În acest articol, bazat pe esența eter-dinamică a sarcinii electrice și a structurilor particule elementare Este dat calculul valorilor sarcinilor electrice ale unui proton, electron și foton.
Cunoașterea falsă este mai periculoasă decât ignoranța
J.B. Shaw
Introducere.În fizica modernă, sarcina electrică este una dintre cele mai importante caracteristici și o proprietate integrală a particulelor elementare. Din esența fizică a sarcinii electrice, definită pe baza conceptului eterodinamic, urmează o serie de proprietăți, cum ar fi proporționalitatea mărimii sarcinii electrice cu masa purtătorului acesteia; sarcina electrică nu este cuantificată, ci este transferată de cuante (particule); mărimea sarcinii electrice are un semn definit, adică este întotdeauna pozitivă; care impun restricţii semnificative asupra naturii particulelor elementare. Și anume: în natură nu există particule elementare care să nu aibă sarcină electrică; Mărimea sarcinii electrice a particulelor elementare este pozitivă și mai mare decât zero. Pe baza esenței fizice, mărimea sarcinii electrice este determinată de masă, viteza de curgere a eterului care alcătuiește structura particulei elementare și parametrii lor geometrici. Esența fizică a sarcinii electrice ( sarcina electrică este o măsură a fluxului de eter) definește fără ambiguitate modelul eterodinamic al particulelor elementare, eliminând astfel problema structurii particulelor elementare, pe de o parte, și indică inconsecvența standardului, a cuarcului și a altor modele de particule elementare, pe de altă parte.
Mărimea sarcinii electrice determină și intensitatea interacțiunii electromagnetice a particulelor elementare. Cu ajutorul interacțiunii electromagnetice are loc interacțiunea protonilor și electronilor din atomi și molecule. Astfel, interacțiunea electromagnetică determină posibilitatea unei stări stabile a unor astfel de sisteme microscopice. Dimensiunile lor sunt determinate în mod semnificativ de mărimea sarcinilor electrice ale electronului și protonului.
Interpretare greșită fizicii moderne proprietăți, cum ar fi existența sarcinii electrice pozitive și negative, elementare, discrete, cuantificate etc., interpretarea incorectă a experimentelor de măsurare a mărimii sarcinii electrice a condus la o serie de erori grosolane în fizica particulelor elementare (nestructură a electron, masa zero și sarcina fotonului, existența neutrinului, egalitatea în valoare absolută a sarcinilor electrice ale unui proton și electron cu unul elementar).
Din cele de mai sus rezultă că sarcina electrică a particulelor elementare în fizica modernă este de o importanță decisivă în înțelegerea fundamentelor microcosmosului și necesită o evaluare echilibrată și rezonabilă a valorilor acestora.
În condiții naturale, protonii și electronii sunt în stare legată, formând perechi proton-electron. Înțelegerea greșită a acestei circumstanțe, precum și ideea eronată că sarcinile electronului și protonului sunt egale în valoare absolută cu sarcina elementară, au rămas fizicii moderne fără un răspuns la întrebarea: care este valoarea reală a sarcinilor electrice ale unui proton, electron și foton?
Sarcina electrică a unui proton și a unui electron.În starea sa naturală, perechea proton-electron există sub forma elementului chimic atom de hidrogen. Conform teoriei: „Atomul de hidrogen este o unitate structurală ireductibilă a materiei, care conduce tabelul periodic al lui Mendeleev. În acest sens, raza atomului de hidrogen ar trebui clasificată ca o constantă fundamentală. ... Raza Bohr calculată este = 0,529 Å. Acest lucru este important deoarece nu există metode directe de măsurare a razei unui atom de hidrogen. ... raza Bohr este raza cercului orbitei circulare a electronului și este definită în deplină concordanță cu înțelegerea general acceptată a termenului „rază”.
De asemenea, se știe că măsurătorile razei protonilor au fost efectuate folosind atomi de hidrogen obișnuiți, ceea ce a condus (CODATA -2014) la un rezultat de 0,8751 ± 0,0061 femtometre (1 fm = 10 −15 m).
Pentru a estima mărimea sarcinii electrice a unui proton (electron), folosim expresie generală sarcina electrica:
q = (1/ k) 1/2 u r (ρ S) 1/2 , (1)
unde k = 1 / 4πε 0 – coeficient de proporționalitate din expresia legii lui Coulomb,
ε0 ≈ 8,85418781762039·10 −12 F m −1 – constantă electrică; u – viteza, ρ – densitatea curgerii eterului; S – secțiunea transversală a corpului protonului (electronului).
Să transformăm expresia (1) după cum urmează
q = (1/ k) 1/2 u r (Domnișoară/ V) 1/2 ,
Unde V = r S – volumul corpului, m — masa unei particule elementare.
Un proton și un electron sunt duetoni: - o structură formată din două corpuri în formă de tor conectate prin suprafețele laterale ale tori, simetrice față de planul de diviziune, deci
q = (1/ k) 1/2 u r (m2 S T/2 V T) 1/2 ,
Unde S T- secțiune, r- lungime, V T = r ST— volumul torului.
q = (1/ k) 1/2 u r (mS T/ V T) 1/2 ,
q = (1/k) 1/2 u r (mS T /rS T) 1/2 ,
q = (1/ k) 1/2 u (Dl) 1/2 . (2)
Expresia (2) este o modificare a expresiei (1) pentru sarcina electrică a unui proton (electron).
Fie R 2 = 0,2 R 1 , unde R 1 este razele exterioare și R 2 interioare ale torusului.
r= 2π 0,6 R 1 ,
sarcina electrică a unui proton și respectiv a unui electron
q = ( 1/ k) 1/2 u (m 2π 0,6 R 1 ) 1/2 ,
q= (2π 0,6 / k) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 ,
q= 2π ( 1.2 ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2
q = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 (3)
Expresia (3) este o formă de exprimare a mărimii sarcinii electrice pentru un proton și un electron.
La u = 3∙10 8 m / с – viteza a doua a sunetului eterului, expresia 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u = 2.19 π( 8,85418781762 10 −12 F/m ) 1/2 3∙10 8 m / c = 0,6142∙ 10 4 m 1/2 F 1/2 s -1 .
Să presupunem că raza protonului (electronului) din structura prezentată mai sus este raza R 1 .
Pentru un proton se știe că m р = 1,672∙10 -27 kg, R 1 = r р = 0,8751∙10 -15 m, atunci
qr = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 = 0,6142∙10 4 [m 1/2 F 1/2 s -1 ] ∙ (1,672∙10 -27 [kg] ∙
0,8751∙10 -15 [m]) 1/2 = 0,743∙10 -17 Cl.
Astfel, sarcina electrică a unui proton qr= 0,743∙10 -17 Cl.
Pentru un electron se știe că m e = 0,911∙10 -31 kg. Pentru a determina raza electronului, presupunând că structura electronului este similară cu structura protonului, iar densitatea fluxului de eter în corpul electronului este, de asemenea, egală cu densitatea fluxului de eter în corpul protonului, folosim raportul cunoscut dintre masele protonului și electronului, care este egal cu
m r / m e = 1836,15.
Atunci r r /r e = (m r /m e) 1/3 = 1836,15 1/3 = 12,245, adică r e = r r /12,245.
Înlocuind datele pentru electron în expresia (3) obținem
q e = 0,6142∙10 4 [m 1/2 F 1/2 /s] ∙ (0,911∙10 -31 [kg] 0,8751∙10 -15 [m]/12,245) 1/2 =
0,157∙10 -19 Cl.
Astfel, sarcina electrică a unui electron quh = 0,157∙10 -19 Cl.
Sarcina specifică protonului
q р /m р = 0,743∙10 -17 [C] /1,672∙10 -27 [kg] = 0,444∙10 10 C /kg.
Sarcina specifică a electronilor
q e / m e = 0,157∙10 -19 [C] /0,911∙10 -31 [kg] = 0,172∙10 12 C /kg.
Valorile obținute ale sarcinilor electrice ale protonului și electronului sunt estimative și nu au statut fundamental. Acest lucru se datorează faptului că geometric și parametrii fizici Protonul și electronul din perechea proton-electron sunt interdependenți și sunt determinate de locația perechii proton-electron în atomul substanței și sunt reglementate de legea conservării momentului unghiular. Când raza orbitei electronului se modifică, masa protonului și a electronului și, în consecință, viteza de rotație în jurul propriei axe de rotație se schimbă în consecință. Deoarece sarcina electrică este proporțională cu masa, o modificare a masei unui proton sau electron va duce, în consecință, la o modificare a sarcinilor electrice ale acestora.
Astfel, în toți atomii unei substanțe, sarcini electrice protonii și electronii diferă unul de celălalt și au propriile lor valori specifice, dar la o primă aproximare valorile lor pot fi estimate ca valorile sarcinii electrice ale protonului și electronului atomului de hidrogen definite mai sus. În plus, această circumstanță indică faptul că sarcina electrică a unui atom al unei substanțe este caracteristica sa unică, care poate fi folosită pentru a o identifica.
Cunoscând mărimea sarcinilor electrice ale unui proton și electron pentru un atom de hidrogen, se pot estima forțele electromagnetice care asigură stabilitatea atomului de hidrogen.
Conform legii lui Coulomb modificate, forța electrică de atracție Fpr va fi egal
Fpr = k (q 1 - q 2) 2 / r 2, la q 1 ≠ q 2,
unde q 1 este sarcina electrică a unui proton, q 2 este sarcina electrică a unui electron, r este raza atomului.
Fpr =(1/4πε 0)(q 1 - q 2) 2 / r 2 = (1/4π 8,85418781762039 10 −12 F m −1)
- (0,743∙10 -17 C - 0,157∙10 -19 C) 2 /(5,2917720859·10 -11 ) 2 = 0,1763·10 -3 N.
Într-un atom de hidrogen, asupra unui electron acționează o forță de atracție electrică (Coulomb) egală cu 0,1763·10 -3 N Deoarece atomul de hidrogen este într-o stare stabilă, forța de respingere magnetică este, de asemenea, egală cu 0,1763·10 -3 N. Pentru comparație, toată literatura științifică și educațională oferă un calcul al forței interacțiunii electrice, de exemplu, care dă rezultatul 0,923 · 10 -7 N. Calculul dat în literatură este incorect, deoarece se bazează pe erorile discutate. mai sus.
