Теории об электрическом заряде

Дискретность электрического заряда. Электрон. Строение атома

На преды­ду­щих уро­ках мы вы­яс­ни­ли су­ще­ство­ва­ние элек­три­че­ских за­ря­дов, а также прин­ци­пы их вза­и­мо­дей­ствия.

И вот те­перь мы по­до­шли к во­про­су, что же такое элек­три­че­ский заряд. Ответ был най­ден уче­ны­ми да­ле­ко не сразу. Су­ще­ство­ва­ло мно­же­ство тео­рий. И толь­ко в конце XIX века фи­зи­ки при­шли к окон­ча­тель­но­му от­ве­ту на этот важ­ней­ший с точки зре­ния науки во­прос.

До этого пред­по­ла­га­ли, что тела за­ря­жа­ют­ся из-за дви­же­ния спе­ци­аль­ной за­ря­жен­ной жид­ко­сти: якобы, когда она по­ки­да­ет тело, то оно за­ря­жа­ет­ся от­ри­ца­тель­но, а когда по­па­да­ет в него, то на­о­бо­рот. По дру­гой тео­рии, внут­ри тела на­хо­ди­лось все­гда сразу две жид­ко­сти. Если одна из них вы­те­ка­ла, то дру­гая ока­зы­ва­лась в из­быт­ке, что и при­во­ди­ло к по­яв­ле­нию элек­три­че­ско­го за­ря­да.

Чтобы разо­брать­ся с элек­три­че­ским за­ря­дом, нам необ­хо­ди­мо дать ответ на сле­ду­ю­щий во­прос: до какой сте­пе­ни можно де­лить элек­три­че­ский заряд? Чтобы по­нять суть этого во­про­са, рас­смот­рим сле­ду­ю­щий экс­пе­ри­мент.

Возь­мём два неза­ря­жен­ных элек­тро­мет­ра.

Также возь­мём стек­лян­ную па­лоч­ку и по­трём её о бу­ма­гу. Как мы уже знаем из преды­ду­щих уро­ков, па­лоч­ка при­об­ре­тёт заряд.

Со­об­щим те­перь с по­мо­щью на­элек­три­зо­ван­ной па­лоч­ки заряд од­но­му из элек­тро­мет­ров.

Те­перь возь­мём ме­тал­ли­че­ский стер­жень (на изо­ли­ро­ван­ной ручке) и со­еди­ним с по­мо­щью него шары обоих элек­тро­мет­ров. Как мы уже знаем, в ре­зуль­та­те заряд раз­де­лит­ся между элек­тро­мет­ра­ми.

Сни­мем заряд со вто­ро­го элек­тро­мет­ра (опять же, мы уже знаем, как это де­ла­ет­ся: до­ста­точ­но про­сто при­кос­нуть­ся к шару элек­тро­мет­ра паль­цем).

По­вто­рим экс­пе­ри­мент. Си­ту­а­ция по­вто­рит­ся с той лишь раз­ни­цей, что заряд на пер­вом элек­тро­мет­ре умень­шил­ся при­бли­зи­тель­но в 2 раза (он пе­ре­шёл на вто­рой элек­тро­метр, от­ку­да мы его «за­бра­ли»).

И снова сни­мем заряд со вто­ро­го элек­тро­мет­ра. И снова заряд на пер­вом элек­тро­мет­ре умень­шил­ся прак­ти­че­ски в 2 раза.

Воз­ни­ка­ет во­прос, до каких пор мы можем по­вто­рять ука­зан­ные дей­ствия? Элек­тро­мет­ры не поз­во­ля­ют нам от­ве­тить на этот во­прос, так как яв­ля­ют­ся до­ста­точ­но неточ­ны­ми при­бо­ра­ми с боль­шой по­греш­но­стью в из­ме­ре­ни­ях.

Как же по­сту­пи­ли фи­зи­ки в этой си­ту­а­ции?

Ответ на по­став­лен­ный во­прос прак­ти­че­ски од­но­вре­мен­но и неза­ви­си­мо друг от друга дали два учё­ных – аме­ри­кан­ский физик Р. Э. Мил­ли­кен и рус­ский физик А. Ф. Иоффе, по­это­му их опыты так и на­зы­ва­ют­ся: опыты Иоф­фе-Мил­ли­ке­на.

Р. Э. Мил­ли­кен А. Ф. Иоффе

Масса и заряд электрона

Иоффе и Мил­ли­кен неза­ви­си­мо друг от друга с по­мо­щью опре­де­лён­ных при­бо­ров су­ме­ли опре­де­лить заряд элек­тро­на – мель­чай­шей ча­сти­цы, до ко­то­рой можно де­лить элек­три­че­ский заряд.

Мил­ли­ке­ну, в част­но­сти, уда­лось опре­де­лить и массу этой эле­мен­тар­ной ча­сти­цы.

В конце XIX века бла­го­да­ря ис­сле­до­ва­нию ядер­ных пре­вра­ще­ний уда­лось от­крыть ча­сти­цу – элек­трон. Такое на­зва­ние она по­лу­чи­ла вслед­ствие того, что об­ла­да­ет ми­ни­маль­ным элек­три­че­ским за­ря­дом.

В ре­зуль­та­те опы­тов Иоф­фе-Мил­ли­ке­на стало из­вест­но, что масса элек­тро­на равна , а его заряд (ко­то­рый усло­ви­лись счи­тать от­ри­ца­тель­ным) равен

. Обо­зна­ча­ет­ся это так: ; .

Это ха­рак­те­ри­сти­ки самой ма­лень­кой ча­сти­цы, об­ла­да­ю­щей элек­три­че­ским за­ря­дом. До более мел­ких зна­че­ний элек­три­че­ский заряд раз­де­лить не уда­лось. По­это­му заряд элек­тро­на – ми­ни­маль­ный элек­три­че­ский заряд. Все осталь­ные за­ря­ды крат­ны за­ря­ду элек­тро­на (то есть де­лят­ся на него без остат­ка). Это озна­ча­ет, что, к при­ме­ру, заряд не может быть равен .

Кулон, закон Кулона

В ка­че­стве обо­зна­че­ния еди­ни­цы за­ря­да мы ука­за­ли «Кл» – Кулон. На­зва­на эта еди­ни­ца из­ме­ре­ния в честь фран­цуз­ско­го учё­но­го Шарля Ку­ло­на, ко­то­рый вывел закон о вза­и­мо­дей­ствии элек­три­че­ских за­ря­дов. Кулон по­ка­зал, что чем боль­ше рас­сто­я­ние между за­ря­да­ми, тем мень­ше сила их вза­и­мо­дей­ствия, а чем боль­ше по мо­ду­лю ве­ли­чи­ны за­ря­дов, тем эта сила боль­ше.

 

От­ме­тим нема­ло­важ­ный факт: и заряд, и масса элек­тро­на крайне малые ве­ли­чи­ны (срав­ни­тель­но, ко­неч­но же).

Важно также пом­нить, что элек­три­че­ский заряд не су­ще­ству­ет от­дель­но от ве­ще­ства. Если нет ча­сти­цы – нет и за­ря­да. Об­рат­ная си­ту­а­ция воз­мож­на: ча­сти­ца может быть неза­ря­жен­ной, то есть су­ще­ство­вать без за­ря­да, а вот заряд без ча­сти­цы – ни­ко­гда.

Сле­ду­ю­щий шаг в изу­че­нии элек­три­че­ских за­ря­дов со­сто­ял в том, чтобы по­нять, как рас­по­ло­же­ны элек­три­че­ские за­ря­ды внут­ри ве­ще­ства. Мы знаем, что все тела со­сто­ят из ато­мов и мо­ле­кул. Из этого можно сде­лать вывод, что элек­трон ка­ким-то об­ра­зом свя­зан с ато­мом.

Су­ще­ство­ва­ло много тео­рий о том, что же такое атом. Одни учё­ные счи­та­ли, что он на­по­ми­на­ет булку с изю­мом.

То есть, по­ло­жи­тель­ный заряд – это сама булка, а изюм – это элек­тро­ны. По­это­му атом за­ря­да не имеет (как и долж­но быть, ведь если ве­ще­ство не на­элек­три­зо­ва­но, то оно за­ря­да не имеет).

Дру­гие учё­ные счи­та­ли, что атом на­по­ми­на­ет орех: есть скор­лу­па, внут­ри ко­то­рой на­хо­дят­ся по­ло­жи­тель­ные и от­ри­ца­тель­ные за­ря­жен­ные ча­сти­цы.

Различные теории строения атома; планетарная модель строения атома Резерфорда

Во­об­ще, су­ще­ство­ва­ло мно­же­ство тео­рий, каж­дая из ко­то­рых объ­яс­ня­ла те или иные из­вест­ные на тот мо­мент свой­ства атома.

На­ко­нец, ан­глий­ский учё­ный Эр­нест Ре­зер­форд про­вёл опыт, ко­то­рый поз­во­лил уста­но­вить, как же всё-та­ки устро­ен атом.

С по­мо­щью уже от­кры­тых тогда свойств ра­дио­ак­тив­но­сти ему уда­лось опре­де­лить, что атом – некое по­до­бие пла­не­тар­ной си­сте­мы. Как мы знаем, в цен­тре Сол­неч­ной си­сте­мы на­хо­дит­ся Солн­це, во­круг ко­то­ро­го по ор­би­там вра­ща­ют­ся пла­не­ты. Такую же мо­дель Ре­зер­форд пред­ло­жил для атома (Рис.).

В цен­тре атома рас­по­ло­же­но мас­сив­ное, по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ное ядро, а во­круг ядра по своим ор­би­там дви­жут­ся элек­тро­ны. При этом ско­рость дви­же­ния элек­тро­нов очень боль­шая.

В целом, из опы­тов сле­до­ва­ло, что атом элек­тро­ней­тра­лен, а всё из­ме­не­ние за­ря­да тела обес­пе­чи­ва­ет­ся дви­же­ни­ем элек­тро­нов. То есть если в наших опы­тах тела при­об­ре­та­ли заряд, то это свя­за­но не с по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ным ядром, а с дви­же­ни­ем от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ных элек­тро­нов. Если элек­тро­ны от тела «ухо­дят», то тело за­ря­жа­ет­ся по­ло­жи­тель­но (так как «ушли» от­ри­ца­тель­но), а если, на­о­бо­рот, элек­тро­ны к телу «при­хо­дят», то тело за­ря­жа­ет­ся от­ри­ца­тель­но.

 

Рис. Мо­дель атома Ре­зер­фор­да

 

Закон сохранения зарядов

Так как уже было ука­за­но, что ни­ка­ко­го со­зда­ния за­ря­да не про­ис­хо­дит, а про­ис­хо­дит лишь пе­ре­рас­пре­де­ле­ние, то имеет смысл сфор­му­ли­ро­вать закон со­хра­не­ния за­ря­да:

В за­мкну­той си­сте­ме ал­геб­ра­и­че­ская сумма за­ря­дов со­хра­ня­ет­ся. За­мкну­той си­сте­мой на­зы­ва­ет­ся си­сте­ма тел, в ко­то­рую не при­вно­сит­ся за­ря­дов извне и из ко­то­рой за­ря­ды не ухо­дят.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: