Делимость электрического заряда. Строение атомов

Введение

На протяжении веков человечество стремилось понять, из чего состоят все вещества вокруг нас. Сначала люди думали, что вещество неделимо и состоит из мельчайших частиц — атомов, как утверждал ещё древнегреческий философ Демокрит. Однако с развитием науки стало ясно, что атом — не последняя ступень делимости материи. Он имеет сложное строение, а внутри атома существуют ещё более мелкие частицы — электроны, протоны и нейтроны. Именно открытие этих частиц помогло учёным объяснить природу электрических явлений, возникновение зарядов и взаимодействие между телами.

Одной из важнейших идей физики является делимость электрического заряда. Сегодня мы знаем, что электрический заряд — это одно из фундаментальных свойств элементарных частиц. Он не возникает и не исчезает, а может лишь переходить от одного тела к другому. Электрический заряд существует в дискретной форме — то есть не может быть каким угодно, а представляет собой целое кратное минимальному заряду, который несёт электрон.

Понимание строения атома и природы заряда позволило создать множество технологий — от радиосвязи и микропроцессоров до лазеров и ядерной энергетики. Изучая эти явления, школьники знакомятся с основами современной физики и получают представление о законах, управляющих микромиром.

1. Теории об электрическом заряде

История изучения электричества началась задолго до открытия элементарных частиц. Ещё древние греки замечали, что натёртый янтарь способен притягивать лёгкие предметы. Отсюда и произошло слово «электричество» (от греч. elektron — янтарь). Долгое время люди считали, что электрические явления связаны с особой «жидкостью», перетекающей между телами.

Позже, с развитием науки, учёные установили, что электризация связана с наличием в телах частиц, обладающих зарядами двух родов — положительными и отрицательными. При трении или соприкосновении тела обмениваются этими зарядами, и накапливаемый заряд вызывает притяжение или отталкивание.

2. Опыт для демонстрации деления электрического заряда

Одним из доказательств делимости электрического заряда стал опыт с электроскопом. Если на электроскоп поместить наэлектризованный предмет, то его лепестки расходятся. Затем, если к электроскопу поднести другой, противоположно заряженный предмет, лепестки начинают сходиться. Это показывает, что заряд может частично переходить с одного тела на другое.

Однако самое важное открытие принадлежит Джозефу Джону Томсону (1897 год), который с помощью катодных лучей доказал существование отрицательно заряженных частиц — электронов. Это стало первым прямым подтверждением делимости электрического заряда.

3. Масса и заряд электрона

Экспериментально установлено, что заряд электрона равен
e = 1,6 × 10⁻¹⁹ Кл,
а масса электрона составляет примерно 9,1 × 10⁻³¹ кг.

Эти величины крайне малы, но именно из огромного количества таких частиц состоит любой предмет вокруг нас. Положительный заряд в атоме сосредоточен в ядре, где находятся протоны, обладающие зарядом, равным по величине, но противоположным по знаку заряду электрона.

4. Кулон и закон Кулона

Для количественного описания взаимодействия зарядов французский физик Шарль Огюстен Кулон в XVIII веке сформулировал закон Кулона.

Он утверждает:

Сила взаимодействия между двумя точечными зарядами прямо пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Формула закона Кулона:
F = k * (q₁ × q₂) / r²,
где
F — сила взаимодействия,
q₁ и q₂ — заряды тел,
r — расстояние между ними,
k — коэффициент, зависящий от системы единиц и среды.

Этот закон подобен закону всемирного тяготения Ньютона, только вместо масс во взаимодействии участвуют электрические заряды, которые могут быть как притягивающимися, так и отталкивающимися.

5. Различные теории строения атома

После открытия электрона стало ясно, что атом имеет внутреннее строение. Первая модель атома принадлежит самому Томсону: он предполагал, что атом — это положительно заряжённая сфера, внутри которой «плавают» отрицательные электроны.

Однако в 1911 году Эрнест Резерфорд провёл знаменитый опыт по рассеянию α-частиц и доказал, что положительный заряд сосредоточен в крошечном ядре, а электроны движутся вокруг него, как планеты вокруг Солнца. Так появилась планетарная модель атома Резерфорда, ставшая основой для дальнейших открытий.

6. Строение атома гелия и водорода

Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона, вращающегося вокруг ядра. Атом гелия содержит два протона, два нейтрона и два электрона. Именно нейтроны (открытые позже Дж. Чедвиком) обеспечивают устойчивость ядра, помогая протонам не отталкиваться друг от друга.

Эти простейшие атомы легли в основу представлений о строении вещества и позволили учёным создать квантовую теорию, объясняющую свойства элементов.

Выводы

1. Электрический заряд — это одно из фундаментальных свойств материи, существующее в двух видах: положительном и отрицательном.

2. Заряд делим и передаётся дискретными порциями, равными заряду электрона.

3. Взаимодействие зарядов подчиняется закону Кулона.

4. Атом имеет сложное строение: ядро с протонами и нейтронами и электронами, движущимися вокруг.

5. Модель Резерфорда стала основой современного понимания микромира.

Вопросы для самопроверки

1. Что означает делимость электрического заряда?

2. Кто впервые доказал существование электрона и как это было сделано?

3. Как формулируется закон Кулона?

4. Чем отличается модель Томсона от модели Резерфорда?

5. Из каких частиц состоит атом гелия?

6. Какой заряд имеет электрон и какова его масса?

7. Почему в атоме водорода электрон не падает на ядро?

8. Какие выводы о строении атома были сделаны на основе опыта Резерфорда?