Fizica modernă afirmă că energia minimă necesară pentru a îndepărta un electron dintr-un atom se numește energie de ionizare sau energie de legare, care pentru un atom de hidrogen este de 13,6 eV. Să estimăm energia de legare a unui proton și a unui electron într-un atom de hidrogen pe baza valorilor obținute ale sarcinii electrice a protonului și electronului.
EST. = F pr ·r n = 0,1763·10 -3 · 6,24151·10 18 eV/m · 5,2917720859·10 −11 = 58271 eV.
Energia de legare a unui proton și a unui electron într-un atom de hidrogen este de 58,271 KeV.
Rezultatul obținut indică incorectitudinea conceptului de energie de ionizare și eroarea celui de-al doilea postulat al lui Bohr: „ Emisia de lumină are loc atunci când un electron trece de la o stare staționară cu energie mai mare la o stare staționară cu energie mai mică. Energia fotonului emis este egală cu diferența dintre energiile stărilor staționare.”În procesul de excitare a unei perechi proton-electron sub influența factorilor externi, electronul este deplasat (depărtat) de proton cu o anumită cantitate, a cărei valoare maximă este determinată de energia de ionizare. După ce fotonii sunt generați de perechea proton-electron, electronul revine pe orbita sa anterioară.
Să estimăm mărimea deplasării maxime a electronilor la excitarea unui atom de hidrogen de către unii factor extern energie 13,6 eV.
Raza atomului de hidrogen va deveni egală cu 5,29523·10 −11, adică va crește cu aproximativ 0,065%.
Sarcina electrică a unui foton. Conform conceptului eterodinamic, un foton este: o particulă elementară, care este un vârtej toroidal închis de eter densificat cu o mișcare inelară a torusului (ca o roată) și o mișcare a șurubului în interiorul acestuia, care efectuează mișcare cicloidă de translație (de-a lungul unei traiectorii șuruburilor), cauzată de momentele giroscopice ale acestuia rotație proprie și rotație de-a lungul unui traseu circular și destinat transferului de energie .
Pe baza structurii fotonului ca corp de vortex toroidal care se deplasează de-a lungul unei traiectorii elicoidale, unde r γ λ este raza exterioară, m γ λ este masa, ω γ λ este frecvența naturală de rotație, sarcina electrică a fotonului poate fi reprezentat astfel.
Pentru a simplifica calculele, presupunem lungimea fluxului de eter în corpul fotonic r = 2π r γ λ ,
u = ω γ λ r γ λ , r 0 λ = 0,2 r γ λ este raza secțiunii transversale a corpului fotonului.
q γ λ = (1/k) 1/2 ω γ λ r γ λ 2πr γ λ (m λ /V · V/2πr γ λ) 1/2 = (1/k) 1/2 ω γ λ r γ λ (m λ 2πr γ λ) 1/2 =
= (4πε 0) 1/2 ω γ λ r γ λ (m λ 2πr γ λ) 1/2 = 2π(2ε 0) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ) 1/2 ,
q γ λ = 2 π (2 ε 0 ) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ ) 1/2 . (4)
Expresia (4) reprezintă sarcina electrică proprie a fotonului fără a ține cont de mișcarea acestuia de-a lungul unei căi circulare. Parametrii ε 0, m λ, r γ λ sunt cvasi-constanti, i.e. variabile ale căror valori se modifică nesemnificativ (fracții) pe întreaga gamă de existență a fotonului (de la infraroșu la gamma). Aceasta înseamnă că sarcina electrică proprie a fotonului este o funcție a frecvenței de rotație în jurul propriei axe. După cum se arată în lucrare, raportul dintre frecvențele unui foton gamma ω γ λ Г la un foton infraroșu ω γ λ И este de ordinul ω γ λ Г /ω γ λ И ≈ 1000, iar valoarea fotonului sarcina electrică proprie se modifică în consecință. În condițiile moderne, această cantitate nu poate fi măsurată și, prin urmare, are doar semnificație teoretică.
Conform definiției unui foton, acesta are o mișcare elicoidală complexă, care poate fi descompusă în mișcare de-a lungul unui traseu circular și rectiliniu. Pentru a estima valoarea totală a sarcinii electrice a fotonului, este necesar să se țină cont de mișcarea de-a lungul unui traseu circular. În acest caz, sarcina electrică proprie a fotonului se dovedește a fi distribuită de-a lungul acestei căi circulare. Având în vedere periodicitatea mișcării, în care pasul traiectoriei elicoidale este interpretat ca lungime de undă a fotonului, se poate vorbi despre dependența valorii sarcinii electrice totale a fotonului de lungimea de undă a acestuia.
Din esența fizică a sarcinii electrice rezultă că mărimea sarcinii electrice este proporțională cu masa ei și, prin urmare, cu volumul acesteia. Astfel, sarcina electrică proprie a fotonului este proporțională cu volumul propriu al fotonului al corpului (V γ λ). În mod similar, sarcina electrică totală a unui foton, ținând cont de mișcarea acestuia de-a lungul unei căi circulare, va fi proporțională cu volumul (V λ) care va forma un foton care se deplasează pe o cale circulară.
q λ = q γ λ V λ /V γ λ = q γ λ 2π 2 R λ r 2 γ λ /2π 2 Lr 3 γ λ = q γ λ R λ / L 2 r γ λ ,
q λ = q γ λ R λ / L 2 r γ λ . (5)
unde L = r 0γλ /r γλ este parametrul structurii fotonului, egal cu raportul dintre raza secțiunii transversale și raza exterioară a corpului fotonului (≈ 0,2), V T = 2π 2 R r 2 este volumul torusului , R este raza cercului de rotație a generatricei cercului toral; r este raza generatricei cercului toral.
q λ = q γ λ R λ / L 2 r γ λ = 2π(2ε 0) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ) 1/2 R λ / L 2 r γ λ ,
q λ = 2 π (2 ε 0 ) 1/2 ω γ λ (m λ r γ λ ) 1/2 R λ / L 2 . (6)
Expresia (6) reprezintă sarcina electrică totală a fotonului. Din cauza dependenței sarcinii electrice totale de parametrii geometrici ai fotonului, ale căror valori sunt cunoscute în prezent cu o eroare mare, nu este posibil să se obțină valoarea exactă a sarcinii electrice prin calcul. Cu toate acestea, evaluarea sa ne permite să tragem o serie de concluzii teoretice și practice semnificative.
Pentru datele de la serviciu, de ex. la λ = 225 nm, ω γ λ ≈ 6,6641·10 30 rot/s,
m λ≈ 10 -40 kg, r γ λ ≈ 10 -20 m, R λ ≈ 0,179·10 -16 m, L≈ 0,2, obținem valoarea sarcinii electrice totale a fotonului:
q λ = 0, 786137 ·10 -19 Cl.
Valoarea obținută a sarcinii electrice totale a unui foton cu lungimea de undă de 225 nm concordă bine cu valoarea măsurată de R. Millikan (1,592·10 -19 C), care ulterior a devenit o constantă fundamentală, ținând cont de faptul că valoarea corespunde sarcinii electrice a doi fotoni. Dubla sarcina electrică calculată a fotonului:
2q λ = 1,57227·10 -19 Cl,
în Sistemul Internațional de Unități (SI), sarcina electrică elementară este egală cu 1,602 176 6208(98) 10 −19 C. Valoarea dublată a sarcinii electrice elementare se datorează faptului că perechea proton-electron, datorită simetriei sale, generează întotdeauna doi fotoni. Această împrejurare este confirmată experimental de existența unui astfel de proces precum anihilarea unei perechi electron-pozitron, adică. în procesul de distrugere reciprocă a unui electron și a unui pozitron, doi fotoni au timp să fie generați, precum și existența unor dispozitive atât de cunoscute precum fotomultiplicatoarele și laserele.
Concluzii. Deci, în această lucrare se arată că sarcina electrică este o proprietate fundamentală a naturii care joacă rol importantîn înțelegerea esenței particulelor elementare, a atomilor și a altor structuri ale microlumii.
Esența eter-dinamică a sarcinii electrice ne permite să oferim o rațiune pentru interpretarea structurilor, proprietăților și parametrilor particulelor elementare care diferă de cele cunoscute de fizica modernă.
Pe baza modelului eter-dinamic al atomului de hidrogen și a esenței fizice a sarcinii electrice, sunt date estimări calculate ale sarcinilor electrice ale protonului, electronului și fotonului.
Date pentru protoni și electroni, din cauza lipsei confirmării experimentale pe în acest moment, purta caracter teoretic, însă, ținând cont de eroare, ele pot fi folosite atât în teorie, cât și în practică.
Datele pentru foton sunt în acord cu rezultatele experimentelor cunoscute privind măsurarea mărimii sarcinii electrice și justifică reprezentarea eronată a sarcinii electrice elementare.
Literatură:
- Lyamin V. S., Lyamin D. V. Esența fizică a sarcinii electrice.
- Kasterin N.P. Generalizarea ecuațiilor de bază ale aerodinamicii și electrodinamicii
(partea aerodinamică). Probleme de hidrodinamică fizică / Colecția de articole ed. Academician al Academiei de Științe a BSSR A.V. Lykova. – Minsk: Institutul de transfer de căldură și masă al Academiei de Științe a BSSR, 1971, p. 268 – 308. - Atsyukovsky V.A. Dinamica generală a eterului. Modelarea structurilor materiei și câmpurilor pe baza ideilor despre eterul asemănător gazului. Ediția a doua. M.: Energoatomizdat, 2003. 584 p.
- Emelyanov V. M. Modelul standard și extensiile sale. - M.: Fizmatlit, 2007. - 584 p.
- Închideți F. Introducere în quarci și partoni. - M.: Mir, 1982. - 438 p.
- Akhiezer A I, Rekalo MP „Încărcătura electrică a particulelor elementare” UFN 114 487–508 (1974). .
- Enciclopedie fizică. În 5 volume. - M.: Enciclopedia sovietică. Redactor-șef A. M. Prohorov. 1988.
Lyamin V.S. , Lyamin D. V. Lvov
Un atom este cea mai mică particulă a unui element chimic care o reține în totalitate proprietăți chimice. Un atom este format dintr-un nucleu, care are o sarcină electrică pozitivă și electroni încărcați negativ. Sarcina nucleului oricărui element chimic este egală cu produsul dintre Z și e, unde Z este numărul de serie al acestui element din tabelul periodic. elemente chimice, e - valoarea sarcinii electrice elementare.
Electron este cea mai mică particulă a unei substanțe cu sarcină electrică negativă e=1,6·10 -19 coulombi, luată ca sarcină electrică elementară. Electronii, care se rotesc în jurul nucleului, sunt localizați în învelișurile de electroni K, L, M etc. K este învelișul cel mai apropiat de nucleu. Mărimea unui atom este determinată de mărimea învelișului său de electroni. Un atom poate pierde electroni și deveni un ion pozitiv sau poate câștiga electroni și deveni un ion negativ. Sarcina unui ion determină numărul de electroni pierduți sau câștigați. Procesul de transformare a unui atom neutru într-un ion încărcat se numește ionizare.
Nucleul atomic(partea centrală a atomului) constă din particule nucleare elementare - protoni și neutroni. Raza nucleului este de aproximativ o sută de mii de ori mai mică decât raza atomului. Densitate nucleul atomic extrem de mare. Protoni- acestea sunt particule elementare stabile cu o singură sarcină electrică pozitivă și o masă de 1836 de ori mai mare decât masa unui electron. Un proton este nucleul unui atom al celui mai ușor element, hidrogenul. Numărul de protoni din nucleu este Z. Neutroni este o particulă elementară neutră (fără sarcină electrică) cu o masă foarte apropiată de masa unui proton. Deoarece masa nucleului constă din masa protonilor și neutronilor, numărul de neutroni din nucleul unui atom este egal cu A - Z, unde A este numărul de masă al unui izotop dat (vezi). Protonul și neutronul care formează nucleul se numesc nucleoni. În nucleu, nucleonii sunt legați de forțe nucleare speciale.
Nucleul atomic conține o rezervă uriașă de energie, care este eliberată în timpul reacțiilor nucleare. Reacțiile nucleare apar atunci când nucleele atomice interacționează cu particulele elementare sau cu nucleele altor elemente. Ca rezultat al reacțiilor nucleare, se formează noi nuclei. De exemplu, un neutron se poate transforma într-un proton. În acest caz, o particulă beta, adică un electron, este ejectată din nucleu.
Tranziția unui proton la un neutron din nucleu poate fi efectuată în două moduri: fie o particulă cu o masă egală cu masa electronului, dar cu o sarcină pozitivă, numită pozitron (desintegrare a pozitronilor), este emisă din nucleul sau nucleul captează unul dintre electronii din capacul K cel mai apropiat de acesta (K -capture).
Uneori, nucleul rezultat are un exces de energie (este într-o stare excitată) și, trecând într-o stare normală, eliberează excesul de energie sub formă radiatii electromagnetice cu o lungime de undă foarte scurtă - . Energia eliberată în timpul reacțiilor nucleare este utilizată practic în diverse industrii.
Un atom (greacă atomos - indivizibil) este cea mai mică particulă a unui element chimic care are proprietățile sale chimice. Fiecare element este alcătuit dintr-un anumit tip de atom. Atomul este format dintr-un nucleu, care poartă o sarcină electrică pozitivă și electroni încărcați negativ (vezi), formând învelișurile sale de electroni. Mărimea sarcinii electrice a nucleului este egală cu Z-e, unde e este sarcina electrică elementară, egală ca mărime cu sarcina electronului (4,8·10 -10 unități electrice) și Z - număr atomic a acestui element în tabelul periodic al elementelor chimice (vezi). Deoarece un atom neionizat este neutru, numărul de electroni incluși în el este, de asemenea, egal cu Z. Compoziția nucleului (vezi Nucleul atomic) include nucleoni, particule elementare cu o masă de aproximativ 1840 de ori mai mare decât masa electronului. (egal cu 9,1 10 - 28 g), protoni (vezi), încărcați pozitiv și neutroni fără sarcină (vezi). Numărul de nucleoni din nucleu se numește număr de masă și este desemnat cu litera A. Numărul de protoni din nucleu, egal cu Z, determină numărul de electroni care intră în atom, structura învelișuri de electroniși proprietățile chimice ale atomului. Numărul de neutroni din nucleu este A-Z. Izotopii sunt varietăți ale aceluiași element, ale căror atomi diferă între ei ca număr de masă A, dar au același Z. Astfel, în nucleele atomilor diferiților izotopi ai aceluiași element există numere diferite de neutroni cu același numărul de protoni. Când se notează izotopii, numărul de masă A este scris deasupra simbolului elementului, iar numărul atomic dedesubt; de exemplu, izotopii oxigenului sunt desemnați: 
Dimensiunile unui atom sunt determinate de dimensiunile învelișurilor de electroni și sunt pentru toate Z o valoare de ordinul 10 -8 cm, deoarece masa tuturor electronilor unui atom este de câteva mii de ori mai mică decât masa nucleului , masa atomului este proporțională cu numărul de masă. Masa relativă a unui atom al unui izotop dat se determină în raport cu masa unui atom al izotopului de carbon C12, luată ca 12 unități, și se numește masa izotopului. Se dovedește a fi aproape de numărul de masă al izotopului corespunzător. Greutatea relativă a unui atom al unui element chimic este valoarea medie (ținând cont de abundența relativă a izotopilor unui element dat) a greutății izotopice și se numește greutate atomică (masă).
