Электрон и протон
До начала 20 века ученые считали атом мельчайшей неделимой частицей вещества, но это оказалось не так. На самом деле, в центра атома располагается его ядро с заряженными положительно протонами и нейтральными нейтронами, вокруг ядра по орбиталям вращаются отрицательно заряженные электроны (данная модель атома была в 1911 году предложена Э. Резерфордом). Примечательно, что массы протонов и нейтронов практически равны, а вот масса электрона примерно в 2000 раз меньше.
Хоть атом содержит как положительно заряженные частицы, так и отрицательно, его заряд нейтрален, т.к., в атоме одинаковое количество протонов и электронов, а рзнозаряженные частицы нейтрализуют друг друга.
Позже ученые выяснили, что электроны и протоны обладают одинаковой величиной заряда, равной 1,6·10-19Кл (Кл - кулон, единица электрического заряда в системе СИ.
Никогда не задумывались над вопросом - какое кол-во электронов соответствует заряду в 1 Кл?
Высчитать это достаточно просто:
1/(1,6·10-19) = 6,25·1018 электронов
Электрическая сила
Электрические заряды воздействуют друг на друга, что проявляется в виде электрической силы.
Если какое-то тело имеет избыток электронов, оно будет обладать суммарным отрицательным электрическим зарядом, и наоборот - при дефиците электронов, тело будет иметь суммарный положительный заряд.
По аналогии с магнитными силами, когда одноименно заряженные полюса отталкиваются, а разноименно - притягиваются, электрические заряды ведут себя аналогичным образом. Однако, в физике недостаточно говорить просто о полюсности электрического заряда, важно его числовое значение.
Чтобы узнать величину силы, действующей между заряженными телами, необходимо знать не только величину зарядов, но и расстояние между ними. Ранее уже рассматривалась сила всемирного тяготения:F = (Gm1m2)/R2
- m1, m2 - массы тел;
- R - расстояние между центрами тел;
- G = 6,67·10-11 Нм2/кг - универсальная гравитационная постоянная.
В результате проведенных лабораторных опытов, физики вывели аналогичную формулу для силы взаимодейтсвия электрических зарядов, которая получила название закон Кулона:
F = kq1q2/r2
- q1, q2 - взаимодействующие заряды, измеренные в Кл;
- r - расстояние между зарядами;
- k - коэффициент пропорциональности (СИ: k=8,99·109Нм2Кл2; СГСЭ: k=1).
Где:
- k=1/(4πε0).
- ε0≈8,85·10-12Кл2Н-1м-2 - электрическая постоянная.
Согласно закону Кулона, если два заряда имеют одинаковый знак, то действующая между ними сила F положительна (заряды отталкиваются друг от друга); если заряды имеют противоположные знаки, действующая сила отрицательна (заряды притягиваются друг к другу).
О том, насколько огромным по силе является заряд в 1 Кл можно судить, используя закон Кулона. Например, если предположить, что два заряда, каждый в 1Кл разнести на расстояние друг от друга в 10 метров, то они будут друг от друга отталкиваться с силой:
F = kq1q2/r2 F = (8,99·109)·1·1/(102) = -8,99·107Н
Это достаточно большая сила, примерно сопостовимая с массой в 5600 тонн.
Давайте теперь при помощи закона Кулона узнаем, с какой линейной скоростью вращается электрон в атоме водорода, считая, что он движется по круговой орбите.
Электростатическую силу, действующую на электрон, по закону Кулона можно приравнять к центростремительной силе:
F = kq1q2/r2 = mv2/r
Учитывая тот факт, что масса электрона равна 9,1·10-31кг, а радиус его орбиты = 5,29·10-11м, получаем значение 8,22·10-8Н.
Теперь можно найти линейную скорость электрона:
8,22·10-8 = (9,1·10-31)v2/(5,29·10-11) v = 2,19·106м/с
Таким образом, электрон атома водорода вращается вокруг его центра со скоростью, равной примерно 7,88 млн. км/ч.
