1. Теорії про електричний заряд
Дан-ний урок по-свя-щён де-ли-мо-сти елек-три чого ско-го за-ря-да. Нам пред-сто-ит від-ве-тить на по-прос, су-ще-ству-ет чи мі-ні-маль-ний елек-три-чо-ський заряд, а також по-зна-ко-міть- ся з будів-е-ні-му атома.
На попе-ду-щих уро-ках ми ви-яс-ні-ли су-ще-ство-ва-ня елек-три-чо-ських за-ря-дів, а також прин-ци-пи їх вза-і -МО-дей-наслідком.
І ось те-пер ми по-до-йшли до по-про-су, що ж таке елек-три-чо-ський заряд. Відповідь була най-ден вчених-ни-ми так-ле-ко не відразу. Су-ще-ство-ва-ло мно-же-ство тео-рій. І толь-ко в кінці XIX століття фі-зи-ки при-йшли до вікон-ча-тель-но-му від-ве-ту на цей важ-ней-ший з точки зо-ня науки по-прос.
До цього перед- по-ла-га-ли, що тіла за-ря-жа-ють-ся через дві-же-ня спе-ци-аль-ної за-ря-дружин-ної жид-ко-сти : нібито, коли вона по-ки-да-ет тіло, то воно за-ря-жа-ет-ся від-ри-ца-тель-но, а коли по-па-да-ет в нього, то на- о-бо-рот. За дру-гой тео-рії, внут-ри тіла на-хо-ді-лось все-гда відразу дві жид-ко-сти. Якщо одна з них ви-ті-но-ла, то дру-гаю ока-зи-ва-лась в через побут-ке, що і при-во-ді-ло до по-яв-ле-нию елек-три -Че-ско-го за-ря-да.
Щоб разо-брати-ся з елек-три-чо-ським за-ря-будинок, нам необ-хо-ді-мо дати відповідь на сле-ду-ю-щий по-прос: до якої сте-пе-ні можна де-лити елек-три-чо-ський заряд? Щоб по-нять суть цього по-про-са, рас-смот-рим сле-ду-ю-щий екс-пе-ри-мент.
2. Досвід для демонстрації розподілу електричного заряду
Візь-мём два неза-ря-дружин-них елек-тро-мет-ра.
Також візь-мём стек-лян-ву па-лоч-ку і по-трьом її про бу-ма-гу. Як ми вже знаємо з попе-ду-щих уро-ків, па-лоч-ка при-про-ре-тёт заряд.
З-про-щим ті-перь з по-мо-гою на-електро-три-зо-ван-ної па-лоч-ки заряд од-но-му з елек-тро-мет-рів.
Те-пер візь-мём ме-тал-ли-че-ський стер-жень (на з-ли-ро-ван-ної ручці) і со-оди-ним з по-мо-гою нього кулі обох елек-тро- мет-рів. Як ми вже знаємо, в ре-зуль-та-ті заряд раз-де-літ-ся між елек-тро-мет-ра-ми.
Сни-мем заряд зі вто-ро-го елек-тро-мет-ра (знову ж таки, ми вже знаємо, як це де-ла-ет-ся: до-ста-точ-но про-сто при-кіс-нуть -ся до кулі елек-тро-мет-ра паль-цем).
Як і вто-рим екс-пе-ри-мент. Сі-ту-а-ція по-дру-рит-ся з тією лише раз-ні-цей, що заряд на пер-вом елек-тро-мет-ре умень-шив-ся при-бли зи тель-но в 2 рази (він пе-ре-йшов на вто-рій елек-тро-метр, від-ку-да ми його «за-бра-ли»).
І знову сни-мем заряд зі вто-ро-го елек-тро-мет-ра. І знову заряд на пер-вом елек-тро-мет-ре умень-шив-ся прак-ти-че-скі в 2 рази.
Віз-ні-ка-ет по-прос, до яких пір ми можемо по-дру-рять вка-зан-ні дей-наслідком? Елек-тро-мет-ри НЕ поз-по-ля-ють нам від-ве-тить на цей по-прос, так як яв-ля-ють-ся до-ста-точ-но неточності-ни-ми при- бо-ра-ми з біль-шою по-Греш-но-стю в через ме-ре-ні-ях.
Як же по-сту-пі-ли фі-зи-ки в цій си-ту-а-ції?
Відповідь на по-ставши льон ний по-прос прак-ти-че-скі од-но-ча-мен-но і неза-ві-сі-мо один від одного дали два учё-них - аме-ри-кан -ський фізик Р. Е. Міл-ли-кен (Рис. 1) і рус-ський фізик А. Ф. Іоффе (Рис. 2), по-це-му їх досліди так і на-зи-ва-ют- ся: досліди ІТФ-фе-Міл-ли-ке-на.
Мал. 1. Р. Е. Міл-ли-кен
Мал. 2. А. Ф. Іоффе
3. Маса і заряд електрона
Іоффе і Міл-ли-кен неза-ві-сі-мо один від одного з по-мо-гою визна-де-льон-них при-бо-рів су-ме-ли визна-де-лити заряд елек-тро- на - мілину-чай-шей ча-сти-ці, до ко-то-рій можна де-лити елек-три-чо-ський заряд.
