Частицы которые не имеют эл заряда. Электрическое поле, его характеристики

Со словами «электричество», «электрический заряд», «электрический ток» вы встречались много раз и успели к ним привыкнуть. Но попробуйте ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» - и вы убедитесь, что это не так-то просто. Дело в том, что понятие заряда - это основное, первичное понятие, не сводимое на современном уровне развития наших знании к каким-либо более простым, элементарным понятиям

Попытаемся сначала выяснить, что понимают под утверждением: данное тело или частица имеет электрический заряд.

Вы знаете, что все тела построены из мельчайших, неделимых на более простые (насколько сейчас науке известно) частиц, которые поэтому называют элементарными. Все элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения с силой, сравнительно медленно убывающей по мере увеличения расстояния между ними, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Большинство элементарных частиц, хотя и не все, кроме того, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстоянии, но эта сила в огромное число раз превосходит силу тяготения. Так. в атоме водорода, изображенном схематически на рисунке 91, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 101" раз превышающей силу гравитационного притяжения.

Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые медленно уменьшаются с увеличением расстояния и во много раз превышают силы всемирного тяготения, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными. Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряди без частицы.

Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных. Электрический заряд - физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.

Электрический заряд элементарной частицы это не особый «механизм» в частице, который можно было бы снять с нее, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование

определенных силовых взаимодействий между ними. Но мы, в сущности, ннчего не знаем о заряде, если не знаем законов этих взаимодействий. Знание законов взаимодействий должно входить в наши представления о заряде. Законы эти не просты, изложить их в нескольких словах невозможно. Вот почему нельзя дать достаточно удовлетворительного краткого определения того, что такое электрический заряд.

Два знака электрических зарядов. Все тела обладают массой и поэтому притягиваются друг к другу. Заряженные же тела могут как притягивать, так и отталкивать друг друга. Этот важнейший факт, знакомый вам из курса физики VII класса, означает, что в природе есть частицы с электрическими зарядами противоположных знаков. При одинаковых знаках заряда частицы отталкиваются, а при разных притягиваются.

Заряд элементарных частиц - протонов, входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов - отрицательным. Между положительными и отрицательными зарядами нет внутренних различий. Если бы знаки зарядов частиц поменялись местами, то от этого характер электромагнитных взаимодействий нисколько бы не изменился.

Элементарный заряд. Кроме электронов и протонов, есть еще несколько типов заряженных элементарных частиц. Но только электроны и протоны могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Остальные же заряженные частицы живут менее миллионных долей секунды. Они рождаются при столкновениях быстрых элементарных частиц и, просуществовав ничтожно мало, распадаются, превращаясь в другие частицы. С этими частицами вы познакомитесь в X классе.

К частицам, не имеющим электрического заряда, относится нейтрон. Его масса лишь незначительно превышает массу протона. Нейтроны вместе с протонами входят в состав атомного ядра.

Если элементарная частица имеет заряд, то его значение, как показали многочисленные опыты, строго определенно (об одном из таких опытов - опыте Милликена и Иоффе - было рассказано в учебнике для VII класса)

Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Заряды элементарных частиц различаются лишь знаками. Отделить часть заряда, например у электрона, невозможно.

ТЕМА 1.1ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

ЛЕКЦИЯ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ. ТЕОРЕМА ГАУССА

Рассмотрение данной темы начинаем с понятия об основных формах материи: веществе и поле.

Все вещества, как простые, так и сложные, состоят из молекул, а молекулы – из атомов.

Молекула – мельчайшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства.

Атом – мельчайшая частица химического элемента, которая сохраняет егосвойства. Атом состоит из положительно заряженного ядра, в состав которого входят протоны и нейтроны (нуклоны), и отрицательно заряженных электронов, расположенных на оболочках вокруг ядра на различном расстоянии от него. Если говорят, что атом электрически нейтрален, это значит, что число электронов на оболочках равно числу протонов в ядре, т.к. нейтрон заряда не имеет.

Электрический заряд – физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия. Заряд частицы обозначается q и измеряется в Кл (Кулон) в честь французского ученого Шарля Кулона. Элементарным (неделимым) зарядом обладает электрон, его заряд равен q е = -1,6 × 10 -19 Кл. Заряд протонапо модулю равен заряду электрона, т. е. q р = 1,6 × 10 -19 Кл, следовательно, бывают положительные и отрицательные электрические заряды. Причем, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Если тело заряжено, это значит, что в нем преобладают заряды какого-то одного знака («+» или «-»), в электрически нейтральном теле число «+» и «-» зарядов равно.

Заряд всегда связан с какой-то частицей. Существуют частицы, не имеющие электрического заряда (нейтрон), но не существует заряда без частицы.

С понятием электрического заряда неразрывно связано понятие электрического поля. Существует несколько видов полей:

электростатическое поле – это электрическое поле неподвижных заряженных частиц;
электрическое поле – это материя, которая окружает заряженные частицы, неразрывно с ними связана и оказывает силовое воздействие на электрически заряженное тело, внесенное в пространство, заполненное этим видом материи;
магнитное поле – это материя, которая окружает любое движущееся заряженное тело;
электромагнитное поле характеризуется двумя взаимосвязанными сторонами – составляющими: магнитным полем и электрическим, которые выявляютсяпо силовому воздействию на заряженные частицы или тела.

Как определить, существует ли электрическое поле в данной точке пространства или нет? Мы не можем пощупать поле, увидеть его или понюхать. Для определения существования поля необходимо внести в любую точку пространства пробный (точечный) электрический заряд q 0 .

Заряд называется точечным , если его линейные размеры весьма малы по сравнению с расстоянием до тех точек, в которых определяется его поле.

Пусть поле создается положительным зарядом q . Для определения величины поля этого заряда необходимо в любую точку пространства, окружающего этот заряд, внести пробный заряд q 0 . Тогда со стороны электрического поля заряда+ q на заряд q 0 будет действовать некоторая сила.

Эту силу можно определить, используя з акон Кулона : величина силы, с которой на каждый из двух точечных тел действует их общее электрическое поле, пропорциональна произведению зарядов этих тел, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой находятся эти тела:

F = q 1 × q 2 /4 p ee 0 r 2 ,

где1/4 p ee 0 = k = 9 × 10 9 Н × м 2 /Кл 2 ;

q 1 , q 2 – заряды частиц;

r – расстояние между частицами;

e 0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическаяпостоянная, равная: e 0 = 8,85 × 10 -12 Ф/м);

e -абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, показывающая во сколько раз в среде электрическое поле меньше, чем в вакууме.

Характеристики электрического поля:

1. силовая характеристика – напряженность (Е) – это векторнаяфизическая величина, численно равная отношению силы,действующей на заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда: Е = F / q ;[ E ] = [ 1 Н/Кл ] =

Графически электрическое поле изображают с помощью силовых линий – это линии, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают с направлением вектора напряженности .

Силовые линии электрического поля незамкнуты, они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных:

Пусть у нас имеются:

а)два положительных заряда q 1 и q 2 ;

б)два отрицательных заряда q 3 и q 4 ;

в) положительный заряд q 5 иотрицательный заряд q 6

Необходимо найти напряженность поля, созданного этими зарядами в некоторых точках пространства (А, В, С).

Принципсуперпозиции: если поле создано несколькими электрическими зарядами, то напряженность такого поля равна векторной (геометрической) сумме напряженностей полей отдельных зарядов: Е общ = Е 1 + Е 2 + Е 3 + … + Е n

Электрическое поле называется однородным, если вектор напряженности Е одинаков по модулю и по направлению в любой точке поля, а силовые линии поля параллельны между собойи находятся на одинаковом расстоянии друг от друга.

Пусть унас имеется однородное электрическое поле, например, поле между обкладками плоского конденсатора, в котором положительный точечный заряд q перемещается под действием силы со стороны этого поля из точки А в точку В на расстояние l.

При этом электрическое поле будет совершать работу, равную:

А = Fl ,где F = Eq , т.е. А = Eql -работа поля по перемещению электрического заряда q из одной точки поля в другую.

Величина, равная отношению работы по перемещению точечного положительного заряда между двумя точками поля к величине этого заряда, называется электрическим напряжением между указанными точками: U = A / q = Eql / q = E × l [ U ] = = .

Работа электрического поля не зависит от формы траектории, следовательно, она равна изменению потенциальной энергии, взятой с обратным знаком: А = - D Е пот = - D Е р. На замкнутой траектории работа поля равна нулю.

Потенциальная энергия всегда связана с выбором нулевого (начального) уровня, однако, в данном случае выбор нулевого уровня относителен. Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение, т.к. именно за счет изменения потенциальной энергии совершается работа. И чем больше ее изменение, тем больше работа поля.

2. энергетическая характеристика – потенциал j - это скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии заряда, необходимой для его перемещения из одной точки поля в другую, к величине этого заряда: j = D Е р / q .[ j ] = =

D j = j 2 - j 1 – изменение потенциала;

U = j 1 - j 2 - разность потенциалов (напряжение)

Физический смысл напряжения: U = j 1 - j 2 = А/ q - - напряжение численно равно отношению работы по перемещению заряда из начальной точки поля в конечную к величине этого заряда.

U = 220 В в сети означает, что при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки поля в другую, поле совершает работу в 220 Дж.

Теорема Гаусса

Произведение напряженности электрического поля Е и площади S , во всех точках которой напряженность одинакова, т.е. поле однородно, и перпендикулярна к ней, составляетпоток вектора напряженности : N = ES .