Atomul este un sistem microscopic, iar structura și proprietățile sale pot fi explicate doar folosind teoria cuantică, creată în principal în anii 20 ai secolului XX și menită să descrie fenomene la scară atomică. Experimentele au arătat că microparticulele - electroni, protoni, atomi etc. - pe lângă cele corpusculare, au proprietățile valurilor, manifestată prin difracție și interferență. În teoria cuantică, pentru a descrie starea microobiectelor, se folosește un anumit câmp de undă, caracterizat printr-o funcție de undă (funcția Ψ). Această funcție determină probabilitățile stărilor posibile ale unui microobiect, adică caracterizează posibilitățile potențiale de manifestare a anumitor proprietăți ale acestuia. Legea de variație a funcției Ψ în spațiu și timp (ecuația lui Schrodinger), care ne permite să găsim această funcție, joacă același rol în teoria cuantică ca și legile mișcării lui Newton în mecanica clasică. Rezolvarea ecuației Schrödinger în multe cazuri duce la stări posibile discrete ale sistemului. Deci, de exemplu, în cazul unui atom, se obține o serie de funcții de undă pentru electroni corespunzătoare unor valori diferite (cuantificate) de energie. Sistemul de niveluri de energie atomică, calculat prin metodele teoriei cuantice, a primit o confirmare strălucitoare în spectroscopie. Tranziția unui atom din starea fundamentală corespunzătoare celei mai mici nivelul energetic E 0, în oricare dintre stările excitate E i apare la absorbția unei anumite porțiuni de energie E i - E 0. Un atom excitat ajunge la o stare mai puțin excitată sau fundamentală, de obicei prin emiterea unui foton. În acest caz, energia fotonului hv este egală cu diferența de energii ale atomului în două stări: hv = E i - E k unde h este constanta lui Planck (6,62·10 -27 erg·sec), v este frecvența de lumină.
Pe lângă spectrele atomice, teoria cuantică a făcut posibilă explicarea altor proprietăți ale atomilor. În special, valența, natura legătură chimicăși structura moleculelor, a fost creată o teorie tabel periodic elemente.
Până la începutul secolului al XX-lea, oamenii de știință credeau că un atom este cea mai mică particulă indivizibilă de materie, dar acest lucru s-a dovedit a fi greșit. De fapt, în centrul atomului se află nucleul acestuia cu protoni încărcați pozitiv și neutroni neutri, iar electronii încărcați negativ se rotesc în orbiti în jurul nucleului (acest model al atomului a fost propus în 1911 de E. Rutherford). Este de remarcat faptul că masele de protoni și neutroni sunt aproape egale, dar masa unui electron este de aproximativ 2000 de ori mai mică.
Deși un atom conține atât particule încărcate pozitiv, cât și negative, sarcina lui este neutră, deoarece un atom are același număr de protoni și electroni, iar particulele încărcate diferit se neutralizează reciproc.
Mai târziu, oamenii de știință au descoperit că electronii și protonii au aceeași cantitate de sarcină, egală cu 1,6 10 -19 C (C este un coulomb, o unitate de sarcină electrică în sistemul SI.
Te-ai gândit vreodată la întrebarea - ce număr de electroni corespunde unei sarcini de 1 C?
1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 electroni
Putere electrică
Sarcinile electrice se influențează reciproc, ceea ce se manifestă ca forta electrica.
Dacă un corp are un exces de electroni, acesta va avea o sarcină electrică negativă totală și invers - dacă există o deficiență de electroni, corpul va avea o sarcină totală pozitivă.
Prin analogie cu forte magnetice, când polii cu încărcare similară se resping și polii încărcați opus se atrag, sarcinile electrice se comportă în mod similar. Cu toate acestea, în fizică nu este suficient să vorbim pur și simplu despre polaritatea unei sarcini electrice este importantă valoarea sa numerică.
Pentru a afla magnitudinea forței care acționează între corpurile încărcate, este necesar să se cunoască nu numai mărimea sarcinilor, ci și distanța dintre ele. Forța gravitației universale a fost deja luată în considerare anterior: F = (Gm 1 m 2)/R 2
- m 1, m 2- mase de corpuri;
- R- distanta dintre centrele corpurilor;
- G = 6,67 10-11 Nm2/kg- constantă gravitațională universală.
Ca urmare a experimente de laborator, fizicienii au derivat o formulă similară pentru forța de interacțiune a sarcinilor electrice, care se numește legea lui Coulomb:
F = kq 1 q 2 /r 2
- q 1, q 2 - sarcini care interacționează, măsurate în C;
- r este distanța dintre sarcini;
- k - coeficientul de proporționalitate ( SI: k=8,99.109 Nm2CI2; SSSE: k=1).
- k=1/(4πε 0).
- ε 0 ≈8,85·10 -12 C 2 N -1 m -2 - constantă electrică.
Conform legii lui Coulomb, dacă două sarcini au același semn, atunci forța F care acționează între ele este pozitivă (sarcinile se resping reciproc); dacă acuzațiile au semne opuse, forță efectivă negativ (încărcăturile se atrag reciproc).
Cât de enormă este forța unei sarcini de 1 C poate fi apreciată folosind legea lui Coulomb. De exemplu, dacă presupunem că două sarcini, fiecare de 1 C, sunt distanțate la o distanță de 10 metri una de cealaltă, atunci se vor respinge cu forță:
F = kq 1 q 2 /r 2 F = (8,99 10 9) 1 1/(10 2) = -8,99 10 7 N
Aceasta este o forță destul de mare, aproximativ comparabilă cu o masă de 5600 de tone.
Să folosim acum legea lui Coulomb pentru a afla cu ce viteză liniară se rotește electronul într-un atom de hidrogen, presupunând că se mișcă pe o orbită circulară.
Conform legii lui Coulomb, forța electrostatică care acționează asupra unui electron poate fi echivalată cu forța centripetă:
F = kq 1 q 2 /r 2 = mv 2 /r
Ținând cont de faptul că masa electronului este de 9,1·10 -31 kg, iar raza orbitei sale = 5,29·10 -11 m, obținem valoarea 8,22·10 -8 N.
Acum putem găsi viteza liniară a electronului:
8,22·10 -8 = (9,1·10 -31)v 2 /(5,29·10 -11) v = 2,19·10 6 m/s
Astfel, electronul atomului de hidrogen se rotește în jurul centrului său cu o viteză de aproximativ 7,88 milioane km/h.
Dacă sunteți familiarizat cu structura unui atom, atunci probabil știți că un atom al oricărui element este format din trei tipuri de particule elementare: protoni, electroni și neutroni. Protonii se combină cu neutronii pentru a forma un nucleu atomic Deoarece sarcina unui proton este pozitivă, nucleul atomic este întotdeauna încărcat pozitiv. nucleul atomic este compensat de norul de alte particule elementare care îl înconjoară. Electronul încărcat negativ este componenta atomului care stabilizează sarcina protonului. În funcție de nucleul atomic din jur, un element poate fi fie neutru din punct de vedere electric (în cazul unui număr egal de protoni și electroni în atom), fie să aibă o sarcină pozitivă sau negativă (în cazul unei deficiențe sau, respectiv, al excesului de electroni). ). Un atom al unui element care poartă o anumită sarcină se numește ion.
Este important să ne amintim că numărul de protoni este cel care determină proprietățile elementelor și poziția lor în tabel periodic ei. D. I. Mendeleev. Neutronii conținuți în nucleul atomic nu au nicio sarcină. Datorită faptului că protonii sunt corelați și practic egali între ei, iar masa electronului este neglijabilă în comparație cu ei (de 1836 de ori mai puțin), numărul de neutroni din nucleul unui atom joacă un rol foarte important și anume: determină stabilitatea sistemului și viteza nucleelor Conținuturi neutronii determină izotopul (varietatea) unui element.
Cu toate acestea, din cauza discrepanței dintre masele particulelor încărcate, protonii și electronii au sarcini specifice diferite (această valoare este determinată de raportul dintre sarcina unei particule elementare și masa ei). Ca rezultat, sarcina specifică a protonului este de 9,578756(27)·107 C/kg față de -1,758820088(39)·1011 pentru electron. Datorită încărcăturii specifice ridicate, protonii liberi nu pot exista în mediile lichide: pot fi hidratați.
Masa și sarcina unui proton sunt valori specifice care au fost stabilite la începutul secolului trecut. Care om de știință a făcut aceasta - una dintre cele mai mari - descoperiri ale secolului al XX-lea? În 1913, Rutherford, pe baza faptului că masele tuturor elementelor chimice cunoscute sunt mai mari decât masa atomului de hidrogen de un număr întreg de ori, a sugerat că nucleul atomului de hidrogen este inclus în nucleul atomului. a oricărui element. Ceva mai târziu, Rutherford a efectuat un experiment în care a studiat interacțiunea nucleelor unui atom de azot cu particulele alfa. Ca rezultat al experimentului, o particulă a zburat din nucleul atomului, pe care Rutherford l-a numit „proton” (de la cuvânt grecesc„protos” - primul) și a sugerat că este nucleul atomului de hidrogen. Ipoteza a fost dovedită experimental prin repetarea acestui experiment științific într-o cameră cu nori.
Același Rutherford a formulat în 1920 o ipoteză despre existența în nucleul atomic a unei particule a cărei masă este egală cu masa unui proton, dar nu poartă nicio sarcină electrică. Cu toate acestea, Rutherford însuși nu a reușit să detecteze această particulă. Dar în 1932, studentul său Chadwick a dovedit experimental existența unui neutron în nucleul atomic - o particulă, așa cum a prezis Rutherford, aproximativ egală ca masă cu un proton. A fost mai dificil de detectat neutronii, deoarece nu au sarcină electrică și, în consecință, nu interacționează cu alte nuclee. Absența sarcinii explică capacitatea foarte mare de penetrare a neutronilor.
Protonii și neutronii sunt legați împreună în nucleul atomic printr-o forță foarte puternică. Acum, fizicienii sunt de acord că aceste două particule nucleare elementare sunt foarte asemănătoare între ele. Deci, au rotiri egale, iar forțele nucleare acționează asupra lor în mod absolut egal. Singura diferență este că protonul are o sarcină pozitivă, în timp ce neutronul nu are nicio sarcină. Dar din moment ce sarcina electrică nu are nicio semnificație în interacțiunile nucleare, ea poate fi considerată doar ca un fel de semn al protonului. Dacă privați un proton de o sarcină electrică, acesta își va pierde individualitatea.
Dacă frecați o tijă de sticlă pe o foaie de hârtie, tija va dobândi capacitatea de a atrage frunzele „sultanului” (vezi Fig. 1.1), puf și fluxuri subțiri de apă. Când pieptănați părul uscat cu un pieptene din plastic, părul este atras de pieptene. In acestea exemple simple ne întâlnim cu manifestarea forţelor care sunt numite electric.
Orez. 1.1. Atragerea frunzelor „sultanului” cu o tijă de sticlă electrificată.
Se numesc corpuri sau particule care acționează asupra obiectelor din jur cu forțe electrice taxat sau electrificată. De exemplu, tija de sticlă menționată mai sus, după ce a fost frecata pe o foaie de hârtie, se electrifică.
Particulele au o sarcină electrică dacă interacționează între ele prin forțe electrice. Forțele electrice scad odată cu creșterea distanței dintre particule. Forțele electrice sunt de multe ori mai mari decât gravitația universală.
Sarcina electrica este o mărime fizică care determină intensitatea interacțiunilor electromagnetice. Interacțiunile electromagnetice sunt interacțiuni între particule sau corpuri încărcate.
Sarcinile electrice sunt împărțite în pozitive și negative. Particulele elementare stabile au o sarcină pozitivă - protoniŞi pozitroni, precum și ionii atomilor de metal etc. Purtătorii de sarcină negativă stabili sunt electronŞi antiproton.
Există particule neîncărcate electric, adică neutre: neutroni, neutrini. Aceste particule nu participă la interacțiunile electrice, deoarece sarcina lor electrică este zero. Există particule fără sarcină electrică, dar o sarcină electrică nu există fără o particulă.
Pe sticla frecata cu matase, sarcini pozitive. Ebonita frecata pe blana are sarcini negative. Particulele se resping atunci când sarcinile au aceleași semne ( acuzații cu același nume), și când semne diferite (încărcături de semne contrarii) particulele sunt atrase.
Toate corpurile sunt formate din atomi. Atomii constau dintr-un nucleu atomic încărcat pozitiv și electroni încărcați negativ care se mișcă în jurul nucleului atomic. Nucleul atomic este format din protoni încărcați pozitiv și particule neutre - neutroni. Sarcinile dintr-un atom sunt distribuite în așa fel încât atomul în ansamblu să fie neutru, adică suma sarcinilor pozitive și negative din atom este zero.
Electronii și protonii fac parte din orice substanță și sunt cele mai mici particule elementare stabile. Aceste particule pot exista în stare liberă pentru un timp nelimitat. Sarcina electrică a unui electron și a unui proton se numește sarcină elementară.
Taxa elementara- aceasta este sarcina minimă pe care o au toate particulele elementare încărcate. Sarcina electrică a unui proton este egală în valoare absolută cu sarcina unui electron:
E = 1,6021892(46) * 10 -19 C Mărimea oricărei sarcini este un multiplu în valoare absolută al sarcinii elementare, adică al sarcinii electronului. Electron tradus din greacă electron - chihlimbar, proton - din greacă protos - mai întâi, neutron din latină neutrum - nici unul, nici celălalt.
Conductoare și dielectrice
Sarcinile electrice se pot muta. Sunt numite substanțe în care sarcinile electrice se pot mișca liber conductoare. Toate metalele sunt conductoare bune (conductori de tip I), solutii apoase săruri și acizi - electroliți(conductoare tip II), precum și gaze fierbinți și alte substanțe. Corpul uman este și el conductor. Conductorii au o conductivitate electrică ridicată, adică conduc bine curentul electric.
Sunt numite substanțe în care sarcinile electrice nu se pot mișca liber dielectrice(din engleză dielectric, din greacă dia - through, through și engleză electric - electric). Aceste substanțe mai sunt numite izolatoare. Conductivitatea electrică a dielectricilor este foarte scăzută în comparație cu metalele. Izolatorii buni sunt porțelanul, sticla, chihlimbarul, ebonita, cauciucul, mătasea, gazele la temperatura camerei și alte substanțe.
Împărțirea în conductori și izolatori este arbitrară, deoarece conductivitatea depinde de diverși factori, inclusiv de temperatură. De exemplu, sticla izolează bine doar în aer uscat și devine un izolator slab atunci când umiditatea aerului este ridicată.
Conductorii și dielectricii joacă un rol enorm în aplicație modernă electricitate.