная Томсоном, сыграла важную роль в формировании представлений о строении материи, хотя опыты, проведенные его преемником Эрнестом Резерфордом, заставили отказаться от данной модели устройства атома.

Интересные факты. То, что электричество представляет собой материальную субстанцию предположил еще Бенджамин Франклин, который известен своей политической деятельностью, хотя на самом деле он много занимался наукой и изобретениями. 

А термин «электрон» подарил миру ирландский математик и физик Джордж Стони. А Джозеф Томсон назвал открытые им частицы «корпускулами». 

Электрон и протон. В чем между ними разница?

Электроны и протоны — два основных компонента атома из трех. Ключевое различие между электроном и протоном состоит в том, что электрон — это заряженная частица с отрицательной полярностью. Напротив, протон — это заряженная частица, имеющая положительный заряд. И электрон, и протон являются фундаментальными компонентами атомной структуры и имеют собственное значение.

Что такое атом?

Мы знаем, что атом считается самой маленькой частицей, поскольку это фундаментальная единица, из которой состоит материя. Сам этот атом имеет 3 основные субатомные частицы, которые известны как электрон, протон и нейтрон.

Несколько атомов образуют молекулу, а атомы внутри молекулы связаны химическими связями. Электрический заряд атома поддерживает связь между атомами в молекуле. Среди электрона, протона и нейтрона электроны и протоны заряжены отрицательно и положительно соответственно, а нейтроны — нейтрально заряженные частицы.

Электроны и протоны обладают разными свойствами и находятся в разных местах внутри атома. Следовательно, есть основные различия между электроном и протоном, которые мы и обсудим в этой статье.

Сравнительная таблица

Параметры для сравнения	Электрон	Протон
Обозначение	e	p
Полярность	Отрицательный	Положительный
Расположение в атоме	Вне ядра на четко определенной орбите	Внутри ядра
Электрический заряд	-1	+1
Масса	Меньше9·10-31 кг	Сравнительно больше 1,67·10-27 кг
Способность перемещаться	Существует	Не существует
Возможность покидать или добавляться к атому	Можно легко «выбить» из атома или добавить к нему	Процесс «выбивания/добавления» к атому очень энергозатратный и очень трудно осуществим

Определение электрона

Электрон — субатомная частица атома, обладающая электрическим зарядом отрицательной полярности. В идеале внутри атома электроны находятся в сферических оболочках и движутся вокруг ядра по орбитальной траектории. А когда к электронам подводится внешняя энергия, они переходят от одного атома к другому.

По сути, энергия, передаваемая электронам, освобождает их от оболочек, таким образом, они становятся мобильными и прикрепляются к ближайшему к нему атому всякий раз, когда в этом конкретном атоме возникает недостаток электрона.

В случае проводников движение электронов является причиной протекания тока. Считается, что электрон имеет единичный электрический заряд, который обычно обозначается буквой e. Заряд электрона измеряется в кулонах и имеет значение около 1,602 · 10^-19 Кл. И все электроны считаются одинаково похожими друг на друга.

Определение протона

Протон — еще одна крупная частица атома с зарядом положительной полярности. Это важный компонент атома, который образует ядро атома с нейтроном. Поскольку ядро атома находится в центре, таким образом, протон, несущий положительный заряд, присутствует в центре атомной структуры.

Обозначается символом p и имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона: р = +1,602 · 10^-19 Кл.

Примечательно то, что количество протонов, присутствующих в атоме, обозначает его атомный номер. Протоны и нейтроны, содержащиеся в ядре атома вместе, называют нуклонами. Поскольку электроны и протоны имеют одинаковые по значению заряды, но противоположной полярности, то между ними, внутри атома, существует сила притяжения.

По этой причине электроны ограничены и движутся по орбитальному пути. У атома одинаковое количество электронов и протонов, поэтому положительный и отрицательный заряды аннулируются, что делает атом электрически нейтральным.

Ключевые различия между электроном и протоном

• Электрон — это отрицательно заряженный компонент атома, тогда как протон — положительно заряженный компонент.
• Электроны находятся вне ядра в орбитальных оболочках. Протоны вместе с нейтронами образуют ядро атома и находятся в центре атомных ядер.
• Электроны очень подвижны, поскольку они присутствуют в орбитах атомов и могут легко их покидать при подаче внешней энергии. Однако, поскольку протон присутствует в ядре атома, он не подвижен и не может покидать ядро, в отличии от электрона, который находится на орбите.
• Полярность электронов отрицательна, а протона положительна.
• Масса протона в 2000 раз больше массы электрона. Как правило, масса электрона составляет 9,1 · 10^-31 кг, а масса протона — 1,67 · 10^-27 кг.
• «Добавление и удаление» электронов в атом происходит довольно легко при подаче внешней энергии из-за того, что они находятся на орбитах, а не в ядре. Добавление и удаление протонов — задача не из легких и требует большого количества энергии.

Вывод

Таким образом, можем сделать вывод, что электроны, протоны и нейтроны составляют атом. Сила притяжения между разнополярными зарядами, электронов и протонов, связывает субатомные частицы внутри самого атома, “без участия нейтрально заряженных нейтронов”.

Как маленький электрон может рассказать о строении Вселенной

Какова форма электрона? Если вы вспомните картинки из школьных учебников, то ответ будет вполне простым: электрон — это маленький шарик с отрицательным зарядом, который меньше атома. Это, однако, довольно далеко от истины.

Электрон широко известен как один из основных компонентов атомов, составляющие мир вокруг нас. Именно электроны, окружающие ядро ​​каждого атома, определяют, как протекают химические реакции. Их применение в промышленности широко распространено: от электроники и сварки до формирования изображений и современных ускорителей частиц. Недавно, однако, физический эксперимент под названием ACME (Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment, дослово Улучшенный холодный молекулярный электрон с электрическим дипольным моментом) поставил электрон в центр научного исследования. Вопрос, на который пыталась ответить коллаборация ACME, был обманчиво прост: какова форма электрона?

Типичная школьная модель атома, где электроны показываются кружочками на орбитах вокруг ядра. Увы, на деле все устроено куда сложнее.

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны адаптировать наше определение формы, чтобы оно могло использоваться в невероятно малых масштабах, или, другими словами, в области квантовой физики. Видеть различные объекты в нашем макроскопическом мире — это значит обнаруживать нашими глазами лучи света, отражающиеся от этих объектов вокруг нас.

Проще говоря, мы определяем форму объекта, наблюдая, как они реагируют, когда мы светим на них. Хотя это может казаться странным способом узнавать о форме объекта, он становится очень полезным в субатомном мире квантовых частиц. Это дает нам способ определить свойства электрона так, чтобы они имитировали тот принцип, с помощью которого мы описываем формы объектов в классическом макромире.

Что заменяет концепцию формы в микромире? Поскольку свет — это не что иное, как комбинация колеблющихся электрических и магнитных полей, было бы полезно определить квантовые свойства электрона, которые несут информацию о том, как он реагирует на эти поля. Давайте сделаем это.

Электроны в электрическом и магнитном полях

В качестве примера рассмотрим простейшее свойство электрона: его электрический заряд. Он описывает силу — и, в конечном счете, ускорение, которое испытал бы электрон, если поместить его в какое-либо внешнее электрическое поле. Это свойство электрона — его заряд — выживает и в квантовом мире.

Аналогично, другое «выживающее» свойство электрона называется магнитным дипольным моментом. Это говорит нам, как электрон будет реагировать на магнитное поле. В этом отношении электрон ведет себя так же, как крошечный стержневой магнит, пытаясь ориентироваться вдоль направления магнитного поля. Хотя важно помнить, что не нужно слишком углубляться в эти аналогии, они просто помогают нам понять, почему физики заинтересованы в измерении этих квантовых свойств с максимально возможной точностью.

Какое квантовое свойство описывает форму электрона? На самом деле их несколько. Самое простое — и полезное для физиков — то, которое называется электрическим дипольным моментом, или ЭДМ.

В классической физике ЭДМ возникает при пространственном разделении зарядов (грубо говоря, это вектор, который соединяет «центр электрической отрицательности» системы с ее «центром электрической положительности»). Электрически заряженная сфера, в которой отсутствует разделение зарядов, имеет ЭДМ, равный нулю. Но представьте себе гантель, шарики которой противоположно заряжены: одна сторона положительно, а другая отрицательно. В макроскопическом мире эта гантель будет иметь ненулевой электрический дипольный момент. Если форма объекта отражает распределение его электрического заряда, это также будет означать, что форма объекта должна отличаться от сферической. Таким образом, очевидно, ЭДМ может помочь определить форму макроскопического объекта.

Электрический дипольный момент в квантовом мире

Однако в квантовом мире определить ЭДМ куда сложнее. Там пространство вокруг электрона не пусто и не неподвижно. Скорее, оно населено различными субатомными частицами, которые в течение коротких промежутков времени переходят в виртуальное существование.

Эти виртуальные частицы образуют «облако» вокруг электрона. Если мы направим свет на электрон, часть света может отразиться от виртуальных частиц в облаке, а не от самого электрона.

Это изменит числовые значения заряда электрона, магнитного и электрического дипольного моментов. Выполнение очень точных измерений этих квантовых свойств расскажет нам, как ведут себя эти неуловимые виртуальные частицы, когда они взаимодействуют с электроном, и изменяют ли они ЭДМ электрона.

Самое интересное, что среди этих виртуальных частиц могут быть новые, неизвестные нам виды, с которыми мы еще не сталкивались. Чтобы увидеть их влияние на электрический дипольный момент электрона, нам нужно сравнить результат измерения с теоретическими предсказаниями размера ЭДМ, рассчитанными в соответствии с принятой в настоящее время теории Вселенной, Стандартной модели.

Все элементарные частицы Стандартной модели.

До сих пор Стандартная модель точно описывала все лабораторные измерения, которые когда-либо проводились. Тем не менее, она не может решить многие из наиболее фундаментальных вопросов — например, почему материя доминирует над антиматерии во всей Вселенной. Стандартная модель также предсказывает ЭДМ электрона: она требует, чтобы он был настолько мал, чтобы эксперимент ACME не имел возможности его измерить. Но что случилось бы, если бы ACME фактически обнаружил ненулевое значение для электрического дипольного момента электрона?

Латаем дыры в Стандартной модели

Были предложены новые теоретические модели, которые исправляют недостатки Стандартной модели, предсказывая существование новых тяжелых частиц. Эти модели могут заполнить пробелы в нашем понимании Вселенной. Чтобы проверить такие модели, нам нужно доказать существование этих новых тяжелых частиц. Это можно сделать с помощью серьезных экспериментов, таких как эксперименты на международном Большом адронном коллайдере (БАК), путем непосредственного производства новых частиц в столкновениях при высоких энергиях.

В качестве альтернативы, мы могли бы видеть, как эти новые частицы изменяют распределение заряда в «облаке» и их влияние на ЭДМ электрона. Таким образом, однозначное наблюдение дипольного момента электрона в эксперименте ACME доказало бы, что новые частицы действительно присутствуют. Это была цель эксперимента ACME.

Что нужно сделать, чтобы измерить электрический дипольный момент? Нам нужно найти источник очень сильного электрического поля, чтобы проверить реакцию электрона на него. Один из возможных источников таких полей можно найти внутри таких молекул, как монооксид тория. Эта молекула и использовалась в эксперименте ACME. Светя тщательно настроенными лазерами на эти молекулы, можно узнать значения электрического дипольного момента электрона, если он не слишком мал.

Однако, как оказалось, это так. Физики коллаборации ACME не наблюдали электрический дипольный момент электрона — это говорит о том, что его значение слишком мало, чтобы их экспериментальный аппарат мог его обнаружить. Этот факт имеет важное значение для нашего понимания того, что мы можем ожидать от экспериментов на Большом адронном коллайдере в будущем.

Интересно, что тот факт, что коллаборацией ACME не был обнаружен ЭДМ электрона, фактически исключает существование новых тяжелых частиц, которые легче всего обнаружить на БАК. Это замечательный результат для «настольного» эксперимента, который влияет как на то, как мы планируем прямой поиск новых частиц на гигантском Большом адронном коллайдере, так и на то, как мы строим теории, описывающие природу частиц. Удивительно, что изучение чего-то такого маленького, как электрон, может многое рассказать нам о Вселенной.

Состав атомного ядра. Число протонов — урок. Химия, 8–9 класс.

Предложенная Э. Резерфордом в \(1911\) году ядерная (планетарная) модель строения атома сводится к следующим положениям:

• атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов;
• более \(99,96\) % массы атома сосредоточено в его ядре;
• диаметр ядра примерно в сто тысяч раз меньше диаметра самого атома.

Согласно этой модели можно дать следующее определение атома:

Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Ядро атома состоит из элементарных частиц: протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (ядерные частицы).

Протон  (\(p\)) — частица, имеющая заряд \(+1\) и относительную массу, равную \(1\).

Нейтрон  (\(n\)) — частица без заряда с относительной массой \(1\).

К элементарным частицам относятся также электроны (\(e\)), которые образуют электронную оболочку атома.

 

Рис. \(1\). Строение атома

Протоны и нейтроны имеют одинаковую массу. Масса электрона составляет 11840 массы протона и нейтрона. Поэтому основная масса атома сосредоточена в его ядре.

 

Протон имеет положительный заряд \(+1\). Заряд электрона — отрицательный и по величине равен заряду протона: \(–\)\(1\).

 

Частицы	Обозначения	Относительная  масса	Относительный     заряд
Протон	\(p\)	\(1\)	\(+1\)
Нейтрон	\(n\)	\(1\)	\(0\)
Электрон	\(e\)	\(1/1840\)	\(–1\)

 

Установлено, что число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в Периодической таблице.

 

Заряд ядра определяется числом протонов в нём. Значит, заряд ядра тоже равен порядковому номеру элемента.

 

Атом — электронейтральная частица, поэтому число электронов в нём равно числу протонов.

 

Обрати внимание!

Порядковый номер элемента \(=\) заряд ядра атома \(=\) число протонов в ядре \(=\) число электронов  в атоме.

Водород — элемент № \(1\). Заряд ядра его атома равен \(+1\). В ядре находится один протон, а в электронной оболочке — один электрон.

 

Углерод — элемент № \(6\). Заряд ядра его атома равен \(+6\), в нём — \(6\) протонов. В атоме содержится \(6\) электронов с общим зарядом \(–\)\(6\).

 

Обрати внимание!

Заряд ядра — главная характеристика атома.

Изучение строения атомных ядер привело к уточнению формулировки периодического закона. Современная формулировка звучит следующим образом:

cвойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величин зарядов ядер их атомов.

Источники:

Рис. 1. Строение атома © ЯКласс

Закон сохранения электрического заряда — формулы, определение

Электрический заряд

Электрический заряд — это физическая величина, которая определяет способность тел создавать электромагнитное поле и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

Мы состоим из клеток, клетки состоят из молекул, молекулы в свою очередь состоят из атомов, а атомы — из ядра и электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов.

Протон — это частица, которая заряжена положительно, нейтрон — нейтрально, а электрон — отрицательно. Электрон вращается по орбитам, которые во много раз больше, чем размер электрона.

Размер электрона с размером орбиты можно сравнить так: представьте футбольный мяч и футбольное поле. Во сколько раз поле больше мяча, во столько же раз орбита больше, чем электрон.

Как мы уже выяснили, электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются:

А вот измерять Электрический заряд мы будем в Кулонах [Кл]. Нет, не тех, что болтаются на цепочке. Шарль Кулон — это физик, который изучал электромагнитные явления.

Электризация

Чтобы разобраться с тем, как тело приобретает электрический заряд и сохраняет его, нам для начала нужно поближе познакомится с протоном и электроном. Протон — ленивый и неповоротливый — он точно не будет никуда перемещаться, если мы не переместим атом целиком.

А вот электрон — парень подвижный, и ему перебежать с одного атома на другой — ничего не стоит.

Мы поговорим о двух типах электризации: электризация соприкосновением и электризация трением.

• Электризация соприкосновением — это процесс, при котором мы берем два проводящих тела: отрицательно заряженное и нейтральное.

Свободные электроны переходят с незаряженного тела на нейтральное. А если мы возьмем положительно заряженное тело вместо отрицательного, то свободные электроны перейдут с нейтрального тела, чтобы уравновесить заряды.

• Электризации трением — это когда мы берем два незаряженных тела и трем их друг о друга.

Электроны переходят от одного тела к другому и в отличии от электризации соприкосновением заряжаются противоположными по знаку и равными по модулю зарядами.

То есть при соприкосновении заряд раздают одного знака и поровну. Как если бы ты поделился с другом конфетами, которых у тебя с избытком.

При трении наоборот — заряды у тел будут разных знаков, но также в одинаковом количестве. Например, у вас есть равное количество денег в рублях и долларах, и у меня аналогичная ситуация с той же суммой. Вы решили лететь в США, а мне как раз доллары не нужны. Чтобы не ходить в банк, мы можем просто поменяться. Тогда у вас будут только доллары, а у меня — только рубли. Главное, договориться про курс 🙂

Давайте решим пару задач по этой теме.

Задачка один

Из какого материала может быть сделан стержень, соединяющий электрометры, изображённые на рисунке?

А. Стекло

Б. Эбонит

Решение:

Он может быть сделан либо из проводника, либо из диэлектрика. Проводник пропускает через себя заряды, а диэлектрик — нет. Если мы посмотрим на показания электрометров, то увидим, что они отличаются.

Как мы помним, при соприкосновении заряды уравниваются по величине (один электрометр делится конфетами с другим). В данном случае никто ни с кем не делился, это значит, что стержень не пропускает — он диэлектрик. И стекло, и эбонит являются диэлектриками. Значит подходят оба варианта!

Задачка два

В процессе трения о шёлк стеклянная линейка приобрела положительный заряд. Как при этом изменилось количество заряженных частиц на линейке и шёлке при условии, что обмен при трении не происходил?

А) количество протонов на стеклянной линейке

Б) количество электронов на шёлке

Решение:

Вспомните, как мы охарактеризовали протон: он ленивый и неподвижный! Значит количество протонов ни на стеклянной линейке, ни на шелке измениться просто не может. Мы же не отламываем кусок линейки вместе с атомами, из которых она состоит. А вот электроны охотно перемещаются. Нам известно, что линейка приобрела положительный заряд. Получается, электроны сбежали от нее к шелку. Следовательно, количество электронов на шелке увеличилось.

Электростатическая индукция

Кажется, с электризацией разобрались. Теперь разберемся, что произойдет, если мы поднесем одно тело к другому, но не вплотную. Произойдет такое явление, как электростатическая индукция — явление перераспределения зарядов в нейтрально заряженных телах.

Давай разбираться на примере задачи:

На нити подвешен незаряженный металлический шарик. К нему снизу поднесли положительно заряженную палочку. Как изменится при этом сила натяжения нити?

Решение:

Здесь важно подчеркнуть, что незаряженный — значит заряжен нейтрально. То есть в теле равное количество положительных и отрицательных зарядов.

Электроны металлического шарика будут притягиваться к поднесенной положительной палочке. В результате шарик притягивается к палочке, следовательно, сила натяжения нити увеличивается.

Ответ: сила натяжения нити увеличивается

Поляризация диэлектрика

Давайте возьмем два, на первый взгляд, одинаковых задания из ЕГЭ.

Задание 1

Если к незаряженному металлическому шару поднести, не касаясь, точечный положительный заряд, то на стороне шара, ближайшей к заряду, появится отрицательный заряд. Как называется это явление?

Мы только что это разобрали: то электростатическая индукция.

Задание 2

Если к незаряженному диэлектрическому шару поднести, не касаясь, точечный положительный заряд, то на стороне шара, ближайшей к заряду, появится отрицательный заряд. Как называется это явление?

Кажется, что очень похоже на электростатическую индукцию, но это явление будет называться поляризация. В чем разница:

В первом случае — это проводник, а во втором — диэлектрик. Если не вдаваться в подробности, то поляризация диэлектрика — процесс, очень похожий по природе своей на электростатическую индукцию, только происходит в непроводящих материалах.

Закон сохранения электрического заряда

И последнее, о чем мы сегодня поговорим — этот закон сохранения заряда

Звучит он так:

Алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Закон сохранения заряда q1 + q2 + q3 + … + qn = const q1, q2, q3, …, qn — заряды электрически замкнутой системы [Кл]

Задачка раз

У нас есть два металлических шарика. Один имеет положительный заряд 2q, а другой — отрицательный -3q. Шарики соприкасаются, после чего их разъединяют. Каков конечный заряд каждого шарика?

Решение:

Для решения этой задачи нам нужно найти алгебраическую сумму зарядов.

2q – 3q = -1q.

Это суммарный заряд шариков и до, и после и во время взаимодействия.

Так как суммарный заряд сохраняется, но шарики соприкоснулись, суммарный заряд разделится между всеми шариками поровну. То есть нам нужно суммарный заряд просто поделить на количество шариков — на 2.

-1/2 = -0,5q.

И это ответ к нашей задаче.

Ответ: конечный заряд шариков будет равен -0,5 Кл.

Задачка два

Металлическая пластина, имевшая положительный заряд, по модулю равный 10е, при освещении потеряла шесть электронов. Каким стал заряд пластины?

Решение:

У положительно заряженной пластины 10e забрали 6 электронов. Заряд одного электрона равен -е. Спасемся математикой и посчитаем:

q = q₀ — 6(— e) = 10e + 6e = 16e

Красный знак «минус» образуется из-за того, что мы «отнимаем» электроны, а зеленый — из-за того, что электрон отрицательный. «Минус на минус» дает плюс, поэтому мы получаем 10e + 6e = 16е.

Ответ: 16е

Задачка три

Имеются два одинаковых проводящих шарика. Одному из них сообщили электрический заряд +8q, другому -4q. Затем шарики привели в соприкосновение и развели на прежнее расстояние. Какими стали заряды у шариков после соприкосновения?

Решение:

По закону сохранения заряда сумма зарядов в замкнутой системе остается постоянной.

+8q — 4q = + 4q

Два шарика привели в соприкосновение и развели, значит их суммарный заряд разделится между шариками поровну.

+4q/2 = +2q

Ответ: заряды шариков равны 2q.

Закон Кулона и связь с гравитацией

Мы уже упоминали Шарля Кулона. В честь него названа единица измерения заряда — Кулон. Он придумал закон о взаимодействии зарядом.

Закон Кулона F = k*(q₁*q₂/r²) k — коэффициент пропорциональности E₀= 8,85 * 10-12Н*м²/Кл² — электрическая постоянная E — диэлектрическая проницаемость среды — показывает во сколько раз сила электростатического взаимодействия в вакууме больше силы в среде (в вакууме равна 1) q1 — заряд первого тела [Кл] q2 — заряд второго тела [Кл] r — расстояние между телами [м] F — сила электростатического взаимодействия (кулоновская) [Н]

Мы уже знаем, что заряды бывают положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Это значит, что сила направлена туда же, куда заряд будет стремиться двигаться.

Например, у положительного заряда сила будет направлена в сторону отрицательного, если он есть где-то поблизости, и от положительного, так как одноименные заряды отталкиваются.

Согласно третьему закону Ньютона, силы одной природы возникают попарно, равны по величине, противоположны по направлению. Если взаимодействуют два неодинаковых заряда, сила, с которой больший заряд действует на меньший (В на А) равна силе, с которой меньший действует на больший (А на В).

Интересно, что у различных законов физики есть некоторые общие черты. Вспомним закон тяготения. Сила гравитации также обратно пропорциональны квадрату расстояния, но уже между массами. И невольно возникает мысль, что в этой закономерности таится глубокий смысл. До сих пор никому не удалось представить тяготение и электричество, как два разных проявления одной и той же сущности.

Сила и тут изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, но разница в величине электрических сил и сил тяготения поразительна. Пытаясь установить общую природу тяготения и электричества, мы обнаруживаем такое превосходство электрических сил над силами тяготения, что трудно поверить, будто у тех и у других один и тот же источник. Нельзя говорить, что одно действует сильнее другого, ведь все зависит от того, какова масса и каков заряд.

Рассуждая о том, насколько сильно действует тяготение, мы не вправе говорить: «Возьмем массу такой-то величины», потому что мы выбираем ее сами. Но если мы возьмем то, что предлагает нам сама Природа: ее собственные числа и меры, которые не имеют ничего общего с нашими дюймами, годами — с любыми нашими мерами, вот тогда мы можем сравнивать.

Мы возьмем элементарную заряженную частицу, например, электрон. Две элементарные частицы, два электрона, за счет электрического заряда отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, а за счет гравитации притягиваются друг к другу опять-таки с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния.

Закон Всемирного тяготения F = G*(m₁*m₂/r²) G= 6,67 * 10⁻¹¹*11м³/кг*c² — гравитационная постоянная m1 — масса первого тела [кг] m2 — масса второго тела [кг] r — расстояние между телами [м] F — сила гравитационного притяжения [Н]

Тяготение относится к электрическому отталкиванию, как единица к числу с 42 нулями. Да, это огромное число! Исследователи перебирали все большие числа, чтобы понять — откуда это взялось. Одно из таких больших чисел — это отношение диаметра Вселенной к диаметру протона — как ни удивительно, это тоже число с 42 нулями. Нормально так перебрали.

Если вы смотрели Рика и Морти, то знаете о теории параллельных вселенных и о том, что эти вселенные расширяются. Из-за расширения вселенной постоянная сила тяготения меняется. Хотя эта гипотеза еще не опровергнута, у нас нет никаких свидетельств в ее пользу. Наоборот, некоторые данные говорят о том, что постоянная сила тяготения не менялась таким образом. Это громадное число по сей день остается загадкой.

От расширяющихся вселенных и мультиков перейдем к чему-то более приземленному — к задачам.

Задачка раз

Расстояние между двумя точечными электрическими зарядами уменьшили в 3 раза, каждый из зарядов увеличили в 3 раза. Во сколько раз увеличился модуль сил электростатического взаимодействия между ними?

Решение:

Возьмем закон Кулона.

F = k*(q₁*q₂/r²)

Если расстояние уменьшилось в 3 раза, то знаменатель уменьшился в 9 раз. Каждый из зарядов увеличился в три раза, значит числитель увеличился в 9 раз. Уменьшаем знаменатель в 9 раз, тем самым увеличивая всю дробь в 9 раз, увеличиваем числитель в 9 раз, получаем, что вся дробь увеличилась в 81 раз. И это ответ.

Ответ: модуль сил электростатического взаимодействия увеличится в 81 раз.

Задачка два (последняя!)

Два одинаковых маленьких отрицательно заряженных металлических шарика находятся в вакууме на достаточно большом расстоянии друг от друга. Модуль силы их кулоновского взаимодействия равен F₁. Модули зарядов шариков отличаются в 5 раз.

Если эти шарики привести в соприкосновение, а затем расположить на прежнем расстоянии друг от друга, то модуль силы их кулоновского взаимодействия станет равным F₂. Определите отношение F₂ к F₁.

Решение:

Для начала найдем заряд шариков после соприкосновения.

(q₁ + q₂)/2= (5q + q)/2= 3q

Теперь по закону кулона найдем силу F2

F = k * (q₁*q₂/r²) = (9kq²)/r²

И находим отношение сил

F₂/F₁ = 1,8

Ответ: отношение сил равно 1,8

Определение электрона по Merriam-Webster

электрон | \ i-ˈlek-ˌträn \ : элементарная частица, состоящая из заряда отрицательного электричества, равного примерно 1.602 × 10 ⁻¹⁹ кулон и имеющий массу в покое около 9,109 × 10 ⁻³¹ килограмм или около / ₁₈₃₆ массы протона

Определение электрона в науке

Электрон — это стабильный отрицательно заряженный компонент атома.Электроны существуют вне ядра атома и окружают его. Каждый электрон несет одну единицу отрицательного заряда (1,602 x 10 ^-19 кулонов) и имеет небольшую массу по сравнению с массой нейтрона или протона. Электроны намного менее массивны, чем протоны или нейтроны. Масса электрона 9,10938 x 10 ^-31 кг. Это примерно 1/1836 массы протона.

В твердых телах электроны являются основным средством проведения тока (поскольку протоны крупнее, обычно связаны с ядром и, следовательно, их труднее перемещать).В жидкостях носителями тока чаще являются ионы.

Возможность появления электронов была предсказана Ричардом Лэмингом (1838-1851), ирландским физиком Дж. Джонстоном Стоуни (1874) и другими учеными. Термин «электрон» впервые был предложен Стони в 1891 году, хотя электрон был открыт только в 1897 году британским физиком Дж. Дж. Дж. Томсон.

Обычный символ электрона — e ^— . Античастица электрона, несущая положительный электрический заряд, называется позитроном или антиэлектроном и обозначается символом β ^— .Когда электрон и позитрон сталкиваются, обе частицы аннигилируют и испускаются гамма-лучи.

Электронные факты

• Электроны считаются типом элементарных частиц, потому что они не состоят из более мелких компонентов. Они представляют собой тип частиц, принадлежащих к семейству лептонов, и имеют наименьшую массу любого заряженного лептона или другой заряженной частицы.
• В квантовой механике электроны считаются идентичными друг другу, потому что никакие внутренние физические свойства не могут использоваться для их различения.Электроны могут меняться местами друг с другом, не вызывая заметных изменений в системе.
• Электроны притягиваются к положительно заряженным частицам, например протонам.
• Обладает ли вещество чистым электрическим зарядом или нет, определяется балансом между числом электронов и положительным зарядом атомных ядер. Если электронов больше, чем положительных зарядов, материал называется отрицательно заряженным. Если имеется избыток протонов, объект считается заряженным положительно.Если количество электронов и протонов сбалансировано, материал считается электрически нейтральным.
• Электроны могут существовать в вакууме свободно. Их называют свободных электронов. Электроны в металле ведут себя так, как если бы они были свободными электронами, и могут двигаться, создавая чистый поток заряда, называемый электрическим током. Когда электроны (или протоны) движутся, создается магнитное поле.
• Нейтральный атом имеет такое же количество протонов и электронов. Он может иметь переменное количество нейтронов (образующих изотопы), поскольку нейтроны не несут чистый электрический заряд.
• Электроны обладают свойствами как частиц, так и волн. Они могут дифрагировать, как фотоны, но могут сталкиваться друг с другом и другими частицами, как другая материя.
• Атомная теория описывает электроны как окружающие протон / нейтронное ядро ​​атома оболочками. Хотя теоретически электрон можно найти где угодно в атоме, наиболее вероятно, что он находится в его оболочке.
• Электрон имеет спин или собственный угловой момент 1/2.
• Ученые способны изолировать и удерживать один электрон в устройстве, называемом ловушкой Пеннинга.Изучая отдельные электроны, исследователи обнаружили, что наибольший радиус электрона составляет 10 ^-22 метров. Для большинства практических целей предполагается, что электроны являются точечными зарядами, то есть электрическими зарядами без физических размеров.
• Согласно теории Вселенной Большого взрыва, фотоны обладали достаточной энергией в течение первой миллисекунды взрыва, чтобы реагировать друг с другом с образованием электронно-позитронных пар. Эти пары аннигилировали друг друга, испуская фотоны. По неизвестным причинам пришло время, когда электронов было больше, чем позитронов, и больше протонов, чем антипротонов.Выжившие протоны, нейтроны и электроны начали реагировать друг с другом, образуя атомы.
• Химические связи — это результат переноса или разделения электронов между атомами. Электроны также используются во многих приложениях, таких как вакуумные лампы, фотоэлектронные умножители, электронно-лучевые трубки, пучки частиц для исследований и сварки, а также лазер на свободных электронах.
• Слова «электрон» и «электричество» восходят к древним грекам. Древнегреческое слово для обозначения янтаря было электрон .Греки заметили, что натирание меха янтарем заставляет янтарь притягивать мелкие предметы. Это самый ранний зарегистрированный эксперимент с электричеством. Английский ученый Уильям Гилберт придумал термин «электрик» для обозначения этого привлекательного свойства.

Определение электронов — Химический словарь

Что такое электроны?

Электрон — это основная единица отрицательного заряда Вселенной. Он считается действительно фундаментальным, потому что его нельзя разделить на более мелкие частицы, и он не имеет обнаруживаемой структуры.Его символ обычно e ^— или β ^— .

Заряд электронов

Все электроны несут элементарный заряд, который составляет -1,602 x 10 ^-19 Кл.

Электрические и магнитные поля

Как и все заряды, заряд электрона создает собственное электрическое поле.

Поскольку электрон всегда находится в движении, как любой движущийся заряд, он генерирует собственное магнитное поле.

Атомы каждого химического элемента имеют равное количество отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов — поэтому они электрически нейтральны.

Масса

Электроны имеют крошечную массу: 9,109 x 10 ^-31 кг (с четырьмя значащими цифрами).

Даже по сравнению с протонами масса электрона невелика: отношение масс протона к электрону составляет 1836 (с четырьмя значащими цифрами).

Диаметр

Считается, что электрон не имеет ни диаметра, ни объема. Считается, что это точечная частица.

Расположение и занимаемая площадь

В атомах электроны занимают объем пространства с центром в ядре.Электроны движутся в гораздо большем объеме, чем занимает ядро.

• Например, ядро ​​атома водорода (отдельный протон) имеет диаметр 1,75 x 10 ^-15 м.
• Боровский диаметр атома водорода, в основном электронного орбитального пространства, составляет 1,06 x 10 ^-10 м.

Разница между этими диаметрами составляет около 60 000 раз.

Электроны и соединения

Уровни энергии электронов и их взаимодействия определяют химическое поведение и связывание веществ.Типичные примеры:

• атомов могут ионизироваться с образованием соединений
• атомов могут образовывать соединения, разделяя электроны в ковалентных связях

Бета-частицы

Во время радиоактивного бета-распада нейтрон распадается на протон. Это сопровождается выбросом из ядра электронного антинейтрино и электрона очень высокой энергии, известного как бета-частица, символ β ^— .

Электричество и магнетизм

Статическое электричество возникает в результате движения электронов от одного тела к другому: это разделение электрического заряда означает, что одно тело заряжено положительно, а другое — отрицательно.

Электрический ток — это поток электрического заряда, обычно электронов, хотя это могут быть ионы. Электропроводность основана на легкости движения электронов.

Магнетизм возникает в результате движения электронов.

Тепло

Электроны играют важную роль в теплопроводности.

Потребность в квантовой физике

В атомах электроны связаны с ядром электростатическим притяжением. В классической физике электроны должны терять энергию и двигаться по спирали в положительное ядро.Если бы это было так, у атомов было бы очень ограниченное время жизни. Следовательно, классическая физика не может объяснить существование атомов.

В квантовой физике электроны могут занимать только определенные определенные уровни энергии и в нормальных условиях не будут объединяться с протонами в ядре. (Электроны действительно соединяются с протонами в экстремальных условиях, связанных с нейтронными звездами.)

Нильс Бор построил первую квантово-механическую модель атома, которая требовала, чтобы электроны занимали определенные орбиты.Свет излучается или поглощается, когда электрон прыгает между уровнями.

Двойственность волны-частицы

Квантовая физика установила принцип дуальности волна-частица или волна материи: частицы могут вести себя как волны со скоростями, длинами волн, амплитудами и частотами; и может отражаться, преломляться и дифрагировать.

Уравнение де Бройля и электронные волны

Длину волн материи можно рассчитать по уравнению де Бройля:

λ = h / p

где: λ = длина волны; h = постоянная Планка; и p = импульс.

Электроны имеют длину волны и могут вести себя как волны.

Уравнение Шредингера

Уравнение Шредингера позволяет вычислить квантово-механическую волновую функцию электрона.

С Ψ и Ψ ² мы получаем три из четыре квантовых числа, которые характеризуют электроны в атоме или молекуле, а также формы и ориентации электронных орбиталей.

Уравнение Дирака и электронный спин

Уравнение Дирака, волновое уравнение для электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, естественным образом порождает квантово-механические свойства электронного спина.

Спин электрона может быть либо + ½, либо — ½. Субатомные частицы, которые могут иметь спин + ½ или — ½, называются фермионами. В отличие от бозонов, никакие два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, поэтому они подчиняются принципу исключения Паули.

Электроны являются фермионами и подчиняются принципу исключения Паули.

Квантовые числа

Каждый электрон в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами: n, l, m _l и m _s .

• n: главное квантовое число
• l: квантовое число орбитального углового момента
• m _l : магнитное квантовое число
• m _s : квантовое число спина

Принцип исключения Паули гласит, что никакие два электрона в атоме не могут иметь одинаковые четыре квантовых числа: каждый электрон должен существовать в уникальном состоянии.Электроны в разных атомах удовлетворяют этому требованию, потому что атомы находятся в разных местах в пространстве.

Угловой момент

Помимо массы и заряда электроны обладают угловым моментом. Это бывает двух форм: орбитальный угловой момент, связанный с электроном, вращающимся вокруг ядра; и спиновый угловой момент, упомянутый выше.

Дифракция электронов

Электронно-дифракционные методы определения атомной и молекулярной структуры твердых тел основаны на волновом поведении электронов.

Электромагнетизм

Фотоны видимого света производятся или поглощаются, когда электроны прыгают между допустимыми уровнями энергии в атомах.

ELECTRON Английский Определение и значение

Стабильная субатомная частица с зарядом отрицательного электричества, обнаруженная во всех атомах и действующая в качестве основного носителя электричества в твердых телах.

Масса электрона составляет около 9 × 10²⁸g, что в 1836 раз меньше массы протона. Электроны вращаются вокруг положительно заряженных ядер атомов и отвечают за связывание атомов вместе в молекулы, а также за электрические, тепловые, оптические и магнитные свойства твердых тел.Электрические токи в металлах и полупроводниках состоят из потока электронов, а свет, радиоволны, рентгеновские лучи и большое количество теплового излучения производятся ускорением и замедлением электронов

«Античастица электрона — позитрон; есть также антикварки и антинейтрино ».

Другие примеры предложений

• « Большинство бета-распадов связано с испусканием электронов из ядра, когда нейтрон распадается на электрон и протон.«
• » Это было похоже на наблюдение за равномерно распределенными энергетическими уровнями электронов в атоме. «
• « Вскоре было обнаружено, что протон, нейтрон и электрон не одиноки ».
• «Электрический ток — это движение электронов от одного атома к другому в проводнике.»
• «Электронные и мюонные нейтрино легче производить и обнаруживать, чем тау-нейтрино.»
• «Нуклоны любят спариваться. вверх и образуют структуру оболочки, как электроны в атомах.«
• » Эта разновидность заменяет протон на электронном углероде в бензольном кольце. «
• » Это означает, что атом с восемью электронами на внешнем энергетическом уровне очень стабилен. »
• «Если бы звезда еще больше сжалась под действием силы тяжести, электроны могли бы быть вынуждены объединиться с протонами, чтобы образовалось больше нейтронов».
• «Например, два электрона в атоме могут различаться по орбитальному угловому моменту или по направлению вращения.«
• » На этой стадии электроны и ионы объединились в нейтральные атомы, которые больше не рассеивали излучение. «
• » Это была античастица по отношению к электрону, позже названная позитроном. «
• » Она существует, когда электроны атома занимают орбитали с наименьшей энергией. ‘
• ‘ Подобно солнечному ветру, магнитосфера заполнена плазмой, состоящей из ионов и электронов. ‘
• ‘ Химические реакции внутри ячейка отделяет электроны от атомов водорода, чтобы создать напряжение, которое может питать цепь.«
• » В то время считалось, что при столкновении электронов с атомами всегда теряется энергия. »
• « Энергия ионизации — это энергия, необходимая для удаления электрона из газообразного атома ». Внешняя оболочка атома кислорода содержит шесть внешних электронов, хотя в ней есть место для восьми. ‘
• ‘ Если это притяжение достаточно сильное, оно оттянет электроны от атомов. ‘

Электрон | Энциклопедия.com

Электрон — это субатомная (меньше атома) частица, несущая одну единицу отрицательного электричества. Вся материя состоит из атомов, которые, в свою очередь, содержат три очень маленьких частицы: протоны, нейтроны и электроны. Из этих трех только электроны считаются элементарными частицами, то есть неспособными распадаться на более простые частицы.

Наличие или отсутствие избытка электронов является причиной всех электрических явлений. Предположим, что к двум концам батареи подключен металлический провод.Электрическое давление электронов внутри батареи заставляет электроны в атомах металла течь. Этот поток электронов представляет собой электрический ток.

Уровни энергии электронов

Протоны и нейтроны в атоме упакованы вместе в центральном ядре, известном как ядро ​​атома. Размер ядра во много тысяч раз меньше размера самого атома. Электроны распределены в определенных областях за пределами ядра. Когда-то ученые думали, что электроны движутся по очень специфическим путям вокруг ядра, подобным орбитам, по которым движутся планеты в солнечной системе.

Слова, которые нужно знать

Электрический ток: Поток электронов.

Уровень энергии: Область атома, в которой высока вероятность обнаружения электронов.

Ядро (атомное): Центральное ядро ​​атома, состоящее из протонов и (обычно) нейтронов.

Позитрон: Античастица электрона. Он имеет ту же массу и спин, что и электрон, но его заряд, хотя и равен по величине, противоположен по знаку заряду электрона.

Но известно, что концепция орбиты не подходит для электронов. Принцип неопределенности, фундаментальный закон физики (науки о материи и энергии), гласит, что путь, пройденный очень маленькими частицами, такими как электрон, никогда не может быть определен идеально. Вместо этого ученые теперь говорят о вероятности найти электрон в атоме. В некоторых областях атома эта вероятность очень высока (хотя никогда не бывает 100 процентов), а в других областях она очень низка (но никогда не равна 0 процентам).Области в космосе, где высока вероятность обнаружения электрона, примерно соответствуют орбитам, о которых ученые говорили ранее. Эти области теперь называются энергетическими уровнями.

Свойства электрона

Электроны обладают тремя основными свойствами: зарядом, массой и спином. По определению, электрический заряд электрона равен -1. Масса электрона была измерена и составила 9,109389 × 10 ⁻³¹ кг. Электроны также вращаются вокруг своей оси почти так же, как и планеты.Вращающиеся электроны, как и любой другой движущийся электрический заряд, создают вокруг себя магнитное поле. Это магнитное поле влияет на то, как электроны располагаются в атомах и как они реагируют друг с другом. Поле также отвечает за магнитные свойства материалов.

История

В девятнадцатом веке ученые сделали ряд важных открытий в области электрических явлений. Однако никто не мог объяснить фундаментальную природу самого электричества.Затем, в 1897 году, английский физик Дж. Дж. Томсон (1856–1940) открыл электрон. Он смог показать, что поток электрического тока состоит из отдельных частиц, каждая из которых имеет одинаковое отношение электрического заряда к массе (э / м). Он получил тот же результат, используя ряд различных материалов, и пришел к выводу, что эти частицы присутствуют во всех формах материи. Название, данное этим частицам — электроны — на самом деле было

, предложенное несколькими годами ранее ирландским физиком Джорджем Джонстоном Стоуни (1826–1911).

Хотя Томсон смог измерить отношение электрического заряда к массе (э / м) для электрона, он не знал, как определить любую из этих двух величин по отдельности. Эта проблема озадачила физиков более десяти лет. Наконец, загадка была разгадана американским физиком Робертом Эндрю Милликеном (1868–1953) в серии экспериментов, проведенных между 1907 и 1913 годами. На прилагаемом рисунке показаны основные черты знаменитого эксперимента Милликена с каплей масла.

Капли масла, необходимые для эксперимента, производятся обычным распылителем с грушей.Крошечные капельки, образованные этим методом, падают вниз и через отверстие в верхней пластине под действием силы тяжести. При падении капли получают отрицательный электрический заряд.

Как только капли попадают в пространство между двумя пластинами, включается источник высокого напряжения. Затем отрицательно заряженные капли масла притягиваются вверх положительным зарядом на верхней металлической пластине. В этот момент капли притягиваются двумя противоположными силами: гравитацией, тянущей их вниз, и электрической силой, тянущей их вверх.

Путем тщательной регулировки используемого напряжения Милликен смог удерживать капли масла в пространстве между двумя пластинами. Поскольку капли не двигались ни вверх, ни вниз, он знал, что гравитационная сила, действующая на капли, в точности соответствует электрической силе. На основе этой информации он смог рассчитать величину электрического заряда капли. Полученный им результат, заряд 1,591 × 10 ⁻¹⁰ кулонов, составляет

, что очень близко к принятому сегодня значению 1.602177 × 10 ⁻¹⁹ кулон. (Кулон — это стандартная метрическая единица электрического заряда.)

Квантовое число

Как бы вы отправили письмо электрону? Каким бы странным ни казался этот вопрос, у электронов есть «адреса», как и у людей.

Подумайте, например, об атоме кислорода. Каждый атом кислорода имеет восемь электронов. Но все эти восемь электронов отличаются друг от друга. Различия между восемью электронами представлены квантовыми числами. Квантовое число — это число, которое описывает некоторое физическое свойство объекта (в данном случае электрона).

Мы знаем, что любой электрон можно полностью описать, указав четыре его свойства. Эти свойства представлены четырьмя различными квантовыми числами, представленными буквами n, ℓ, m _ℓ и s. Квантовое число n, например, представляет собой расстояние электрона от ядра. Любой электрон, для которого n = 1, находится на первой орбите вокруг ядра атома. Квантовое число ℓ представляет форму орбиты электрона, то есть насколько плоская его орбита.Квантовое число m _ℓ представляет магнитные свойства электрона. А квантовое число s представляет спин электрона, независимо от того, вращается ли он по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Итак, если вы решите послать письмо электрону X, квантовые числа которого 3, 2, 0, + ½, вы знаете, что оно пойдет к электрону на третьей орбите, с плоской орбитальной траекторией, определенными магнитными свойствами, и вращение по часовой стрелке.

Позитрон

Одна из интересных детективных историй в науке связана с открытием частицы электронного типа, называемой позитроном.В течение 1920-х годов английский физик Поль Дирак (1902–1984) использовал новые инструменты квантовой механики для анализа природы материи. На некоторые из решаемых им уравнений были отрицательные ответы. Эти ответы беспокоили его, так как он не был уверен, что может означать отрицательный ответ — противоположность некоторому свойству. Один из способов, которым он объяснил эти ответы, состоял в том, чтобы выдвинуть гипотезу о существовании двойника электрона. Дирак сказал, что у двойника будут все свойства самого электрона, за исключением одного: он будет нести одну единицу положительного электричества, а не одну единицу отрицательного электричества.

Прогноз Дирака подтвердился только через два года после того, как он объявил свою гипотезу. Американский физик Карл Дэвид Андерсон (1905–1991) обнаружил положительно заряженные электроны в потоке космических лучей, который он изучал. Андерсон назвал эти частицы позитронами, что соответствует положительным электронным тронам. Сегодня ученые понимают, что позитроны — это только одна из форм антивещества, частицы, подобные элементарным частицам, таким как протон, нейтрон и электрон, но с одним свойством, противоположным свойствам элементарной частицы.

[ См. Также Античастица; Квантовая механика; Субатомные частицы ]

ROCO Плотность электронов: определение

Теория квантовой механики утверждает, что электрон положение можно описать только статистически. Здесь также описан метод расчета вероятности нахождения электрона в одной точке. или другой. Этот расчет дает количество, называемое электронов. плотность , число, которое говорит нам об относительной вероятности найти электрон в определенной точке пространства.

Квантовая механика также утверждает, что электрон может быть рассматривается как стационарная волна, или облако отрицательного заряда. Согласно этой точке зрения, электронная плотность — это число это говорит нам, сколько заряда находится в каждой точке облака.

В следующих разделах эти идеи описаны более подробно. деталь, начиная с математической связи между волнами функции (орбитали) и электронная плотность.

От волновой функции к плотности электронов

Математическое описание волновых характеристик электрона. по его орбитальной или волновой функции , Y (греч. буква « psi «). Волновой функции присваивается номер к каждой точке пространства, а числа колеблются так, что они положительные в одних местах и ​​отрицательные в других (это поведение может напоминать вам о том, как водная волна может сделать поверхность озера поднимаются в одних точках и падают в других).

Электронная плотность функция , r (греческая буква « rho «), равно Y2 [необязательное примечание по математике]. Это гарантирует, что r (rho) всегда будет иметь положительное значение, и это значение выражает относительная вероятность найти электрон в определенном месте.

Пример

На следующем изображении график электронной плотности в молекуле воды.График состоит двух поверхностей, «твердой» внутренней поверхности и «сетки» внешняя поверхность. Каждая поверхность построена так, что r (rho) имеет то же значение в каждой точке поверхности.

Этот конкретный график построен так что r (rho) в 10 раз больше на твердом поверхность, чем на поверхности сетки. Другими словами, если мы случайно выберите одну точку ( r твердое тело) на твердой поверхности и одна точка ( r меш) на поверхности сетки значение r (rho) при r solid в 10 раз больше чем значение при r меш.Конечно, это также означает, что вероятность того, что электрон будет при r твердое тело чем у р меш.

Мы также можем сравнить вероятности нахождения электронов в любом месте на каждой поверхности. Вероятность нахождение электрона в любом месте на поверхности пропорционально r (rho) x A, электронная плотность, умноженная на площадь поверхности.Бывает так, что площадь твердой поверхности примерно в 2,5 раза больше меньше, чем на площадь поверхности сетки. Следовательно, это только примерно в 4 раза больше вероятность того, что электрон будет где-то на твердой поверхности (4 = 10 / 2,5).

Облако электронной плотности

«Частичный» электрон также может описываться «волновой» функцией или орбиталью.Орбитальная, атомарный или молекулярный, покрывает область пространства и не двигаться.

Орбитальная картина, по сути, движущийся электрон выглядит как неподвижное облако отрицательного заряда . Мы говорим облако является «стационарным», потому что количество отрицательного заряда в каждой точке не меняется (помните: форма орбиты не меняется).Электронная плотность сообщает нам относительное количество отрицательных заряд, который находится в каждой точке.

Вспоминая нашу молекулу воды, теперь мы можем сказать, что эта молекула состоит из трех ядер (двух ядра водорода и одно ядро ​​кислорода), заключенные в одно облако отрицательного заряда. График, который я вам показал, дает некоторую информацию о том, как распределяется отрицательный заряд.

Каждая точка на твердой поверхности держит в 10 раз больше отрицательного заряда, чем каждая точка на сетке поверхность. Однако вся твердая поверхность удерживает только около В 4 раза больше заряда, чем у поверхности сетки.

Проблемы с обзором

Найдите время, чтобы просмотреть, что у вас есть узнал на этой странице.

№1. Этот график описывает электрон 2p , то есть электрон, приписанный к 2p орбитальный. На графике показана информация, собранная на плоскости, которая пересекает ядро ​​атома (белый шар). Числовая информация имеет цветовую кодировку, поэтому отрицательные числа окрашиваются в красный / желтый цвет, положительные — в синий, а все, что близко к нулю, — в зеленый. Показывает ли этот график информация о волновой функции электрона или электронной плотности? Объяснять.

ответ

№ 2. Формальдегид имеет формулу h3C = O. Молекулярная модель выглядит так (H = белый, C = серый, O = красный):

Четыре графика электронной плотности этой молекулы показаны ниже. Одна и та же электронная плотность обнаруживается в каждой точке на каждой поверхности сетки (электронная плотность, r (rho), и площадь поверхности, A, указаны на каждом рисунке).

а. На какой поверхности каждая точка удерживает наибольший отрицательный заряд?

ответ

б. Какая поверхность удерживает наибольший отрицательный заряд на ее поверхности?

ответ

г. Какая поверхность содержит наибольший отрицательный заряд внутри своей поверхности?

ответ

---

Необязательное математическое примечание. Предупреждение: следующее предостережение для очень осторожных ученых. Вот проблема: r (rho) равно Y2 (пси-квадрат) только тогда, когда молекула (или атом) содержит только один электрон. Если больше электронов, (немного) более сложная формула должна использоваться. Новая формула делает r (rho) относительная вероятность обнаружения любого одного электрона на выходе всего набора независимо от того, где находятся другие электроны быть.Это тонкое различие, которое, вероятно, никогда не повлияет на то, как вы используете r. (ро) думать о химии, так что не стесняйтесь забыть об этом. назад

протонов, нейтронов и электронов | Глава 4: Периодическая таблица и связь

Покажите изображение острия карандаша и то, как атомы углерода выглядят на молекулярном уровне.

Проецировать изображение карандашным зумом.

Студенты должны быть знакомы с частями атома из главы 3, но, вероятно, неплохо было бы рассмотреть основные моменты.

Задайте студентам следующие вопросы:

Какие три разные крошечные частицы составляют атом?

Протоны, нейтроны и электроны.

Что из этого находится в центре атома?

Протоны и нейтроны находятся в центре (ядре) атома. Вы можете упомянуть, что водород — единственный атом, у которого обычно нет нейтронов. Ядро большинства атомов водорода состоит всего из одного протона.Небольшой процент атомов водорода имеет 1 или даже 2 нейтрона. Атомы одного и того же элемента с разным числом нейтронов называются изотопами. Об этом мы поговорим в Уроке 2.

Что приближается к ядру атома?

Электронов

Какой из них имеет положительный заряд, отрицательный заряд и не имеет заряда?

Протон — положительный; электрон — отрицательный; нейтрон — без заряда. Заряд протона и электрона точно такой же, но противоположный.В нейтральном атоме одинаковое количество протонов и электронов компенсируют друг друга.

Примечание: На рисунке показана простая модель атома углерода. Он иллюстрирует некоторую базовую информацию, такую ​​как количество протонов и нейтронов в ядре. Это также показывает, что количество электронов такое же, как и количество протонов. Эта модель также показывает, что одни электроны могут находиться близко к ядру, а другие — дальше. Одна из проблем этой модели заключается в том, что она предполагает, что электроны вращаются вокруг ядра по идеальным кругам в одной плоскости, но это не так.Более широко распространенная модель показывает электроны как более трехмерное «электронное облако», окружающее ядро. Учащиеся познакомятся с этими идеями более подробно в Уроке 3. Но для большей части нашего изучения химии на уровне средней школы модель, показанная на иллюстрации, будет очень полезна. Кроме того, в большинстве случаев использования этой модели атома ядро ​​будет отображаться в виде точки в центре атома.

Покажите анимацию и объясните, что протоны и электроны имеют противоположные заряды и притягиваются друг к другу.

Спроецировать анимацию «Протоны и электроны».

Объясните студентам, что два протона отталкиваются друг от друга и что два электрона отталкиваются. Но протон и электрон притягиваются друг к другу. Другими словами, одинаковые или «похожие» заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные заряды притягиваются друг к другу.

Поскольку противоположные заряды притягиваются друг к другу, отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженным протонам.Скажите студентам, что это притяжение удерживает атом вместе.

Спроектируйте анимацию «Атом водорода».

Объясните студентам, что в атоме водорода отрицательно заряженный электрон притягивается к положительно заряженному протону. Это притяжение удерживает атом.

Скажите студентам, что водород — это простейший атом. Он имеет только 1 протон, 1 электрон и 0 нейтронов. Это единственный атом, у которого нет нейтронов.Объясните, что это простая модель, показывающая, как электрон движется вокруг ядра.

Нажмите кнопку «Показать облако» и объясните учащимся, что это другая модель. Он показывает электрон в пространстве, окружающем ядро, которое называется электронным облаком или энергетическим уровнем. Невозможно узнать местонахождение электрона, а знать только область, в которой он, скорее всего, находится. Электронное облако или энергетический уровень показывает область вокруг ядра, где электрон, скорее всего, находится.

Примечание: любознательные студенты могут спросить, как положительно заряженные протоны могут оставаться так близко друг к другу в ядре: почему они не отталкиваются друг от друга? Это большой вопрос. Ответ выходит далеко за рамки введения в химию для средней школы, но вы можете сказать одно: существует сила, называемая «Сильная сила», которая удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре атома. Эта сила намного сильнее силы отталкивания одного протона от другого.

Еще один хороший вопрос: почему электрон не врезается в протон? Если их тянет друг к другу, почему бы им просто не столкнуться? Опять же, подробный ответ на этот вопрос выходит за рамки химии средней школы. Но упрощенный ответ связан с энергией или скоростью электрона. По мере приближения электрона к ядру его энергия и скорость возрастают. В конечном итоге он движется в области, окружающей ядро, со скоростью, достаточно большой, чтобы уравновесить притяжение, которое его притягивает, чтобы электрон не врезался в ядро.

Раздайте каждому учащемуся рабочий лист.

Попросите учащихся ответить на вопросы об иллюстрации на рабочем листе. Учащиеся запишут свои наблюдения и ответят на вопросы о занятии в листе действий. «Объясни это с помощью атомов и молекул» и «Возьми это». Дальнейшие разделы рабочего листа будут заполняться в классе, в группах или индивидуально, в зависимости от ваших инструкций.

Сделайте упражнение, чтобы показать, что электроны и протоны притягиваются друг к другу.

Студенты могут увидеть доказательства заряда протонов и электронов, выполняя действия со статическим электричеством.

Примечание: Когда два материала трутся друг о друга под действием статического электричества, один материал имеет тенденцию терять электроны, а другой материал имеет тенденцию получать электроны. В этой деятельности человеческая кожа имеет тенденцию терять электроны, в то время как полиэтиленовый пакет, сделанный из полиэтилена, имеет тенденцию получать электроны.

Вопрос для расследования

Что заставляет предметы притягиваться или отталкиваться друг от друга?

Материалы для каждой группы

• Пластиковый пакет для продуктов
• Ножницы

Процедура, часть 1

1. Заряженный пластик и заряженный скин

   1. Вырежьте из пластикового пакета для продуктов 2 полоски так, чтобы каждая была примерно 2–4 см шириной и примерно 20 см длиной.

   2. Крепко держите пластиковую полоску за один конец. Затем возьмитесь за пластиковую полоску между большим и пальцами другой руки, как показано.

   3. Быстро потяните верхнюю руку вверх, чтобы пластиковая полоска прошла сквозь пальцы. Сделайте это три или четыре раза.
   4. Дайте полосе свисать. Затем поднесите к нему вторую руку.
   5. Напишите «притягивать» или «отталкивать» в таблице на листе действий, чтобы описать, что произошло.

Ожидаемые результаты

Пластик притягивается к вашей руке и приближается к ней. Студенты могут заметить, что пластик также притягивается к их рукам и рукавам. Сообщите учащимся, что позже на этом уроке они исследуют, почему пластиковая полоска также притягивается к незаряженным (нейтральным) поверхностям.

Примечание. Если учащиеся обнаруживают, что пластиковая полоска не движется к их руке, значит, она недостаточно заряжена.Попросите их попробовать зарядить пластиковую полоску, прижав ее к штанам или рубашке, а затем быстро потянув другой рукой. Затем они должны проверить, притягивается ли пластик к их одежде. В противном случае ученикам следует попробовать зарядить пластик еще раз.

Покажите студентам модели, сравнивающие количество протонов и электронов в пластике и коже до и после их трения друг о друга.

Сообщите студентам, что пластиковая полоска и их кожа состоят из молекул, состоящих из атомов.Попросите учащихся предположить, что пластик и их кожа нейтральны — что у них такое же количество протонов, как и электронов.

Спроецировать изображение Заряженный пластик и рука.

Укажите, что до того, как ученики зажали пластик между пальцами, количество протонов и электронов в каждом было одинаковым. Затем, когда ученики протянули пластик сквозь пальцы, электроны с их кожи попали на пластик. Поскольку в пластике больше электронов, чем протонов, он имеет отрицательный заряд.Поскольку их пальцы отдали часть электронов, их кожа теперь имеет больше протонов, чем электронов, поэтому она имеет положительный заряд. Положительная кожа и отрицательный пластик притягиваются друг к другу, потому что притягиваются положительное и отрицательное.

Попросите учащихся исследовать, что происходит, когда натертую пластиковую полоску подносят к столу или стулу.

Порядок действий, часть 2

1. Заряженный пластиковый и нейтральный стол

   1. Зарядите одну пластиковую полоску так же, как и раньше.

   2. На этот раз поднесите пластиковую полоску к столу или стулу.

   3. Напишите в таблице «притягивать» или «отталкивать».

Ожидаемые результаты

Пластмасса движется к столу.

Объясните ученикам, почему пластик притягивается к столу. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно выполнить пару шагов, поэтому вы можете направлять учеников, нарисовав или спроецировав увеличенное изображение пластика и стола.

После того, как они протянули пластик между пальцами, он получает дополнительные электроны и отрицательный заряд. Стол имеет такое же количество протонов, что и электронов, и нейтрален. Когда пластик приближается к столу, отрицательно заряженный пластик отталкивает электроны на поверхности стола. Это делает поверхность стола возле пластика слегка позитивной. Отрицательно заряженный пластик притягивается к этой положительной области, поэтому пластик движется к ней.

Попросите учащихся зарядить два куска пластика и поднести их друг к другу, чтобы проверить, отталкиваются ли электроны друг от друга.

Попросите учащихся сделать прогноз:

• Как вы думаете, что произойдет, если зарядить две полоски пластика и поднести их друг к другу?

Процедура, часть 3

1. 2 штуки заряженного пластика

   1. Зарядить две полоски пластика
   2. Медленно поднесите две пластиковые полоски друг к другу.
   3. Напишите «привлекать» или «отталкивать» в таблице рабочего листа.

Ожидаемые результаты

Полоски будут отодвигаться или отталкиваться друг от друга. Поскольку на обеих полосках есть дополнительные электроны, каждая из них имеет дополнительный отрицательный заряд. Поскольку одни и те же заряды отталкиваются друг от друга, полосы удаляются друг от друга.

Спросите студентов:

Что произошло, когда вы приблизили два куска пластика друг к другу?

Концы полос отошли друг от друга.

Используйте то, что вы знаете об электронах и зарядах, чтобы объяснить, почему это происходит.

У каждой полоски есть дополнительные электроны, поэтому они оба заряжены отрицательно. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, кусочки пластика отталкиваются друг от друга.

Попросите учащихся применить свое понимание протонов и электронов, чтобы объяснить, что происходит, когда заряженный воздушный шар приближается к листам бумаги.

Материалы для каждой группы

• Надувной баллон
• Маленькие бумажки, размер конфетти

Процедура

• Потрите воздушным шариком волосы или одежду.
• Медленно поднесите воздушный шар к маленьким кусочкам бумаги.

Ожидаемые результаты

Кусочки бумаги подпрыгнут и приклеятся к шарику.

Спросите студентов:

Что вы наблюдали, когда заряженный шар держали рядом с листами бумаги?

Кусочки бумаги поднялись и застряли на воздушном шаре.

Используйте то, что вы знаете об электронах, протонах и зарядах, чтобы объяснить, почему это происходит.

Когда вы натираете воздушный шарик своими волосами или одеждой, он собирает лишние электроны, придавая воздушному шарику отрицательный заряд. Когда вы подносите шар к бумаге, электроны шара отталкивают электроны в бумаге. Поскольку на поверхности бумаги находится больше протонов, это имеет положительное изменение. Электроны все еще находятся на бумаге, но не на поверхности, поэтому в целом бумага нейтральна.Противоположности притягиваются, поэтому бумага движется вверх по направлению к воздушному шару.

Покажите имитацию «Воздушные шары и статическое электричество» из Университета Колорадо на сайте Физико-педагогических технологий в Боулдере.

В моделировании установите флажки «Показать все расходы» и «Стена». Снимите все флажки.

В этой симуляции вы можете немного потереть воздушный шар о свитер и увидеть, как некоторые электроны от свитера перемещаются на воздушный шар.Это придает шару отрицательный заряд. Поскольку свитер потерял часть электронов, в нем больше протонов, чем электронов, поэтому он имеет положительный заряд. Если вы поднесете воздушный шар к свитеру, он привлечет вас. Это похоже на перемещение заряженной пластиковой полоски к ткани, о которой она была натерта.

Вы также можете переместить воздушный шар к стене. Избыточный отрицательный заряд на воздушном шаре отталкивает отрицательный заряд на поверхности стены. Это оставляет больше положительного заряда на поверхности стены.Отрицательно заряженный шар притягивается к положительной области на стене. Это похоже на перемещение заряженной пластиковой полоски к пальцу.

Покажите, как электроны могут притягивать поток воды.

Проделайте следующую демонстрацию или покажите видео «Воздушный шар и вода».

Материалы для демонстрации

Процедура

1. Потрите воздушный шарик о рубашку или брюки, чтобы они зарядились статическим электричеством.
2. Откройте кран, чтобы струя воды была очень тонкой.
3. Медленно поднесите заряженную часть воздушного шара к струе воды.

Ожидаемые результаты

Струя воды должна изгибаться, поскольку она притягивается к воздушному шару.

Спросите студентов:

Что вы наблюдали, когда заряженный шар держали рядом с потоком воды?

Струя воды наклонилась к воздушному шару.

Используйте то, что вы знаете об электронах, протонах и зарядах, чтобы объяснить, почему это происходит.

Когда вы натираете воздушный шарик своими волосами или одеждой, он собирает лишние электроны, придавая воздушному шарику отрицательный заряд. Когда вы подносите шар к потоку воды, электроны шара отталкивают электроны в воде.