Если поверхность неоднородна, то при вычислении потока вектора напряженности через нее необходимо разбить эту поверхность на малые элементы D S , в пределах которых Е = const , тогда поток через отдельные элементарные площадкибудет равен: D N = E n × D S , а поток вектора Е через всю поверхность находится суммированием элементарных потоков:

N = S D N = S E n × D S.

Теорема Гаусса: если у нас имеется замкнутая поверхность, на которой находятся заряженные тела (заряды), то поток вектора напряженности электрического поля сквозь замкнутую поверхность равен отношению суммы зарядов (Q ), расположенных внутри этой поверхности, к абсолютной диэлектрической проницаемости среды: N = Q / ee 0

ЛЕКЦИЯ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, ЕГОХАРАКТЕРИСТИКИ. ТЕОРЕМА ГАУССА

Рассмотрение данной темы начинаем с понятия об основных формах материи: веществе и поле.

Все вещества, как простые, так и сложные, состоят из молекул, а молекулы – из атомов.

Молекула – мельчайшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства.

Электрический заряд – физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия. Заряд частицы обозначается q и измеряется в Кл (Кулон) в честь французского ученого Шарля Кулона. Элементарным (неделимым) зарядом обладает электрон, его заряд равен q е = -1,610 -19 Кл. Заряд протона по модулю равен заряду электрона, т. е. q р = 1,610 -19 Кл, следовательно, бывают положительные и отрицательные электрические заряды. Причем, одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

электростатическое поле – это электрическое поле неподвижных заряженных частиц;

электрическое поле – это материя, которая окружает заряженные частицы, неразрывно с ними связана и оказывает силовое воздействие на электрически заряженное тело, внесенное в пространство, заполненное этим видом материи;

магнитное поле – это материя, которая окружает любое движущееся заряженное тело;

электромагнитное поле характеризуется двумя взаимосвязанными сторонами – составляющими: магнитным полем и электрическим, которые выявляются по силовому воздействию на заряженные частицы или тела.

Пусть поле создается положительным зарядом q. Для определения величины поля этого заряда необходимо в любую точку пространства, окружающего этот заряд, внести пробный заряд q 0 . Тогда со стороны электрического поля заряда +q на заряд q 0 будет действовать некоторая сила.

Эту силу можно определить, используя закон Кулона : величина силы, с которой на каждый из двух точечных тел действует их общее электрическое поле, пропорциональна произведению зарядов этих тел, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой находятся эти тела:

F = q 1  q 2 /4  0 r 2 ,

где 1/4 0 = k = 910 9 Нм 2 /Кл 2 ;

q 1 , q 2 – заряды частиц;

r – расстояние между частицами;

 0 – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическаяпостоянная, равная:  0 = 8,8510 -12 Ф/м);

 - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, показывающая во сколько раз в среде электрическое поле меньше, чем в вакууме.

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 » 0,91Ч 10 –27 г), заряд (- e » - 1,6Ч 10 –19 Кл) и спин (1 / 2 ћ » 1/ 2 Ч 0,66Ч 10 –33 ДжЧ с, где – постоянная Планка h , деленная на 2p ). Через них выражаются все остальные характеристики электрона, например магнитный момент (» 1,001m 3 » 1,001Ч 0,93Ч 10 –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 mс 2 (mс 2 – энергия покоя электрона), либо Ј – mс 2 ; 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 mс 2 . 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 16 О, 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.

Квантование электрического заряда

Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен элементарному - такое предположение было высказано Б. Франклином в 1752 году и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Впервые заряд был экспериментально измерен Милликеном в 1910 году .

Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда . При этом в классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, поскольку заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Удовлетворительного объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока не найдено, однако уже получен ряд интересных наблюдений.

Если в природе существует магнитный монополь , то, согласно квантовой механике , его магнитный заряд обязан находиться в определённом соотношении с зарядом любой выбранной элементарной частицы . Отсюда автоматически следует, что одно только существование магнитного монополя влечёт за собой квантование заряда. Однако обнаружить в природе магнитный монополь пока не удалось.
В современной физике элементарных частиц разрабатываются модели наподобие преонной , в которых все известные фундаментальные частицы оказывались бы простыми комбинациями новых, ещё более фундаментальных частиц. В этом случае квантование заряда наблюдаемых частиц не представляется удивительным, поскольку оно возникает «по построению».
Не исключено также, что все параметры наблюдающихся частиц будут описаны в рамках единой теории поля , подходы к которой разрабатываются в настоящее время. В таких теориях величина электрического заряда частиц должна вычисляться из крайне небольшого числа фундаментальных параметров, возможно, связанных со структурой пространства-времени на сверхмалых расстояниях. Если такая теория будет построена, тогда то, что мы наблюдаем как элементарный электрический заряд, окажется некоторым дискретным инвариантом пространства-времени. Однако, конкретных общепринятых результатов в этом направлении пока не получено.

Дробный электрический заряд

См. также

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .