Электрон доклад по физике 8 класс

Обновлено: 06.07.2024

Электрон — это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица.

Электроны играют важную роль почти во всех физических эффектах. Поскольку электроны несут заряд, они также генерируют электрическое поле. Если привести электрон в движение, то возникнет магнитное поле. Если электрон проходит через другое внешнее электрическое поле, его путь изменяется под действием силы Лоренца.

Электрон принадлежит к лептонному семейству частиц. Существует несколько различных семейств частиц, перечисленных в стандартной модели физики частиц.

Спин электрона и магнитный момент электрона.

Согласно современному уровню знаний, лептоны являются элементарными частицами. По сравнению с другими лептонами, электрон имеет самую низкую массу среди лептонов, несущих заряд. Он принадлежит к первому поколению лептонов. Второе и третье поколения — мюон и тауон. Эти две частицы имеют одинаковые с электроном заряды и спин, но отличаются от него большей массой.

Лептоны отличаются от других фундаментальных частиц, таких как кварки, отсутствием сильного взаимодействия. Все лептоны принадлежат к семейству фермионов, поэтому электрон имеет собственный вращательный момент ( спин ) s = ½ в единицах ℏ, где ℏ — приведённая постоянная Планка).

Атомы и молекулы.

Волновая природа связанных электронов описывается атомными орбиталями. Каждая из этих орбиталей имеет ряд квантовых чисел, таких как энергия и момент. Кроме того, у атома может быть только дискретное число орбиталей. В силу принципа Паули на орбитали может находиться максимум два электрона, спин которых имеет разные знаки.

Электроны находятся в оболочке атома, протоны — в атомном ядре

Химическая связь между атомами возникает благодаря электромагнитным взаимодействиям, которые описываются с помощью квантовой физики. Самые прочные связи создаются путем обмена или передачи электронов. Это позволяет образовывать молекулы. В молекулах электроны движутся аналогично атомам и занимают молекулярные орбитали. Однако фундаментальным отличием является образование пар электронов с разными спинами. Это позволяет нескольким электронам занимать одну орбиталь без нарушения принципа Паули.

Делимость электрического заряда

Хорошо известно, что молекулы и атомы в их нормальном состоянии не имеют электрического заряда. Поэтому мы не можем объяснить электризацию их движением. Однако если мы предположим, что частицы с электрическим зарядом существуют в природе, то мы должны обнаружить, что существует предел деления электрического заряда.

Согласно различным экспериментам, проведенным советским ученым Абрамом Федоровичем Иоффе и американским ученым Робертом Милликеном, было обнаружено, что существует заряженная частица с минимальным зарядом, который невозможно разделить.

В своих экспериментах они электризовали маленькие частицы цинковой пыли. Заряд пылинок меняли и вычисляли. Это было проделано несколько раз. При этом заряд оказывался каждый раз другим. Однако все изменения были кратны целому числу, большему, чем некоторый минимальный заряд (т.е. 2, 3, 4 и т.д.). Этот результат можно интерпретировать только следующим образом. Только наименьший заряд (или целое число таких зарядов) присоединяется к пылинке цинка или отсоединяется от нее. Этот заряд дальше уже не делится. Частица с наименьшим зарядом называется электроном.

Также в ходе опытов было установлено, что любая частица вещества либо электрически нейтральна, либо имеет заряд, кратный по модулю заряду электрона.

Свойства электрона

Электрон характеризуется и другими важными свойствами, помимо спина и магнитного момента. Рассмотрим их.

Масса электрона

Электроны очень малы. Масса электрона составляет m_e = 9,109 • 10 -31 кг или 5, 489 • 10 -4 атомных единиц массы (а. е. м). Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, которая является самой маленькой из всех молекул. Из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт).

Заряд электрона

Электрический заряд — одно из основных свойств электрона. Невозможно представить, что с электронов можно снять заряд. Они неотделимы друг от друга.

Электрический заряд — это физическая величина. Она обозначается буквой q. Единицей электрического заряда является кулон (Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона. Электрон — это частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен e₀ = — 1,6 • 10 -19 Кл.

Модуль заряда электрона назвали элементарным электрическим зарядом. Его обозначают е. Измерения показали, что e = 1,6 • 10 19 Кл.

Обратите внимание, что любой, даже самый малый, заряд тела содержит целое число элементарных зарядов. Так как заряд тела обозначается буквой q, то получаем: q = eN, где N — целое число (N = 1, 2, 3, … ).

Элементарный заряд может показаться очень малым, однако вспомним: в любом теле, видимом невооружённым глазом, содержится невообразимо большое число заряженных частиц. Так, суммарный заряд электронов в одной столовой ложке воды равен по модулю примерно миллиону кулонов (а вы уже знаете, как велик заряд всего в 1 Кл).

Важно! Термин элементарный заряд был придуман, когда предположили, что этот заряд является наименьшим электрическим зарядом в природе. Сегодня мы знаем, что 1/3 элементарного заряда также приходится на кварки.

Энергия покоя электрона

В формуле это можно рассчитать следующим образом: E = m_ec 2 = 9,109 • 10 -31 • (3 • 10 8 ) 2 = 8,2 • 10 -14 Дж = 0,511 • 10 6 эВ ≈ 0,511 МэВ

Все вокруг нас на планете состоит из маленьких, неуловимых для зрения частиц. Электроны – это одни из них. Их открытие произошло относительно недавно. И оно открыло новые представления о структуре атома, механизмах передачи электричества и устройства мира в целом.

Как делили неделимое

В современном понимании электроны – это элементарные частицы. Они являются целостными и не раскалываются на более мелкие структуры. Но такое представление существовало не всегда. До 1897 года об электронах не имели никакого понятия.

Представление об атоме изменились только в конце XIX века. После исследований Дж. Томсона, Э. Резерфорда, Х. Лоренца, П. Зеемана, мельчайшими неделимыми частицами были признаны атомные ядра и электроны. Со временем были открыты протоны, нейтроны, а ещё позже - нейтрино, каоны, пи-мезоны и т. д.

Сейчас науке известно огромное количество элементарных частиц, свое место среди которых неизменно занимают и электроны.

Открытие новой частицы

К моменту, когда были открыты электроны в атоме, ученые давно знали о существовании электричества и магнетизма. Но истинная природа и полные свойства этих явлений до сих пор остаются загадкой, занимая умы многих физиков.

Уже в начале XIX века было известно, что распространение электромагнитного излучения происходит со скоростью света. Однако англичанин Джозеф Томсон, проводя опыты с катодными лучами, заключил, что они состоят из множества мелких крупиц, масса которых меньше атомной.

Это открытие подтолкнуло развитие не только физической, но и химической науки. Оно позволило значительно продвинуться в изучении электричества и магнетизма, свойств веществ, а также дало начало ядерной физике.

Что же такое электрон?

Электроны – это наиболее легкие частицы, обладающие электрическим зарядом. Наши знания о них до сих пор остаются во многом противоречивыми и неполными. Например, в современных представлениях они живут вечно, так как никогда не распадаются, в отличие от нейтронов и протонов (теоретический возраст распада последних превышает возраст Вселенной).

Электроны стабильны и обладают постоянным отрицательным зарядом е=1,6 х 10 -19 Кл. Их относят к семье фермионов и группе лептонов. Частицы участвуют в слабом электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Они находятся в составе атомов. Частицы, которые потеряли связь с атомами, – свободные электроны.

Масса электронов составляет 9,1 х 10 -31 кг и является в 1836 раз меньше массы протона. Они обладают полуцелым и спином, и магнитным моментом. Электрон обозначается буквой "е - ". Так же, но со знаком плюс, обозначается его антагонист – античастица позитрон.

Состояние электронов в атоме

Когда выяснилось, что атом состоит из более мелких структур, нужно было понять, как именно они располагаются в нем. Поэтому в конце XIX века появляются первые модели атома. Согласно Планетарным моделям, протоны (положительно заряженные) и нейтроны (нейтральные) составляли атомное ядро. А вокруг него по эллиптическим орбитам двигались электроны.

Эти представления меняются с появлением квантовой физики в начале XX века. Луи де Бройль выдвигает теорию о том, что электрон проявляет себя не только как частица, но и как волна. Эрвин Шредингер создает волновую модель атома, где электроны представляются в виде облака определенной плотности с зарядом.

Энергетические уровни

Электронов в облаке вокруг атома ровно столько, сколько и протонов в его ядре. Все они находятся на разном расстоянии. Ближе всего к ядру расположены электроны с наименьшим количеством энергии. Чем больше энергии находится в частицах, тем дальше они могут находиться.

Но располагаются они не хаотично, а занимают конкретные уровни, которые вмещают только определенное число частиц. Каждый уровень обладает своим количеством энергии и разделяется на подуровни, а те, в свою очередь, на орбитали.

Для описания характеристик и расположения электронов на энергетических уровнях используются четыре квантовых числа:

n – главное число, определяющее запас энергии электрона (соответствует номеру периода химического элемента);
l – орбитальное число, которое описывает форму электронного облака (s - сферическая, p – форма восьмерки, d – форма клевера или двойной восьмерки, f – сложная геометрическая форма);
m – магнитное число, определяющее ориентацию облака в магнитном поле;
ms – спиновое число, характеризующее обращение электронов вокруг своей оси.

Заключение

Итак, электроны – это стабильные отрицательно заряженные частицы. Они элементарные и не могут распадаться на другие элементы. Их относят к фундаментальным частицам, то есть таким, которые входят в структуру вещества.

Электроны движутся вокруг атомных ядер и составляют их электронную оболочку. Они влияют на химические, оптические, механические и магнитные свойства различных веществ. Эти частицы участвуют в электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Их направленное движение создает электрический ток и магнитное поле.

Ну, и стоит подметить, что не даром все же модель атома, которую мы видели на примере атома кислорода, в упрощенном варианте называется планетарной. Просто сравните, как визуально похоже атомное устройство материи с Солнечной системой. И что самое интересное, внутри каждого вещества есть атомы, неизменно состоящие из протонов, нейтронов и электронов.

Поэтому заряду было придумано удобное, во многом математическое определение:

Заряд частиц
Электрон	Протон	Нейтрон
Отрицательный	Положительный	Нейтральный

Раз нейтрон по сравнению с электроном или протоном, образно говоря, нейтральный, заряда будто бы нет, такой заряд можно принять за условный $0$. Заряд электрона удобно считать отрицательным, а протона — положительным.

Важно понимать!

Это лишь условность, с помощью которой удобно описывать поведение субатомных частиц при взаимодействии. С таким же успехом заряды можно было бы назвать именами известных людей или популярными кличками собак в Голландии.

Разобраться во всем поможет… история. И щепотка здравого смысла!

Большой взрыв

Безусловно, любого хоть раз волновал вопрос, почему материя выглядит так как выглядит и отчего обладает именно отдельно взятым набором характеристик. Ответ в то же время и невероятно сложен, и обывательски прост: таков исход огромного выброса энергии в результате Большого взрыва — пожалуй, важнейшего события в истории всего, что нас окружает.

Художественное представление того, как бы могли выглядеть первые секунды Большого взрыва. Источник: Science Photo Library.

С предыдущих уроков мы помним, что вещество и энергия — различные формы по сути одного и того же, поэтому естественно, что некоторая часть энергии взрыва проявила себя в виде вещественном, в нашем случае — в виде фотонов. Фотон — это частичка света, единица световой энергии. В течение первой миллисекунды взрыва температура вокруг достигала величины свыше десяти миллиардов градусов Цельсия; энергия же, переносимая фотонами, достигала миллиона электронвольт.

Просто вдумайтесь в эти цифры. Подобные условия и открыли уникальную природную возможность образования электронов, в результате реакции фотонов друг с другом. Параллельно с электронами также происходила формация позитронов — античастиц электронов. Как видите, с самого первого момента зарождения материи — и, впоследствии, жизни — мироздание стремилось к балансу.

Результатом же энергетического взаимодействия позитрона с электроном были кварки — элементарные частицы, являющиеся строительным материалом уже знакомых вам протонов и нейтронов.

😲 Есть что-то меньше протона или нейтрона.

Самые внимательные определенно должны были увидеть противоречие ранее изложенному материалу. Речь еще урок назад шла о том, что субатомные частицы — электрон, протон и нейтрон — являются наименьшими составными единицами материи. Что же, оказывается… нет. И протоны, и нейтроны в свою очередь состоят из кварков: протон — из двух верхних и одного нижнего кварка, нейтрон — из двух нижних и одного верхнего кварка. Да, кварки еще и в дополнение ко всему бывают разными. Доказано все это было исключительно экспериментально. Однако остается открытым вопрос: существуют ли частицы меньше кварков?

По сей день однозначного ответа на него пока не было дано. Никто тут случайно не хочет Нобелевскую премию за открытие составных элементов кварков?

Конечно, процесс формации атома шел в несколько этапов, на него ушло пару тысяч лет, однако очевидно, что свойства частиц таких, как электрон, обладать электрическим зарядом появилось одновременно с непосредственным появлением самих частиц.

Итак, Вселенная породила частицы, прошло десять миллиардов лет, образовалась Земля, вместе с ней практически сразу — микроорганизмы, которые за последующие четыре миллиарда лет эволюционировали в более сложные организмы, включая человека, и началась новейшая история. Человеку оставалось лишь разгадать замысел природы насчет атомов, но прежде — вообще понять, что материя вокруг, оказывается, имеет крайне удивительные свойства.

На заре электричества

Под удивительными свойствами, конечно же, понимается явление, когда взаимодействие предметов приводит к тому, что один из них словно начинает обладать свойством магнита — притягивать или отталкивать ряд прочих предметов вокруг. Все не раз видели искорки при, казалось, касании совершенно обыденного объекта, как, например, дверной ручки, или то, как праздничный шарик приклеивается к чьим-либо волосам.

О том, что материя обладает зарядом, люди и даже, вполне возможно, их далекие предки подозревают давно. Мы натыкались на кусочки железа, которые притягивались друг к другу, низменно показывая направление в сторону севера-юга. Каждый видел чудеса электростатического разряда в виде молнии на небе. Древние рыболовы знали, как выглядит рыба, которую не стоит трогать руками — коснись, и она бьется чем-то странным, что вызывает боль.

Электричество есть природа, но в течение десятков тысяч лет мы всего лишь играли роль пассивных наблюдателей, не имея ни малейшего понятия, откуда берутся все эти чудеса. Одно то, что в ряде мифологий присутствуют божества, повелевающие молнией (Тор — в скандинавской мифологии; Зевс — в древнегреческой; Юпитер — в древнеримской; Перун — в славянской; Укко — в карело-финской), говорит о том, что человек не мог объяснить наличие заряда в природе. Вместо, нам приходилось прибегать к антропоморфизму — переносить человеческий образ на явления вокруг и выдумывать богов. И уж тем более мы не могли предположить, что все феномены, от больно бьющейся рыбы до молнии, имеют общее происхождение.

Кстати. Египтяне и электро-рыбы!

Еще бы: такой сом способен вырабатывать напряжение до 450 В. Но прочих рыбок он все-таки не защищал, а ел, предварительно оглушая их мощным разрядом тока.

Первые основательные упоминания электростатических явлений зафиксированы лишь в 600 г. до нашей эры Фалесом, древнегреческим философом и математиком, также известным своей теоремой о пропорциональных отрезках. Ученый заметил, что янтарь, потертый о шерсть, может притягивать маленькие объекты наподобие пылинок. Правда Фалес на пару с Аристотелем полагали, что внутри янтарного камня просто сидит душа человека… а мех ее как бы пробуждает.

К сожалению, в течение более полутора тысяч лет подобными наблюдениями и ограничивались наши знания о заряде: мы находили его проявления нюансом забавным, судя по уровню научной письменности — не проводили особых экспериментальных исследований, а добрую часть электростатики приписывали сверхъестественному. Средневековых ученых и физиков времен Ренессанса больше интересовали свойства магнитов и компасов — различие между электрическими и магнетическими силами впервые было введено только в середине XVI века.

Свойства электрона

Но ученые неумолимы. Каждое новое столетие появлялись физики и естествоиспытатели, которые хотели дополнить и приумножить наше понимание процессов на уровне субатомных частиц. За последние 500 лет нам удалось-таки выяснить кое-что — не все, но многое. Давайте же ознакомимся с основными выводами и находками.

Маленький и мобильный электрон притягивается к ядру, но между самими электронами также действуют определенные силы. Это позволяет ему:

— находиться внутри границ атома;

— также находиться на некотором расстоянии от ядра атома.

Свободный электрон — электрон, не входящий в состав определенного атома.

Электронный дисбаланс

При появлении дисбаланса в количестве заряженных частиц, следовательно, актуально следующее:

Итоги

Ну что же, мы на еще один шаг приблизились к разгадке тайны электричества. Теперь мы знаем, хоть и примерно, помимо всего прочего, откуда взялся атом и в каком порядке он сформировался в отношении составляющих элементов. Также мы выяснили, что именно электрон играет капитальную роль в естественных электрических процессах, приводя своими перемещениями атомы в состояние дисбаланса.

Остается не так много: уточнить, за счет чего конкретно может возникнуть данный дисбаланс, более подробно описать ситуацию, при которой взаимодействие материи приводит к электронному дисбалансу и привязать данную информацию к явлению статического электричества.

Пока — предлагаем небольшой тест. Проверьте, насколько хорошо вы познали электроны.

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

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.

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

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

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

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 $8е - 3е = 5е$.

Электрический заряд — это физическая величина, характеризующая возможности тел быть источниками электромагнитного поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях (притяжениях и отталкиваниях). Закономерности взаимодействия атомов и молекул удалось понять и объяснить на основе представления о том, что в природе действительно существуют электрические заряды. Экспериментально было доказано, что минимальным отрицательным электрическим зарядом обладает электрон и заряд электрона не делится на меньшие части.

Как развивалось знание о существовании электрического заряда

К понятию электрического заряда исследователи пришли не сразу. Понадобилось несколько столетий, чтобы дать четкое определение этой краеугольной физической величины:

Слово электрон (от греческого слова “янтарь”) появилось еще в Древней Греции, когда была замечена таинственная способность янтаря притягивать легкие предметы после того, как натирали куском шерсти;
Англичанин Уильям Гилберт в конце XVI века назвал предметы, получившие способность притягивать небольшие предметы, наэлектризованными;
Французский физик Шарль Дюфе в 1729 г. открыл существование двух типов зарядов. Один образовывался от трения стекла о шелк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому он назвал их “смоляным” и “стеклянным”;
Американский ученый Бенджамин Франклин первым в 1747 г. ввел понятие об отрицательном “—” и положительном зарядах “+”;
Французский физик Шарль Кулон в 1785 г. открыл закон, согласно которому сила взаимодействия F двух точечных неподвижных заряженных тел прямо пропорциональна произведению абсолютных значений зарядов q₁ и q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между телами:

Понимание делимости электрического заряда пришло значительно позже.

Вместо коэффициента k в законе Кулона чаще используется так называемая электрическая постоянная ε₀ :

Минимальный заряд

Принципиальную возможность деления электрического заряда ученые поняли и даже научились это делать до некоторого предела. Эта задача была решена после изобретения электроскопа англичанином Уильямом Гилбертом в 1600 г. Заряд от стеклянного или смоляного предмета переносился на первый электроскоп. Затем брался второй, точно такой же электроскоп, и на него с помощью проводящего стержня переносилась половина изначального заряда. После этого один из электроскопов полностью разряжался, например, с помощью руки. Далее процедура с зарядкой от электроскопа с остатками заряда повторялась снова и снова.

Рис. 1. Эксперимент с двумя электроскопами по делению электрического заряда

После очередного деления точности электроскопа переставало хватать для ответа на вопрос: до какого значения дальше можно уменьшать заряд, какой заряд считать минимальным? Есть ли предел деления заряда? Появилось предположение, что если существуют частицы, имеющие электрический заряд, то должен быть и предел деления электрического заряда.

Оказалось, что действительно существует такой минимальный заряд, неподдающийся дальнейшему делению. Практически одновременно в 1910-1911 г.г. это экспериментально доказали американский ученый Роберт Милликен и российский физик Абрам Иоффе.

Опыт Милликена-Иоффе

Исследователи электризовали очень мелкие металлические крупинки цинка (Иоффе) или капельки масла (Милликикен). Эти мелкие частицы помещались в электрическое поле между двух заряженных пластин. Под действием силы тяжести частицы стремились упасть на нижнюю пластину. Но изменяя величину электрического поля, ученые могли регулировать скорость их падения или вообще удерживать в равновесии, компенсируя силу тяжести электрическим воздействием.

Заряд пылинок и капель варьировали (изменяли) с помощью подсветки ультрафиолетовым светом. Результаты наблюдений и измерений физических величин показали, что заряды капель и пылинок всегда изменялись скачкообразно, но всегда в целое число раз (в 2, 3, 4, 5 и т.д. раз) больше некоторого минимального заряда.

Результаты удалось объяснить только следующим образом: пылинке (капле) каждый раз сообщается или отбирается только наименьший заряд или целое число таких зарядов.

Этот заряд далее становится неделимым. Частица с наименьшим электрическим зарядом была названа электроном. Минимальный (элементарный) электрический заряд q_e равен:

Рис. 2. Схема опыта Милликена-Иоффе

Электрический заряд — это одно из краеугольных свойств электрона. Заряд неотделим от электрона.

В 1928 г. французский физик Поль Дирак теоретически предсказал возможность существования античастицы, которую он назвал позитроном. Эта частица должна обладать точно такими же параметрами, которые имеет электрон, кроме одного — у нее положительный электрический заряд. В 1932 г. эту частицу экспериментально обнаружил американский физик Андерсон при изучении космического излучения. В исследовательских целях позитроны получают, сталкивая высокоэнергетичные частицы в ускорителях (синхрофазотронах, коллайдерах).

Рис. 3. Ускоритель частиц, коллайдер

Что мы узнали?

Итак, из этой статьи мы узнали кратко о делимости электрического заряда. Минимальным пределом делимости заряда является заряд электрона. Все остальные заряды, существующие в природе, кратны заряду электрона.

Читайте также: