Чем обусловлено взаимодействие заряженных частиц кратко

Обновлено: 07.07.2024

К заряженным частицам относятся электроны (включая отрицательные и положительные b-частицы), положительные и отрицательные мезоны и гипероны, протоны, дейтроны, a-частицы и ядра (ионы) более тяжелых элементов. Процессы, происходящие при взаимодействии заряженной частицы с веществом, происходят, главным образом, под действием электромагнитных и ядерных сил. Взаимодействия могут быть упругими (при которых сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц до взаимодействия и после сохраняется неизменной) и неупругими (при которых часть кинетической энергии передается образовавшимся свободным частицам или g-квантам, а другая часть − атому или ядру на их возбуждение). Процессом упругого взаимодействия является процесс упругого рассеяния. К неупругим взаимодействиям относят неупругое рассеяние, ионизацию и возбуждение атомов, испускание тормозного излучения, расщепление и возбуждение ядер.

Характер взаимодействия заряженной частицы с веществом, а также преобладание того или иного процесса взаимодействия зависят от типа заряженной частицы (масса, заряд), от ее энергии, а также от свойств среды, в которой происходит движение частицы. Хотя основным механизмом, определяющим взаимодействие заряженных частиц с веществом, является кулоновское взаимодействие зарядов, и процесс этот одинаков для тяжелых и легких заряженных частиц, из-за большой разницы масс (например, масса a-частицы больше массы электрона примерно в 7300 раз) скорость потери энергии и траектория движения в веществе у электронов и тяжелых частиц существенно различны.

Прямая ионизация атомов и молекул заряженными частицами – основной процесс передачи энергии излучения веществу, точнее, электронной структуре атома. Ионизация возникает только тогда, когда передается достаточное количество энергии для удаления электрона из оболочки, поэтому эта энергия должна быть больше энергии связи отдельных орбитальных электронов.

Энергия, необходимая для производства одной ионной пары в веществе, находится в диапазоне от 5 до 40 эВ (для жидкой воды – около 19 эВ, для воздуха – около 34 эВ) и не зависит от типа заряженной частицы. Следовательно, когда любая заряженная частица передает 100 кэВ своей энергии воде, это приводит к производству около 5000 ионных пар.

Интенсивность ионизации или удельная ионизация определяется как число ионных пар, созданных на сантиметре пути в данном веществе, и пропорциональна массе частицы и квадрату ее заряда. Например, альфа-частица может произвести намного больше ионизаций на единице длины пути, нежели бета-частица с той же энергией. Это явление возникает потому, что чем больше масса альфа-частицы, тем медленнее она движется при данной энергии и, следовательно, взаимодействует с электронами из оболочки атома более длительное время, достаточное для выбивания большего числа электронов из атомной оболочки.

Поле одного заряженного тела действует с некоторой силой на второе тело. А поле второго тела действует с некоторой силой на первое тело.

Именно этим можно объяснить взаимодействие двух заряженных тел — либо притяжение, либо отталкивание (рис. 1 ).

Электростатическое поле — поле, передающее воздействие одного неподвижного электрического заряда на другой электрический заряд.

Сила, с которой электрическое поле одного заряда действует на внесённый в него другой электрический заряд, называется электрической силой .

На рисунке изображены положения одного и того же шарика в точках \(1\), \(2\), \(3\) в разное время. Чем дальше расположен маленький положительно заряженный шарик, тем меньше воздействие на него большого положительного заряженного шара и меньше угол отклонения подвеса шарика (рис. 2 ).

Так как электрическое поле большого шара перемещает маленькие шары (отклоняет их на некоторый угол), можно утверждать, что оно совершает работу, а следовательно, обладает энергией.

Для наблюдения электростатического поля в безвоздушной среде электроскоп помещают под колокол воздушного насоса (рис. 3 ). Откачивая воздух, получают технический вакуум. Угол отклонения положительно заряженных листочков электроскопа не изменился.

Электрическое поле можно изобразить графически с помощью силовых линий электрического поля (рис. 4 ), которые имеют направление (выходят из положительного заряда; входят в отрицательный заряд).

Взаимодействие двух заряженных тел можно наблюдать при помощи электрических султанов, подключённых к электрофорной машине (рис. 5 ).

Электрический заряд — физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Носителями отрицательных зарядов в атоме являются электроны, носителями положительных зарядов — протоны.

Все тела в обычном состоянии не заряжены. Чтобы тело получило заряд, его нужно наэлектризовать: отделить отрицательный заряд от связанного с ним положительного. Простейший способ электризации – трение.

При электризации тел трением происходит перераспределение имеющихся электронов между нейтральными, в первый момент телами, т.е в теле возникает избыток или недостаток электронов. При этом новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда. Он справедлив для изолированной системы. В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц сохраняется:

В природе существует только два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые – притягиваются:

Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным.

Неподвижные точечные электрические заряды q₁ и q₂ взаимодействуют в вакууме согласно закону Кулона с силой _{где коэффициент} _{, q —} _{заряд выражается в кулонах (Кл), r — расстояние между заряженными телами (м).}

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Это основной закон электростатики Шарлем Кулоном был экспериментально установлен в 1785 г. и носит его имя.

Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы:

Взаимодействие зарядов осуществляется посредством электрического поля. Электрическим полем называют вид материи, посредством которой происходит взаимодействие электрических зарядов. Поле неподвижных зарядов называется электростатическим.

Свойства электрического поля:

порождается электрическим зарядом;
обнаруживается по действию на ток;
действует на заряды с некоторой силой.

Напряженность поля определяет силу, действующую на заряд:

Напряженность — силовая характеристика электрического поля. .

Раздел физики, который называется электростатикой, изучает свойства и законы взаимодействия неподвижных заряженных частиц и тел. В каких случаях заряженные тела притягиваются, а в каких случаях отталкиваются? Почему наэлектризованные тела “чувствуют” друг друга на расстоянии? Чему равны силы притяжения и отталкивания зарядов? Попробуем ответить на эти вопросы.

Электрические заряды

Самое простое явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении. Еще древнегреческий философ Фалес Милетский (VII век до н.э.) обратил внимание на то, что кусок янтаря, будучи натертый кусочком шерстяной ткани, начинает притягивать небольшие предметы.

Название элементарной, отрицательно заряженной частицы — электрон — на греческом языке означает янтарь.

Рис. 1. Наэлектризованные трением предметы притягиваются и отталкиваются.

В качестве предметов, которые с помощью трения легко электризуются, можно использовать, например, стекло, эбонит, пластмассу. При этом оказывается, что кусочки бумаги, наэлектризованные от этих разных предметов, могут как притягиваться, так и отталкиваться. Из этих наблюдений были сделаны следующие выводы:

Взаимодействие заряженных тел, обнаруженное в подобных экспериментах, называется электрическим взаимодействием;
Физическая величина, отвечающая за электрическое взаимодействие, называется электрическим зарядом. Электрический заряд обозначается буквой q;
Электрический заряд всегда можно передать от одного тела к другому;
Способность электрических зарядов к взаимному притяжению или отталкиванию можно объяснить, предположив, что существуют два вида зарядов. Один вид заряда называется положительным, а другой — отрицательным;
Одноименные заряды отталкиваются;
Разноименные заряды притягиваются.

Американский ученый Бенджамин Франклин в 1747 г. первым ввел названия для положительных и отрицательных зарядов, а также обозначения “−” и “+”.

Для обнаружения, изучения и измерения величины электрического заряда английский исследователь Уильям Гилберт (1600 г.) придумал специальный прибор — электроскоп.

Рис. 2. Электроскоп.

Закон Кулона

В 1785 г. французский исследователь Шарль Кулон после многочисленных экспериментов с заряженными телами открыл основной закон электростатики. Он измерял силу взаимодействия заряженных шариков. Наблюдения показали, что сила F_э взаимодействия (притяжения или отталкивания) двух неподвижных заряженных тел, размеры (диаметры) которых на много меньше расстояния между ними, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

F_э — сила взаимодействия;

r — расстояние между зарядами;

k — постоянный коэффициент (константа).

В формуле закона Кулона о взаимодействии заряженных тел фигурируют модули зарядов, так как заряды могут быть разных знаков. Значит и для величины F_э формула дает абсолютное значение. Если заряды имеют одинаковые знаки , то F_э является силой отталкивания, а если знаки разные — силой притяжения. Сила направлена вдоль прямой, соединяющей центры зарядов.

Рис. 3. Закон Кулона. Два заряда притягиваются или отталкиваются.

Единицы измерения

Единица измерения заряда была названа в честь Кулона. 1 кулон — это заряд, проходящий при силе тока 1 ампер за 1 секунду через поперечное сечение проводника.

В международной системе единиц СИ:

Константа k законе Кулона в единицах системы СИ будет равна:

Приведенная здесь формула закона Кулона справедлива для зарядов, находящихся в вакууме. Для зарядов, которые взаимодействуют в какой-либо среде, формула будет иметь такой же вид, но величина постоянной k будет другой. Значения k для разных веществ измерены экспериментально и приведены в справочных таблицах.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что физическая величина, отвечающая за электрическое взаимодействие, называется электрическим зарядом. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Сила взаимодействия зарядов рассчитывается с помощью формулы закона Кулона.

Читайте также: