Как найти число заряда электрона - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Возьмём два одинаковых электрометра и один из них зарядим (рис. а). Его заряд соответствует (6) делениям шкалы.

Рис. (1). Электрометры

Если соединить эти электрометры стеклянной палочкой, то никаких изменений не произойдёт. Это подтверждает тот факт, что стекло является диэлектриком. Если же для соединения электрометров использовать металлический стержень А (рис. б), держа его за не проводящую электричество ручку В, то можно заметить, что первоначальный заряд разделится на две равные части: половина заряда перейдёт с первого шара на второй. Теперь заряд каждого электрометра соответствует (3) делениям шкалы. Продолжим опыт. Разъединим электрометры и коснёмся второго шара рукой. От этого он потеряет заряд — разрядится. Соединим его снова с первым шаром, на котором осталась половина первоначального заряда. Оставшийся заряд снова разделится на две равные части, и на первом шаре останется четвёртая часть первоначального заряда. Таким же образом можно получить одну восьмую часть, одну шестнадцатую часть первоначального заряда и т.д.
Возникает вопрос, до каких пор можно уменьшать заряд? Существует ли предел деления электрического заряда? Чтобы выяснить это, понадобилось выполнить более сложные и точные опыты, чем описанный выше, так как очень скоро оставшийся на шаре заряд оказывается столь малым, что обнаружить его при помощи школьного электрометра не удаётся. Более точные опыты показали, что электрический заряд нельзя уменьшать бесконечно: он имеет предел делимости.

Электрический заряд — это физическая величина, которую обозначают буквой (q).

За единицу электрического заряда принят кулон (Кл). Частицу, имеющую самый маленький заряд, назвали электроном. Этот заряд нельзя «снять» с электрона. Заряд электрона обозначают буквой е. Заряд электрона является отрицательным. (e = -0,00000000000000000016) Кл = (-)

1,6
·10
−19

()Кл. Этот заряд в миллиарды раз меньше того, что обычно получают в опытах по электризации тел трением.
Чтобы узнать заряд тела, необходимо заряд электрона умножить на количество зарядов n:

q=e
·n

.
Электрон — очень маленькая частица. Его масса (m =)9,1
·10
−31 кг. Крылышко мухи имеет массу примерно в (5·10²²) большую, чем масса электрона.

Если тело не заряжено и при электризации оно приобрело электроны, то оно зарядится отрицательно. Его заряд будет равен сумме зарядов полученных электронов.

Обрати внимание!

Если тело заряжено отрицательно и при электризации оно ещё приобретает электроны, то отрицательный заряд тела возрастает.

Пример:

Например, до электризации тело с зарядом (2е) в ходе электризации приобретает ещё (4) заряда электрона. Тогда после электризации заряд тела равен (2е + 4е = 6е).

Обрати внимание!

Если тело заряжено отрицательно и при электризации оно теряет электроны, то отрицательный заряд тела уменьшается.

Например, до электризации тело с зарядом (8е) в ходе электризации теряет (3) заряда электрона. Тогда после электризации заряд тела равен (8е — 3е = 5е).

Все вещества состоят из атомов.

Обрати внимание!

Атом состоит из ядра, а вокруг него движутся электроны.

Модель атома можно представить себе следующим образом:

Рис. (2). Модель атома

Обрати внимание!

Ядро тоже имеет свой состав: протоны и нейтроны.

Информация об этих частицах дана в таблице.

Частицы	Обозначение	Заряд (условные единицы)	Заряд, Кл	Масса, кг
Протон	p	+1	1,6 ·10−19	1,7 ·10−27
Нейтрон	n	0	(0)	1,7 ·10−27
Электрон	e	-1	(-1,6·10^{-19})	9,1 ·10−31

Рис. (3). Состав атома

Обрати внимание!

Атом не имеет заряда, т.к. количество электронов в атоме равно количеству протонов.

Количество нейтронов в атомах может быть отлично от количества протонов и электронов.
Атом, потерявший один или несколько электронов, не будет нейтральным, а будет иметь заряд «+». Его называют положительным ионом.

Атом, потерявший один или несколько электронов, называют положительным ионом.

Атом, к которому присоединился электрон, приобретает заряд «-» и становится отрицательным ионом.

Атом, к которому присоединился один или несколько электронов, называется отрицательным ионом.

Нейтральный атом	Отрицательный ион	Положительный ион

Рис. (4). Число протонов и электронов одинаково	Рис. (5). Число электронов больше числа протонов	Рис. (6). Число электронов меньше числа протонов

Узнать, сколько тех или иных частиц содержит нейтральный атом, поможет периодическая система химических элементов (таблица Менделеева). Любой элемент в таблице имеет порядковый номер и относительную атомную массу.

Рис. (7). Обозначение элемента в периодической таблице

Обрати внимание!

Количество протонов, а также электронов в нейтральном атоме всегда совпадает с порядковым номером.
Количество нейтронов равно разности относительной атомной массы (выраженной целым числом) и порядкового номера.

Например:

Элемент	Порядковый номер	Относительная атомная масса	Число протонов	Число электронов	Число нейтронов
Медь	29	63,546	29	29	64 — 29=35

Зная строение атома, можно объяснить электризацию тел.

Обрати внимание!

При трении двух тел электроны переходят с одного тела (где силы притяжения к ядру меньше) на другое (в котором эти силы больше).

Зная строение атома, можно объяснить существование проводников и диэлектриков.

Проводник — это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов.

Так, в металлах это — электроны, в растворах солей, кислот, щелочей — положительные и отрицательные ионы. Например, когда прикасаются металлической проволокой к отрицательно заряженному электрометру, свободные электроны передвигаются по проволоке, а электрометр разряжается.

Изолятор (или диэлектрик) — тело, не содержащее внутри свободные электрические заряды.

Поэтому прикосновение деревянной линейки к заряженному электрометру не вызывает никаких изменений.
Зная строение атома, можно объяснить явление притяжения ненаэлектризованных тел к наэлектризованным.

п1.svg

Рис. (8). Воздействие положительно заряженной палочки на гильзу

В металлической гильзе есть свободные электроны. Под действием электрического поля палочки они приходят в движение, так как начинают притягиваться к ней. В результате происходит перераспределение заряда. Электроны скапливаются на стороне, которая ближе к палочке, и она заряжается отрицательно. На противоположной стороне недостаток электронов, поэтому она заряжается положительно. Но в целом заряд гильзы равен нулю (в соответствии с законом сохранения заряда).

п2.svg

Рис. (9). Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу положительно заряженной палочки

Если палочка будет заряжена отрицательно, то свободные электроны будут отталкиваться от неё и перемещаться в противоположную сторону.

п3.svg

Рис. (10). Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу отрицательно заряженной палочки

По такому же принципу происходит отклонение листочков незаряженного электроскопа при поднесении к нему (не касаясь) заряженной палочки.

Рис. (11). Распределение заряда на электроскопе

Электрическое поле палочки вызывает перераспределение зарядов в металлическом стержне электроскопа. В верхней части будет избыток электронов, а в нижней — недостаток. Поэтому оба листочка зарядятся положительно и оттолкнутся друг от друга.

Источники:

Рис. 1. Электрометры. © ЯКласс.
Рис. 2. Модель атома. © ЯКласс.
Рис. 3. Состав атома. © ЯКласс.
Рис. 4. Число протонов и электронов одинаково. © ЯКласс.
Рис. 5. Число электронов больше числа протонов. © ЯКласс.
Рис. 6. Число электронов меньше числа протонов. © ЯКласс.
Рис. 7. Обозначение элемента в периодической таблице. © ЯКласс.
Рис. 8. Воздействие положительно заряженной палочки на гильзу. © ЯКласс.
Рис. 9. Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу положительно заряженной палочки. © ЯКласс.
Рис. 10. Распределение заряда при воздействии на нейтральную гильзу отрицательно заряженной палочки. © ЯКласс.
Рис. 11. Распределение заряда на электроскопе. © ЯКласс.

Источник

Заряд электрона

Определение и общие сведения о заряде электрона

На основе установленных М. Фарадеем законов электролиза ирландский ученый Д. Стоней выдвинул гипотезу о том, что существует элементарный заряд внутри атома. И в 1891 г. этот заряд Стоней предложил назвать электроном. Величину заряда электрона часто обозначают e или .

Законы электролиза еще не являются доказательством существования электрона как элементарного электрического заряда. Так, существовало мнение, о том, что все одновалентные ионы могут иметь разные заряды, а их средняя величина равна заряду электрона. Для доказательства существования в природе элементарного заряда следовало провести измерение зарядов отдельных ионов, а не суммарное количество электричества. Кроме того, открытым оставался вопрос о том, что связан ли заряд с какой-либо частицей вещества. Существенный вклад в решении этих вопросов сделали Ж. Перрен и Дж. Томсон. Они исследовали законы движения частиц катодных лучей в электрическом и магнитном полях. Перрен показал, что катодные лучи являются потоком частиц, которые несут отрицательный заряд. Томсон установил, что все данные частицы имеют равные отношения заряда к массе:

$[frac{q}{m}=const qquad (1) ]$

Помимо этого Томсон показал, что для разных газов отношение $frac{q}{m}$ частиц катодных лучей одинаково, и не зависит от материала, из которого изготавливался катод. Отсюда можно было сделать вывод о том, что частицы, которые входят в состав атомов разных элементов, одинаковы. Сам Томсон сделал вывод о том, что атомы являются делимыми. Из атома любого вещества можно вырвать частицы, имеющие отрицательный заряд и очень малую массу. Все данные частицы обладают одинаковой массой и одинаковым зарядом. Такие частицы назвали электронами.

Опыты Милликена и Иоффе

Американский ученый Р. Милликен экспериментально доказал то, что элементарный заряд существует. В своих опытах он измерял скорость движения капель масла в однородном электрическом поле, которое создавалось между двумя электрическими пластинами. Капля заряжалась при столкновении с ионом. Сравнивались скорости движения капли не имеющей заряда и этой же капли после столкновения с ионом (приобретшей заряд). Зная напряженность поля между пластинами, вычислялся заряд капли.

Опыты Милликена повторил А.Ф. Иоффе. Он использовал металлические пылинки вместо капель масла. Изменяя напряженность поля между пластинками, Иоффе добивался равенства силы тяжести и силы Кулона, пылинка при этом оставалась неподвижной. Пылинку освещали ультрафиолетом. Заряд ее при этом изменялся, для уравновешивания силы тяжести приходилось изменять напряженность поля. По полученным величинам напряженности ученый судил об отношении электрических зарядов пылинки.

В опытах Милликена и Иоффе было показано, что заряды пылинок и капель всегда изменялись скачком. Минимальное изменение заряда было равно:

$[left|q_eright|=1,6cdot {10}^{-19}Kl]$

Электрический заряд всякого заряженного тела равен целому числу и кратен заряду электрона. Сейчас существует мнение, что имеются элементарные частицы – кварки, которые обладают дробным зарядом ( $frac{q_e}{3}; frac{2q_e}{3}$ ).

Таким, образом, заряд электрона считают равным:

$[q_e=-1,6cdot {10}^{-19}Kl]$

Примеры решения задач

Источник

Квантовые числа
Электрон ( ${displaystyle e,~e^{-}}$ )

Состав	фундаментальная частица^[1]
Семья	Фермион
Группа	Лептон
Участвует во взаимодействиях	гравитационное^[2], слабое и электромагнитное
Античастица	Позитрон
Масса	9,10938356(11)·10⁻³¹ кг^[3], 0,5109989461(31) МэВ^[3], 5,48579909070(16)·10^-4 а.е.м.^[3]
Время жизни	∞ (не менее 6,6·10²⁸ лет^[4]^[5])
Электрический заряд	−1,6021766208(98)·10⁻¹⁹ Кл^[3]
Барионное число	0
Лептонное число	+1
Спин	1/2 ħ
Магнитный момент	−9,274009994(57)·10⁻²⁴ Дж/Тл
Внутренняя чётность	1
Изотопический спин	0

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь^[6]) — стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной и является одной из основных структурных единиц вещества. Классифицируется как фермион (обладает спином, равным ½) и как лептон. Единственный (наравне со своей античастицей — позитроном) из известных заряженных лептонов, являющийся стабильным. Электроны образуют электронные оболочки атомов, строение которых определяет большинство оптических, электрических, магнитных, механических, химических свойств вещества^[7]. Движение электронов обусловливает протекание электрического тока во многих проводниках (в частности, в металлах). В рациональной системе единиц комптоновская длина волны электрона является единицей длины, а масса электрона — единицей массы.

Содержание

1 Свойства
2 Этимология и история открытия
3 Использование
4 Электрон как квазичастица
5 Электрон и Вселенная
6 Орбиталь
7 Электрон в произведениях искусства
8 См. также
9 Примечания
10 Литература

Свойства

Заряд электрона неделим и равен −1,6021766208(98)·10⁻¹⁹ Кл^[3] (или −4,80320427(13)·10⁻¹⁰ ед. заряда СГСЭ в системе СГСЭ или −1,6021766208(98)·10⁻²⁰ ед. СГСМ в системе СГСМ); он был впервые непосредственно измерен в экспериментах А. Ф. Иоффе (1911) и Р. Милликена (1912). Эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц (в отличие от заряда электрона, элементарный заряд обычно берётся с положительным знаком). Масса электрона равна 9,10938356(11)·10⁻³¹ кг.^[3]

${displaystyle {m_{e}}=9,10938356(11)~{cdot }~10^{-31}}$

кг^[3] — масса электрона.

${displaystyle {e_{0}}=-1,6021766208(98)~{cdot }~10^{-19}}$

Кл^[3] — заряд электрона.

${displaystyle {frac {e_{0}}{m_{e}}}=-1,758820024(11)~{cdot }~10^{11}}$

Кл/кг^[3] — удельный заряд электрона.

${displaystyle s={frac {1}{2}}}$

— спин электрона в единицах hbar.

В отличие от большинства других известных науке частиц, электрон стабилен (более точно, в пределах чувствительности эксперимента его время жизни не менее 6,6·10²⁸ лет с 90%-й доверительной вероятностью^[4]). Распаду свободного электрона на нейтрино и фотоны препятствует закон сохранения электрического заряда, а распаду на другие элементарные частицы препятствует закон сохранения энергии.

Современная наука рассматривает электрон как фундаментальную элементарную частицу, не обладающую структурой и размерами^[8]. Эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона (Нобелевская премия 1989 года) показывают, что размеры электрона не превышают 10⁻²⁰ см^[9]^[10]. Проведённые до этого эксперименты по столкновению электронов высоких энергий давали большее значение 10⁻¹⁷ см^[11].

Внутренняя чётность электрона равна 1.^[12] Электрон участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Примерами участия электрона в слабых взаимодействиях являются бета-распад и электронный захват. Он принадлежит к группе лептонов и является (вместе со своей античастицей, позитроном) легчайшим из заряженных лептонов и легчайшей элементарной частицей, имеющей электрический заряд. До открытия массы нейтрино электрон считался наиболее лёгкой из массивных частиц — его масса примерно в 1836 раз меньше массы протона. Спин электрона равен ¹⁄₂, и, таким образом, электрон относится к фермионам.

Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причем магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент. В 1989 г. Г. Демельту была присуждена Нобелевская премия по физике за измерение магнитного момента электрона с точностью до знаков после запятой^[9]^[10].

Иногда к электронам относят как собственно электроны, так и позитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле, решение уравнения Дирака), особенно в тех задачах, когда их общие свойства более существенны, чем различия. При таком выборе терминов отрицательно заряженный электрон называют^[13] негатроном^[14], положительно заряженный — позитроном.

Находясь в периодическом потенциале кристалла, электрон рассматривается как квазичастица, эффективная масса которой может значительно отличаться от массы электрона.

Свободный электрон не может поглотить фотон, хотя и может рассеять его (см. эффект Комптона).

Благодаря своей малой массе электроны вследствие туннельного эффекта с лёгкостью проникают через потенциальные барьеры высотой в несколько электрон-вольт и толщиной примерно до десятка атомных диаметров. Явлением туннельного эффекта для электронов объясняется то, что между двумя металлами, находящимися в контакте, проходит электрический ток, несмотря на то, что обычно поверхность металла покрыта слоями окисла или загрязнена и электрический ток между металлическими электродами и ионами раствора^[15].

Этимология и история открытия

Название «электрон» происходит от греческого слова ἤλεκτρον, означающего «янтарь»: ещё в древней Греции естествоиспытателями проводились эксперименты — куски янтаря тёрли шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы. Термин «электрон» как название фундаментальной неделимой единицы заряда в электрохимии был предложен^[16] Дж. Дж. Стоуни в 1894 (сама единица была введена им в 1874). Открытие электрона как частицы принадлежит Э. Вихерту^[17]^[18] и Дж. Дж. Томсону, который в 1897 установил, что отношение заряда к массе для катодных лучей не зависит от материала источника. (см. Открытие электрона)

Открытие волновых свойств^[19]. Согласно гипотезе де Бройля (1924), электрон (как и все другие материальные микрообъекты) обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами.

Де-бройлевская длина волны электрона равна $lambda ={frac {h}{p}}$ , где — постоянная Планка, — импульс электрона. В нерелятивистском случае v ll c она равна ${displaystyle lambda ={frac {h}{m_{e}v}}}$ , где — скорость движения электрона, ${displaystyle m_{e}}$ — масса электрона. В ультрарелятивистском случае ${displaystyle vrightarrow c,Egg m_{e}c^{2}}$ она равна ${displaystyle lambda ={frac {hc}{E}}}$ , где — скорость света, — энергия электрона.

В соответствии с этим электроны, подобно свету, могут испытывать интерференцию и дифракцию. Волновые свойства электронов были экспериментально обнаружены в 1927 году американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером (Опыт Дэвиссона — Джермера) и независимо английским физиком Дж. П. Томсоном^[20]^[21].

Использование

Эксперименты с трубкой Крукса впервые продемонстрировали природу электронов

В большинстве источников низкоэнергетичных электронов используются явления термоэлектронной эмиссии и фотоэлектронной эмиссии. Высокоэнергетичные, с энергией от нескольких кэВ до нескольких МэВ, электроны излучаются в процессах бета-распада и внутренней конверсии радиоактивных ядер. Электроны, излучаемые в бета-распаде, иногда называют бета-частицами или бета-лучами. Источниками электронов с более высокой энергией служат ускорители.

Движение электронов в металлах и полупроводниках позволяет легко переносить энергию и управлять ею. Это явление (электрический ток) является одной из основ современной цивилизации и используется практически повсеместно в промышленности, связи, информатике, электронике, в быту. Скорость дрейфа электронов в проводниках крайне мала (~0,1—1 мм/с), однако электрическое поле распространяется со скоростью света. В связи с этим ток во всей цепи устанавливается практически мгновенно.

Пучки электронов, ускоренные до больших энергий, например, в линейных ускорителях, являются одним из основных средств изучения строения атомных ядер и природы элементарных частиц. Более прозаическим применением электронных лучей являются телевизоры и мониторы с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ) — кинескопами. Электронный микроскоп также использует способность электронных пучков подчиняться законам электронной оптики. Ещё ускоренные электронные лучи применяются для создания рентгеновского излучения: при попадании электронного пучка в металлическую мишень происходит рассеяние электронов на электростатическом поле атомных ядер и электронов и генерация тормозного излучения. До изобретения транзисторов практически вся радиотехника и электроника были основаны на вакуумных электронных лампах, где применяется управление движением электронов в вакууме электрическими (иногда и магнитными) полями. Электровакуумные приборы (ЭВП) продолжают ограниченно использоваться и в наше время. Наиболее распространённые применения — магнетроны в генераторах микроволновых печей и вышеупомянутые электронно-лучевые трубки в телевизорах и мониторах.

Электронные пучки используются в устройствах для очистки дымовых газов^[22] и в буровых установках для бурения скальных пород^[23].

Электрон как квазичастица

Если электрон находится в периодическом потенциале, его движение рассматривается как движение квазичастицы^[24]. Его состояния описываются квазиволновым вектором. Основной динамической характеристикой в случае квадратичного закона дисперсии является эффективная масса, которая может значительно отличаться от массы свободного электрона и в общем случае является тензором^[25].

Электрон и Вселенная

Через сотую долю секунды после Большого взрыва Вселенная состояла из смеси электронов, позитронов, нейтрино, фотонов, протонов, нейтронов. На каждые протон и нейтрон приходилось примерно по миллиарду электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. Примерно через секунд после Большого взрыва, когда температура Вселенной снизилась до млрд. градусов, почти все электроны аннигилировали с позитронами^[26].

Известно^[27], что из каждых 100 нуклонов во Вселенной, 87 являются протонами и 13 — нейтронами (последние в основном входят в состав ядер гелия). Для обеспечения общей нейтральности вещества число протонов и электронов должно быть одинаково. Плотность барионной (наблюдаемой оптическими методами) массы, которая состоит в основном из нуклонов, достаточно хорошо известна (один нуклон на 0,4 кубического метра)^[28]. С учётом радиуса наблюдаемой Вселенной (13,7 млрд световых лет) можно подсчитать, что число электронов в этом объёме составляет ~10⁸⁰, что сопоставимо с большими числами Дирака.

Электрический заряд электрона, постоянная Планка и скорость света определяют постоянную тонкой структуры, определяющую интенсивность электромагнитных взаимодействий: $alpha ={frac {e^{2}}{hbar c}}approx {frac {1}{137}}$ .

Масса электрона, электрический заряд электрона и постоянная Планка определяют характерный размер атомов (Боровский радиус): ${displaystyle r={frac {hbar ^{2}}{me^{2}}}=0,5cdot 10^{-8}}$ см^[29].

Радиоизлучение радиогалактик и пульсаров объясняется синхротронным излучением электронов в магнитных полях около этих объектов. Доля электронов с энергией, превышающей Гэв, в первичных космических лучах составляет около от общего потока.^[30]

Давление вырожденного электронного газа играет важную роль на заключительном этапе эволюции звёзд. Звёзды с массой меньше чандрасекаровского предела после охлаждения стабилизируются давлением вырожденного электронного газа и превращаются в белые карлики. В звёздах с большей массой атомные ядра захватывают электроны и распадаются на нейтроны (нейтронная звезда)^[31]. Ядерные реакции с участием электронов и позитронов играют важную роль при взрывах сверхновых звёзд^[32].

С электроном связаны несколько физических величин, имеющих размерность длины^[33]:

Все электроны во Вселенной абсолютно одинаковы по своим свойствам. Если обозначить величину электрического заряда электрона как , то электрические заряды всех известных элементарных частиц, за исключением кварков, равны , а электрические заряды кварков равны ${displaystyle pm {frac {1}{3}}e,pm {frac {2}{3}}e}$ . Масса электрона резко выделяется в распределении известных элементарных частиц по массам^[34]. Классический радиус электрона почти равен радиусу действия ядерных сил^[35]^[36]^[37] Можно ли вывести величину электрического заряда электрона из других мировых констант (скорости света, постоянной Планка, гравитационной постоянной)?^[38] Имеет ли смысл вопрос о размере электрона? Зависит ли размер электрона от условий опытов?^[39] Объяснение этих фактов представляет собой нерешённую проблему современной физики.

Если бы масса электрона превышала разность масс нейтрона и протона, то химический состав Вселенной коренным бы образом изменился. В ней отсутствовал бы водород, а следовательно, звёзды в их обычном понимании, жизнь^[40].

Если бы электрон имел целый спин, то принцип Паули для него не выполнялся бы. Как следствие, во всех атомах отсутствовали бы электронные оболочки, все атомы были бы химически инертны. Во Вселенной отсутствовали бы молекулы, химические соединения и жизнь, подобная нашей.

Орбиталь

Орбиталь — в многоэлектронной системе — одноэлектронная волновая функция^[41].

Для описания атомных и молекулярных многоэлектронных систем вместо точного решения уравнения Шрёдингера приходится обращаться к тем или иным приближениям, одним из которых является одноэлектронное или (другое название) — орбитальное. В его основе лежит представление о существовании индивидуальных состояний каждого электрона, которые представляют собой стационарные состояния движения электрона в некотором эффективном поле, создаваемом ядром (или ядрами) и всеми остальными электронами. Эти стационарные состояния описываются соответствующими одноэлектронными функциями^[41].

Электрон в произведениях искусства

В. Брюсов посвятил электрону свое стихотворение «Мир электрона».

См. также

Классический радиус электрона
Открытие электрона
Электричество
Электрический ток
Электроника
Фотоэлектронный умножитель
Электронная лампа
Теория одноэлектронной Вселенной
Парадоксы электрона
Электронное облако

Примечания

↑ «Абсолютный минимум». Глава из книги Майкл Файер Глоссарий Электрон
↑ Удивительный мир внутри атомного ядра Вопросы после лекции
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants — Complete Listing
↑ ¹ ² Agostini M. et al. (Borexino Coll.) (2015). «Test of Electric Charge Conservation with Borexino». Physical Review Letters. 115 (23): 231802. arXiv:1509.01223. doi:10.1103/PhysRevLett.115.231802.
↑ H. O. Back et al. Search for electron decay mode e → γ + ν with prototype of Borexino detector // Phys. Lett. B. — 2002. — Т. 525. — С. 29—40. — DOI:10.1016/S0370-2693(01)01440-X.
↑ Также то же, что и электрум: «янтарного цвета сплав золота (80 %) с серебром (20 %)» (Черных П. Я. Историко-этимологический словарь).
↑ Атом // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — 707 с. — 100 000 экз.
↑ Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — М., Просвещение, 1984. — Тираж 30 000 экз. — С. 82
↑ ¹ ² Демельт Х.«Эксперименты с покоящейся изолированной субатомной частицей» // УФН, т. 160 (12), с. 129—139, 1990
↑ ¹ ² Nobel lecture, December, 8, 1989, Hans D. Dehmelt Experiments with an isolated subatomic particle at rest
↑ Смондырев М. А. Квантовая электродинамика на малых расстояниях // Природа. — 1980. — № 9. — С. 74—77.
↑ Широков, 1972, с. 67.
↑ По предложению Карла Андерсона, открывшего позитрон в 1932 году.
↑ K. P. Beuermann et al. Cosmic-Ray Negatron and Positron Spectra Between 12 and 220 MeV // Phys. Rev. Lett.. — 1969. — Vol. 22. — P. 412–415. — DOI:10.1103/PhysRevLett.22.412.
H. Ejiri. Difference between Log ft Values of Negatron Decays and Positron Decays from Odd-Odd Nuclei to Even-Even Nuclei // J. Phys. Soc. Jpn.. — 1967. — Vol. 22. — P. 360-367. — DOI:10.1143/JPSJ.22.360.
Из статьи J. G. Skibo, R. Ramaty. Primary and Secondary Cosmic Ray Positrons and Electrons // 23rd International Cosmic Ray Conference. — 1993. — Vol. 2. — P. 132—135. — Bibcode: 1993ICRC….2..132S.: «Hereafter, the term electron will refer to positrons and negatrons».
↑ Мотт Н., Снеддон И. Волновая механика и её применения. — М., Наука, 1966. — Тираж 9400 экз. — c. 30
↑ Stoney, G. Johnstone, «Of the ‘Electron,’ or Atom of Electricity». Philosophical Magazine. Series 5, Volume 38, p. 418—420 October 1894.
↑ Wiechert E. // Schriften d. phys.-ökon. Gesell. zu Königsberg in Pr. 1897. 38. Jg. № 1. Sitzungsber. S. 3-16.
↑ Быков Г. В. К истории открытия электрона // Вопросы истории естествознания и техники. 1963. Вып. 15. С. 25-29.
↑ БСЭ
↑ Томсон Г. П. Семидесятилетний электрон // УФН. — 1968. — № 2. — С. 361—370. — ISSN 1996-6652. — URL: http://ufn.ru/ru/articles/1968/2/f/
↑ Томсон Г. П. Ранний этап изучения дифракции электронов // УФН. — 1969. — № 11. — С. 455—468. — ISSN 1996-6652. — URL: http://ufn.ru/ru/articles/1969/11/d/
↑ Екатерина Зубкова. БИНТИ Ускорители для очистки дымовых газов электростанций // Наука и жизнь. — 2017. — № 10. — С. 40 — 41.
↑ Екатерина Зубкова. БИНТИ Пробурить скважину к глубинному теплу // Наука и жизнь. — 2017. — № 10. — С. 41.
↑ Киттель Ч. Квантовая теория твердых тел. — М.-Л.: Наука, 1967. — С. 103.
↑ Давыдов А. С. Теория твердого тела. — М.: Мир, 1979. — С. 122.
↑ Вайнберг С. Первые три минуты. — М.: Эксмо, 2011. — 208 с. — ISBN 978-5-699-46169-1.
↑ Richard N. Boyd. Big bang nucleosynthesis // Nuclear Physics A. — 2001. — Т. 693, № 1-2. — С. 249-257.
↑ ASTROPHYSICAL CONSTANTS AND PARAMETERS
↑ Смородинский Я. А. Законы и парадоксы элементарных частиц // Физика наших дней. Сборник — М.: Знание, 1972. — С. 90—91.
↑ Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. — М.: Наука, 1975. — 464 с.
↑ Широков, 1972, с. 552.
↑ Широков, 1972, с. 558.
↑ Щёлкин К.И. Физика микромира. — М.: Атомиздат, 1965. — 230 с.
↑ Розенталь И. Л., Архангельская И. В. Геометрия, динамика, Вселеннная. — М.: Едиториал УРСС, 2003. — С. 175. — ISBN 5-354-00413-6.
↑ Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. — М.: Атомиздат, 1977. — С. 103.
↑ Бор Н. Дискуссии с Эйнштейном о проблемах теории познания в атомной физике // Атомная физика и человеческое познание. — М.: ИЛ, 1961. — С. 92.
↑ Л. Розенфельд Квантовая электродинамика // Нильс Бор и развитие физики. — М., ИЛ, 1958. — c. 115
↑ Иваненко Д.Д. Элементарные частицы // Очерки развития основных физических идей. — М.: АН СССР, 1959. — Тираж 5000 экз. — С. 427.
↑ Пономарев Л. И. По ту сторону кванта. — М.: Молодая гвардия, 1971. — С. 43.
↑ Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. — М.: Наука, 1988. — 141 с. — ISBN 5-02-013881-9.
↑ ¹ ² Дмитриев, Электрон глазами химика, 1986, с. 65.

Литература

Все известные свойства электрона систематизированы в обзоре Particle Data Group [1] (англ.).
Бронштейн М. П. Атомы и электроны. — М.: Наука. — 1980. — 152 с., Библиотечка «Квант», вып. 1. тир. 150000 экз.
Дмитриев И.С. Электрон глазами химика / 2-е изд., испр.. — Л.: Химия, 1986. — 225 с.
Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
Буравихин В. А., Егоров В. А. Биография электрона. — М.: Знание, 1985. — 136 с.

Источник

Создание работы лабораторного практикума «Определение заряда электрона»

Авторы
Руководители
Файлы работы
Наградные документы

Кувайцев Д.А. 1

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 19 имени Героя Советского Союза Ивана Петровича Мытарева города Димитровграда Ульяновской области»

Хайруллова Е.В. 1

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Изучая физику, я столкнулся с такой постоянной величиной, как заряд электрона. Он равен: . Заряд электрона был определен в 1874 году. Я задумался, как такую маленькую величину смогли определить более чем сто лет назад? В то время не существовало компьютеров и мощных вычислительных машин. Значит и сегодня можно повторить эти рассуждения и эксперименты в школьном кабинете физики на уроках лабораторного практикума. И показать одноклассникам, что компьютер это не единственное средство в изучении нашего мира.

Цель моей работы: Создать для кабинета физики школы работу лабораторного практикума по теме: «Определение заряда электрона»

Задачи, которые стояли передо мной были следующие:

1) Изучить закон Фарадея.

2) Познакомиться с процессом электролиза.

3) Изучить метод определение заряда электрона через закон Фарадея и подобрать к нему оборудование.

4)Экспериментальным путем определить заряд электрона.

5)Разработать описание лабораторной работы по теме: «Определение заряда электрона».

Проблема, стоящая передо мной, заключалась в следующем: Выяснить, можно ли на экспериментальной установке из доступных приборов определить заряд электрона.

Объект изучения: Закон Фарадея и процесс электролиза. Предмет изучения: Заряд электрона. Продукт проекта: Лабораторная работа по теме: «Определение заряда электрона»

Явление электролиза было открыто в начале 19 века. Законы электролиза сформулированы Майклом Фарадеем в 1833 году. С тех пор были обнаружены с помощью электролиза такие элементы как галлий, фтор. Электролиз широко применяют в технике для различных целей. Электролитическим способом покрывают поверхность металла тонким слоем другого металла для защиты от коррозии. При помощи электролиза осуществляют очистку металла от примесей. С помощью электролиза получают электронные платы для различных электронных изделий. Я изучил явление электролиза и на его основе создал установку по определению заряда электрона для лабораторного практикума по физике в старших классах.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Электрический ток в жидкостях

Жидкости, как и твердые тела, могут быть проводниками электрического тока. В растворах и расплавах солей происходит распад молекул соли на ионы под действием молекул воды. Молекулу воды можно представить диполем. В той части молекулы, где находится атом кислорода, скапливается отрицательный заряд, так как атомы водорода отдают валентные электроны кислороду. А в той части молекулы воды, где находятся атомы водорода, скапливается положительный заряд. (Рис.1)

Рис.1.

Диполи воды своим положительным краем подходят к отрицательному иону кислотного остатка, а отрицательным краем к положительному иону металла соли. В результате теплового движения диполи воды растаскивают молекулы соли на катионы металла и анионы кислотного остатка. Таким образом, в растворе соли всегда имеются её положительные и отрицательные ионы. (Рис.2)

Рис. 2.

В моем случае происходит диссоциация молекулы сульфата меди на анионы сульфатного остатка SO₄ и катионы меди Cu.

Наряду с процессом диссоциации молекул в растворах электролитов происходит и обратный процесс, объединение разных ионов в одну молекулу при их сближении, который называется рекомбинацией. При создании в электролите внешнего электрического поля путем опускания в раствор медного купороса CuSO₄ разноименно заряженных электродов, возникает направленное движение ионов. Положительные ионы меди движутся к отрицательному электроду, а отрицательные ионы кислотного остатка к положительному электроду. (Рис.3)

Рис.3.

Д остигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами, находящимися на катоде. Образовавшиеся в результате реакции нейтральные атомы меди оседают на катоде.

Таким образом, прохождение тока через раствор соли сопровождается явлением электролиза, то есть выделением на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через его раствор электрического тока. Явление электролиза было открыто в 1800г. Английскими учеными: У. Никольсоном и А. Карлейлем.

Законы Фарадея

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор электролита.

Найдем массу вещества, выделяющегося на электроде за определенный промежуток времени t. Эта масса равна массе всех ионов, осевших на электроде за это время:

где m_i-масса одного иона.

Полный заряд Q всех ионов, прошедших через раствор на электрод, пропорционален заряду q_iкаждого иона:

Из этой формулы получаем

Тогда масса выделившегося на электроде вещества

Коэффициент пропорциональности , учитывая, что и , где n— валентность вещества. Из первого закона Фарадея получаем второй

Определение заряда электрона

Из второго закона Фарадея получаем формулу для расчета элементарного заряда:

Учитывая, что молярная масса меди 0,06355 кг/моль и валентность меди равна 2 необходимо в эксперименте измерить силу тока в цепи, время его протекания и массу выделившейся на электроде меди .

Электрическая цепь установки для определения заряда электрона должна содержать амперметр, для измерения силы тока, электроды, опущенные в раствор медного купороса, ключ и источник постоянного тока. Все элементы цепи должны быть соединены последовательно. Так же необходимы весы для измерения массы меди и часы для измерения времени протекания тока через раствор медного купороса. (Рис. 4)

(Рис. 4.)

Экспериментальная часть

В первой попытке создания установки источником тока служил гальванический элемент « Крона 9V», в качестве электродов были выбраны два гвоздя. (Приложение 1) После многочисленных попыток, я понял, что оба электрода темнеют, и на них не остается медь, следовательно, в качестве электродов нужно было использовать другой металл. (Приложение 2) Я решил изменить опыт. Заменил электроды медными пластинками, источник тока оставил «Крону 9V», убрал амперметр и добавил в цепь реостат и вольтметр для определения силы тока. (Приложение 3). В результате опыта я заметил, что один электрод стал оранжевым, что свидетельствовало о том, что на нем выделилась медь, а другой остался без изменений. (Приложение 4) Опыт получился, но т. к. я использовал весы с точностью 0.1г, то не смог обнаружить увеличение массы пластины из-за выделения на ней меди. Я несколько раз повторил опыт, но разницы в массах электрода так и не заметил. Перед постановкой следующего эксперимента сначала изучил он-лайн модель установки, представленной в интернете. (Определение заряда электрона и числа Фарадея.4.) (Приложение 5) Она состояла из того же оборудования, что и моя принципиальная схема, но в качестве источника питания использовался лабораторный выпрямитель, который давал силу тока в 2А. Поэтому следующий эксперимент был поставлен с лабораторным выпрямителем. При силе тока в 2А и времени протекания 600с изменение массы электрода составило 0,4 г (Приложение 6) . По второму закону Фарадея я рассчитал заряд электрона. (Приложение 7) Выполнив измерения и вычисления, получил данные, представленные в приложении 8. Я провел эксперимент три раза и по результатам трех опытов вычислил среднее значение заряда электрона. (Приложение . Оно совпало с табличным значением:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выводы

В ходе работы над проектом я работы я получил следующие результаты:

Познакомился с процессом электролиза и законом Фарадея;

Изучил метод определение заряда электрона через закон Фарадея и подобрал к нему оборудование;

Выяснил наилучшие условия постановки эксперимента;

Экспериментальным путем определил заряд электрона.

Разработал описание лабораторной работы по теме: «Определение заряда электрона».

Описание работы передано моему руководителю для проведения этой работы на уроках практикума. Хотя эксперимент лабораторной работы кажется простым с первого взгляда, но для получения результата необходимо знать наилучшие условия для его проведения. Я сделал множество попыток, имея в распоряжении справочные материалы, пока не добился результата. Поэтому вызывает особое уважение труд первооткрывателей научных знаний и их мастерство экспериментаторов. Проект будет интересен не только мне, но и ученикам нашей школы и ученикам других школ. Для реализации проекта нужны приборы, которые имеются в кабинете физики любой школы. Для реализации проекта участники должны иметь базовое знание физики и иметь навыки работы с электрическим оборудованием.

Результаты

Продуктом моего проекта является описание работы лабораторного практикума.

Работа лабораторного практикума по теме: «Определение заряда электрона»

Цель работы: Научиться определять заряд электрона экспериментальным путем.

Теоретическое обоснование: Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор электролита.

, где m_i-масса одного иона.

Полный заряд Q всех ионов, прошедших через раствор на электрод, пропорционален заряду q_iкаждого иона:

Тогда масса выделившегося на электроде вещества .

Из второго закона Фарадея получаем формулу для расчета элементарного заряда:

Учитывая, что молярная масс меди 0,06355 кг/моль и валентность меди равна 2, необходимо в эксперименте измерить силу тока в цепи, время его протекания и массу выделившейся на электроде меди.

Оборудование: источник тока, ключ, амперметр, раствор медного купороса, анод и катод (медные пластинки), соединительные провода, емкость, электронные весы, секундомер

Порядок выполнения работы:

Подготовьте таблицу для записи результатов измерений.

Время t, с	Сила тока I,А	m₀нач.,г	m₁конеч.,г	m=m₁-m₀, кг

Взвесьте на весах катод (m₀)

Соберите электрическую цепь.

Наполните сосуд насыщенным раствором медного купороса.

Замкните цепь. Наблюдайте на протяжении опыта в течении 10-15 минут за показаниями амперметра. Так как показания амперметра могут изменяться, то регулируйте значение тока ручкой выпрямителя.

Разомкните цепь, извлеките из сосуда с медным купоросом катод и взвесьте его на весах. (m₁) Полученный результат запишите в таблицу

Найдите разницу массы катода до начала опыта и после его окончания. (m) Полученный результат запишите в таблицу. Это значение показывает массу налипшей на катод меди.

Подставьте данные значения в формулугде M-молярная масса, I- -сила тока в электролите, N_А— постоянная Авогадро, m -изменение массы катода, t- время прохождения тока через электролит.

Рассчитайте значение заряда электрона. Сравните полученное значение заряда с табличным значением. Ваше показание и табличные данные расходятся? Если да, то запишите почему.

Запишите вывод.

ЛИТЕРАТУРА

Касьянов В.А. Физика 10 класс. Углубленный уровень, Москва, «Дрофа», 2018 год.

Библиотека по физике. http://physiclib.ru/books/item/f00/s00/z0000058/st033.shtml

Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Сотский Н.Н. Физика 10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений, Москва, «Просвещение», 2011 год.

Определение заряда электрона и числа Фарадея. Видеоуроки. https://www.youtube.com/watch?v=phzGQXi4Hys

Электролиз. Статья из Википедии. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%B7

Электролиз. Статья. http://electricity-automation.com/page/elektroliz-bazovoye-predstavleniye

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Электрическая схема опыта №1

Приложение 2

Результат опыта №1

Приложение 3

Электрическая схема опыта №2

Приложение 4

Результат опыта №2

Приложение 5

Вид установки эксперимента из интернета

Приложение 6

Фотография установки для определения заряда электрона

Приложение 7

Фотографии выполнения эксперимента по определению заряда электрона

Приложение 8

Таблица результатов экспериментов

№	I, A	t, c	m0, г	m1, г	m,кг	Q, 10^-19Кл	Q10^-19ср
1	2	600	11.3	11.7	0.0004	1.58
2	2	602	11.3	11.701	0.0004	1.58	1,583
3	2	615	11.3	11.73	0.00043	1.59

Просмотров работы: 2574

Источник

Загрузить PDF

Протоны, нейтроны и электроны – основные частицы, из которых состоит атом. Протоны заряжены положительно, электроны – отрицательно, а нейтроны и вовсе не имеют заряда.^[1] Масса электронов очень мала, а масса протонов и нейтронов практически одинакова.^[2] На самом деле, найти в атоме количество протонов, нейтронов и электронов довольно просто, нужно только научиться ориентироваться по периодической таблице химических элементов Д.И.Менделеева.

1
Возьмите периодическую таблицу элементов. Это система, в которой элементы организованы в зависимости от их атомной структуры. Цветное одно- или двухбуквенное сокращение – это название элемента в сокращенном виде. В таблице также представлена информация об атомном номере элемента и атомной массе.^[3]
- Таблицу Менделеева можно найти в учебнике по химии или в Интернете.
- Во время контрольных работ периодическую таблицу обычно предоставляют.
2
Найдите в таблице нужный вам элемент. Каждый элемент в таблице располагается под своим номером. Все элементы можно разделить на металлы, неметаллы и метоллоиды (полуметаллы). В этих группах элементы классифицируются еще на несколько групп: щелочные металлы, галогены, инертные газы.^[4]
- Группы (столбцы) и периоды (строки) нужны для систематизации, по ним легко найти нужный вам элемент.
- Если вы ничего не знаете о нужном вам элементе, просто найдите его в таблице.
3
Найдите атомный номер элемента. Атомный номер обозначает число протонов в ядре атома.^[5] Атомный номер располагается над символом элемента, обычно в левом верхнем углу клетки. Он покажет вам, сколько протонов содержится в одном атоме элемента.
- Например, Бор (В) обозначен в таблице под номером 5, поэтому у него 5 протонов.
4
Определите количество электронов. Протоны — это положительно заряженные частицы в ядре атома. Электроны представляют собой частицы, которые несут отрицательный заряд. Поэтому когда элемент находится в нейтральном состоянии, то есть его заряд будет равен нулю, число протонов и электронов будет равным.
- Например, Бор (В) обозначен в таблице под номером 5, поэтому можно смело утверждать, что у него 5 электронов и 5 протонов.
- Однако если элемент содержит отрицательный или положительный ион, то протоны и электроны не будут одинаковыми. Вам придется вычислить их. Число ионов выглядит как маленький, верхний индекс после элемента.
5
Найдите атомную массу элемента. Чтобы найти число нейтронов, вам сначала нужно вычислить атомную массу элемента. Атомная масса – это средняя масса атомов данного элемента, ее нужно рассчитывать. Имейте в виду, что у изотопов атомная масса отличается.^[6]. Атомная масса указана под символом элемента.
- Округляйте атомную массу до ближайшего целого числа. Например, атомная масса бора = 10,811, соответственно, ее можно округлить до 11.
6
Вычтите из атомной массы атомный номер. Чтобы определить количество нейтронов, нужно вычесть атомный номер из атомной массы. Помните, что атомный номер — это число протонов, которое вы уже определили.^[7]
- Возьмем наш пример с бором: 11 (атомная масса) – 5 (атомный номер) = 6 нейтронов.
Реклама

1
Определите число ионов. Ион — это атом, состоящий из положительно заряженного ядра, в котором находятся протоны и нейтроны, и отрицательно заряженных электронов. Атом несет нейтральный заряд, но заряд может быть положительным и отрицательным из-за электронов, которые атом может отдавать и принимать.^[8] Поэтому число протонов в атоме не меняется, а число электронов в ионе может меняться.
- Электрон несет отрицательный заряд, поэтому если атом отдает электроны, то сам становится заряженным положительно. Когда атом принимает электроны, он становится отрицательно заряженным ионом.
- Например, у N^3- заряд -3, а у Ca²⁺ заряд +2.
- Помните, если число ионов не указано в таблице, вам не нужно делать подобные вычисления.
2
Вычтите заряд из атомного номера. Если ион положительно заряжен, нужно вычесть из атомного номера заряд. Если у иона положительный заряд, значит, он отдал электроны. Чтобы подсчитать оставшееся число электронов, нужно вычесть заряд от атомного номера. Если ион заряжен положительно, значит, в нем больше протонов, чем электронов.
- Например, у Ca²⁺ заряд +2, поэтому можно сказать, что он отдал два электрона. Атомный номер кальция = 20, поэтому у его иона 18 электронов (20-2=18).
3
Если ион заряжен отрицательно, чтобы узнать число электронов, нужно добавить заряд к атомному номеру. Потому что ион стал отрицательным из-за того, что принял лишние электроны. Так что нужно просто прибавить заряд к атомному номеру, тогда вы получите число электронов. Разумеется, если ион заряжен отрицательно, то электронов в нем больше, чем протонов.
- Например, у N^3- заряд -3, значит, азот получил три дополнительных электрона. Атомный номер азота 7, поэтому число электронов у азота = 10. (то есть 7+3=10).
Реклама

Об этой статье

Эту страницу просматривали 953 719 раз.

Была ли эта статья полезной?

Источник