Міл-ли-ке-ну, в част-но-сті, уда-лось визна-де-лити і масу цієї еле-мен-тар-ної ча-сти-ці.
В кінці XIX століття бла-го-да-ря ис-сле-до-ва-нию ядер-них пре-вра-ще-ний уда-лось від-крити ча-сти-цу - електрон-трон. Таке на-зва-ня вона по-лу-чи-ла слідом-ствие того, що про-ла-да-ет мі-ні-маль-ним еле-три-чо-ським за-ря-будинок.
У ре-зуль-та-ті опи-тов ІТФ-фе-Міл-ли-ке-на стало з-вест-но, що маса електро-тро-на дорівнює, а його заряд (ко-то-рий усло-ві -лісь вва-тать від-ри-ца-тель-ним) дорівнює
. Про-зна-ча ет ся це так:
;
.
Це ха-рак-те-ри-сти-ки найбільш ма-лень-кою ча-сти-ці, про-ла-да-ю-щей елек-три-чо-ським за-ря-будинок. До більш крейда-ких зна-че-ний елек-три-чо-ський заряд раз-де-лити не уда-лось. Як і це-му заряд елек-тро-на - мі-ні-маль-ний елек-три-чо-ський заряд. Все осталь-ні за-ря-ди крат-ни за-ря-ду еле-тро-ну (тобто де-лять-ся на нього без остат-ка). Це озна-ча-ет, що, до при-ме-ру, заряд не може дорівнювати.
4. Кулон, закон Кулона
У ка-че-стве обо-зна-че-ня оди-ні-ці за-ря-да ми вка-за-ли «Кл» - Кулон. На-зва-на ця оди-ні-ца через ме-ре-ня в честь фран-цуз-ско-го учё-но-го Шарля Ку-ло-на (Рис. 3), ко-то-рий вивів закон про вза-і-мо-дей-наслідком елек-три-чо-ських за-ря-дів. Кулон по-ка-зал, що чим біль-ше рас-сто-я-ня між за-ря-да-ми, тим мен-ше сила їх вза-і-мо-дей-наслідком, а ніж біль-ше за мо-ду-лю ве-ли-чи-ни за-ря-дів, тим ця сила біль-ше.
Мал. 3. Шарль Кулон
От-ме-тім нема-ло-важ-ний факт: і заряд, і маса електро-тро-на вкрай малі ве-ли-чи-ни (срав-ні-тель-но, ко-неп-но ж).
Важливо також пом-нитка, що електрон-три-чо-ський заряд не су-ще-ству-ет від-дель-но від ве-ще-ства. Якщо немає ча-сти-ці - ні і за-ря-да. Об-рат-ва си-ту-а-ція мож-ли-на: ча-сти-ца може бути неза-ря-дружин-ної, тобто су-ще-ство-вать без за-ря-да, а ось заряд без ча-сти-ці - ні-ко-ли.
Сле-ду-ю-щий крок в изу-че-ванні елек-три-чо-ських за-ря-дів з-сто-ял в тому, щоб по-нять, як рас-по-ло-же-ни еле -три-че-ські за-ря-ди внут-ри ве-ще-ства. Ми знаємо, що всі тіла со-сто-ят з ато-мов і мо-ле-кул. З цього можна зро-лать висновок, що електрон-трон ка-ким-то об-ра-зом свя-зан з ато-мом.
Су-ще-ство-ва-ло багато тео-рій про те, що ж таке атом. Одні учё-ні вва-та-лі, що він на-по-ми-на-ет булку з Ізю-мом () Рис. 4.
Мал. 4. Мо-дель атома Том-со-на
Тобто, по-ло-жи-тель-ний заряд - це сама булка, а родзинки - це електро-тро-ни. Як і це-му атом за-ря-да не має (як і долж-но бути, адже якщо ве-ще-ство нема на-електро-три-зо-ва-но, то воно за-ря-да не має ).
Дру-Гії учё-ні вва-та-лі, що атом на-по-ми-на-ет горіх: є скор-лу-па, внут-ри ко-то-рій на-хо-дять-ся по-ло -жі-тель-ні та від-ри-ца-тель-ні за-ря-дружин-ні ча-сти-ці (Рис. 5).
Мал. 5. Іл-лю-стра-ція до мо-де-ли атома у вигляді горіха
5. Різні теорії будови атома; планетарна модель будови атома Резерфорда
По-про-ще, су-ще-ство-ва-ло мно-же-ство тео-рій, каж-дая з ко-то-яких об'єк-яс-ня-ла ті чи інші з-вест-ні на той мо-мент свій-ства атома.
На-ко-нец, ан-глій-ський учё-ний Ер-нест Ре-зер-форд (Рис. 6) про-вів досвід, ко-то-рий поз-по-лив уста-но-вить, як же все-та-ки прист-ен атом.
Мал. 6. Е. Ре-зер-форд
З по-мо-гою вже від-кри-тих тоді властивостей ра-діо-ак-тив-но-сті йому уда-лось визна-де-лити, що атом - якесь по-до-біє пла-ні-тар- си-сте-ми. Як ми знаємо, в цен-тре Сол-неп-си-сте-ми на-хо-дить-ся Солн-це, по-коло ко-то-ро-го по ор-бі-там вра-ща-ють -ся пла-ні-ти. Таку ж мо-дель Ре-зер-форд пред-ло-жив для атома (Рис. 7).
У цен-тре атома рас-по-ло-же-но мас-сів-ве, по-ло-жи-тель-но за-ря-дружин-ве ядро, а по-коло ядра за своїми ор-бі-там дві-жут-ся елек-тро-ни. При цьому ско-кість дві-же-ня елек-тро-нів дуже біль-Шая.
В цілому, з опи-тов сле-до-ва-ло, що атом електрон-тро-ней-тра-льон, а все через ме-ні-ня за-ря-да тіла забезпе-пе-чи-ва ет-ся дві-же-ні-му елек-тро-нів. Тобто якщо в наших опи-тах тіла при-про-ре-та-лі заряд, то це свя-за-але не з по-ло-жи-тель-но за-ря-дружин-ним ядром, а з дви -же-ні-ем від-ри-ца-тель-но за-ря-дружин-них елек-тро-нів. Якщо електрон-тро-ни від тіла «вухо-дят», то тіло за-ря-жа-ет-ся по-ло-жи-тель-но (так як «пішли» від-ри-ца-тель-но) , а якщо, на-о-бо-рот, електро-тро-ни до тіла «при-хо-дять», то тіло за-ря-жа-ет-ся від-ри-ца-тель-но.
Мал. 7. Мо-дель атома Ре-зер-фор-да
6. Будова атома гелію і водню
Рас-смот-рим схему будів-е-ня атома, до то рую пред-ло-жив Ре-зер-форд, більш по-дроб-но на при-ме-ре ато-мов гелію і по-до- ро-да.
Атом гелію з-сто-ит з ядра, в ко-то-ром на-хо-дять-ся 2 по-ло-жи-тель-но за-ря-дружин-ні ча-сти-ці (про-то- ни) і 2 ній-траль-но за-ря-дружин-ні ча-сти-ці (ней-тро-ни). заряд ній-тро-нів дорівнює 0 (Рис. 8). По-коло атома дві-жут-ся за своїми ор-бі-там 2 елек-тро-на.
В цілому заряд атома дорівнює 0.
Мал. 8. Атом гелію
По-до-рід - самий про-стій по сво-е-му будів-е-нію еле-мент. Ядро з-сто-ит всього з од-но-го про щось-на, а по-коло ядра вра-ща-ет-ся один електрон-трон. Атом по-до-ро-да також в цілому електро-тро-ней-тра-льон (Рис. 9).
Мал. 9. Атом по-до-ро-да
Го-во-ря, що тіло (ве-ще-ство) не має за-ря-да, ми не маємо на увазі, що внут-ри тіла (ве-ще-ства) немає елек-тро-нів. Вони є, але їх заряд кому-пен-сі-ру-ет-ся по-ло-жи-тель-но за-ря-дружин-ни-ми ча-сти-ца-ми. Якщо тіло при-про-ре-та-ет заряд, то це озна-ча-ет, що до тіла «при-йшли» або «пішли» елек-тро-ни.
Про опи-тах Ре-зер-фор-да ми будемо більш по-дроб-но го-во-рить в стар-ший школі. Сам Ре-зер-форд вва-тал, що екс-пе-ри-мен-ти долж-ни бути про-сти-ми, чет-ки-ми і по-нят-ни-ми каж-до-му.
Од-на-ко об'єк-яс-нить будів-е-ня атома до-ста-точ-но складність але. У част-но-сті, нам пред-сто-ит від-ве-тить на непро-стій під-прос: по-че-му від-ри-ца-тель-но за-ря-дружин-ні електрон-тро ни ні до-тя-ги-ва-ють-ся до по-ло-жи-тель-но за-ря-дружин-ним про щось-нам ядра і не па-да-ють на ядро.
На сле-ду-ю-щем уроці ми по-зна-ко-мім-ся з об'єк-яс-ні-ні-му неко-то-яких електрон-три-чо-ських яв-ле-ний.
В ядрі атома на-трия 11 про щось-нів. Скільки-ко елек-тро-нів про ра ща-ет-ся по-коло ядра? У що пре-вра-тит-ся атом на-трия, якщо він по-ті-ря-ет один електрон-трон?
Що має біль-шую масу: атом літію або по-ло-жи-тель-ний іон літію? Атом хлору або від-ри-ца-тель-ний іонхлору?
У що пре-вра-тит-ся атом на-трия, якщо «прибрати» з його ядра один про-тон, не через ме-ня ко-ли-че-ства елек-тро-нів?