§ 3. Будова атома. Склад атомних ядер. Протонне число. Нуклонне число
Демокрит (жив близько 400 років до н. е.) вважав, що всі речовини складаються з маленьких часточок, як із цеглинок. Він запропонував називати таку часточку атом — «неподільний». Чи відповідає ця назва дійсності?
ТРОХИ ІСТОРІЇ
Першими наявність атомів як елементарних складових речовини припустили ще давньогрецькі філософи. Протягом тисячоліть поняття «атом» значно змінювалося. У XIX столітті вчені виявили, що атом не є неподільним і складається з менших частинок. Зазначимо тільки одну модель атома, запропоновану Ернестом Резерфордом 1911 року. Він виділив у атомі ядро, яке займає досить незначну частину, й електрони, що, як він уважав, обертаються навколо ядра. Таку модель називають ядерною моделлю будови атома.
Е. Резерфорд порівняв атом із Сонячною системою, де роль Сонця відігравало ядро атома, а електрони — планети. Тому його модель називають іще планетарною.
Потім датський учений Нільс Бор у своїх дослідженнях показав, що для опису атома закони класичної механіки не підходять. Він істотно доповнив теорію будови атома Е. Резерфорда й запропонував сучасну квантово-механічну модель будови атома.
ІЗ ЧОГО СКЛАДАЄТЬСЯ АТОМ?
• Атом — електронейтральна частинка, яка складається з позитивно зарядженого ядра й негативно заряджених електронів, розташованих навколо ядра.
Атом — дуже маленька частинка речовини. Розміри атома — близько 10 -10 м.
В атомі виділяють ядро й електрони, які розташовані навколо ядра. Електрони позначають e – . Ядро складається з протонів — їх позначають літерою р і нейтронів — n.
Частинки, з яких складається атом, мають певні характеристики. Вони зазначені в таблиці 2.
Характеристика частинок, які входять до складу атома
Частинка
Заряд (умовний)
§ 59. Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду
Ізотопи. Природна і штучна радіоактивність. Одним з найбільш переконливих доказів складної будови атомів стало відкрите в 1896 р. французьким фізиком Антуаном Беккерелем явище природної радіоактивності. Унаслідок спостереження за великою кількістю радіоактивних перетворень поступово з’ясувалося, що є речовини, які мають різні радіоактивні властивості (тобто розпадаються по-різному), але цілком однакові за хімічними властивостями. На цій підставі Фредерік Содді в 1911 р. висловив припущення про можливість існування елементів з однаковими хімічними властивостями, які, однак, відрізняються іншими властивостями (зокрема щодо радіоактивності). Ці елементи треба ставити в одну й ту саму чарунку періодичної системи Менделєєва. Фредерік Содді назвав такі елементи ізотопами (тобто такими, що займають однакові місця).
Атомні ядра з однаковим Z, але різними кількостями нейтронів N називають ізотопами.
Наразі відомі ізотопи всіх хімічних елементів. Наприклад, Гідроген має три ізотопи:
Існування ізотопів доводить, що заряд атомного ядра й, отже, будова електронної оболонки визначають не всі властивості атома, а лише його хімічні властивості й ті фізичні, які залежать від периферії електронної оболонки, наприклад, розміри. Маса ж атома та його радіоактивні властивості не залежать від порядкового номера в таблиці Менделєєва.
З явищем радіоактивності ви вже частково ознайомилися в курсі фізики 9 класу. Пригадаймо його.
Радіоактивність — це спонтанне перетворення нестійких ізотопів хімічного елемента на ізотопи іншого хімічного елемента, яке супроводжується випусканням певних частинок.
Радіоактивний розпад ядер (радіоактивність) є властивістю самого атомного ядра; на швидкість протікання цього процесу не впливають зовнішні фактори (температура, тиск, електричне або магнітне поля тощо).
Радіоактивність нестабільних ізотопів, що трапляються в природі, називають природною. Штучна радіоактивність — це радіоактивність нестабільних ізотопів, отриманих у лабораторних умовах як продукти штучних перетворень атомних ядер.
Види радіоактивного випромінювання. Дослідження Антуана Беккереля, Ернеста Резерфорда, П’єра Кюрі, Марії Склодовської-Кюрі та інших учених показали, що радіоактивне випромінювання є трьох видів. Вони були названі умовно першими трьома літерами грецького алфавіту: α-, β-, γ-випромінювання.
Дослідження методом відхилення в магнітному полі, проведені Склодовською-Кюрі, а згодом й Резерфордом, показали, що радіоактивне випромінювання має різний електричний заряд: α-частинки — позитивний, β-частинки — негативний і γ-промені — електрично нейтральні. Детальні дослідження радіоактивного випромінювання підвели до з’ясування його природи.
α-частинки — це ядра атома Гелію (2 протони та 2 нейтрони). Характерною величиною α-частинок є їхня енергія (від 4 до 9 МеВ). Різні радіоактивні речовини випромінюють α-частинки різної енергії, однак усі α-частинки, випущені даною радіоактивною речовиною, мають цілком конкретну енергію. Найчастіше радіоактивна речовина випромінює не одну, а кілька груп α-частинок із цілком певним значенням початкової енергії. Пролітаючи крізь речовину, α-частинки поступово втрачають енергію, йонізуючи молекули речовини й, урешті, зупиняються. У повітрі за нормальних умов α-частинки утворюють у середньому приблизно 50 000 пар йонів на 1 см шляху. Довжина їхнього вільного пробігу в повітрі — від 2 до 12 см, у твердих речовинах і рідинах — кілька мікрометрів. Тому вони легко затримуються аркушем паперу.
β-частинки — це потік швидких електронів. Швидкості β-частинок можуть наближатись до швидкості світла й сягати 0,999 • с. На відміну від α-частинок, β-частинки даної радіоактивної речовини мають не однакові значення енергії. Енергія β-частинок може набувати значення від 0 до деякого максимального значення (характерного для даного хімічного елемента). Унаслідок відносно малої маси β-частинки розсіюються в речовині, їхні траєкторії мають покручений вигляд, для них не існує певної довжини вільного пробігу. Щоб затримати β-частинки, потрібен шар металу завтовшки близько 3 мм.
γ-промені — це короткохвильовий вид електромагнітного випромінювання, який виникає внаслідок переходу ядра зі збудженого стану в основний. Довжина хвилі γ-променів — порядку 10 -10 м, що зумовлює їхню високу проникну здатність. Енергія γ-променів — від 0,02 до 2,6 МеВ. Для поглинання γ-променів потрібен шар свинцю завтовшки понад 20 см.
Альфа- й бета-розпади. Радіоактивне випромінювання є продуктом самодовільного розпаду атомних ядер радіоактивних елементів. При цьому деякі з ядер випускають лише α-частинки, інші — β-частинки. Є радіоактивні ядра, які випускають обидва види випромінювання. Зауважимо, що γ-промені, як правило, не є самостійним типом радіоактивності, воно супроводжує α- і β-розпади. Розглянемо детальніше види радіоактивного розпаду.
У процесах радіоактивного розпаду всіх трьох видів виконуються класичні закони збереження: енергії, імпульсу, момента імпульсу та електричного заряду. Для радіоактивного розпаду виконується ще один закон — закон збереження кількості нуклонів: загальна кількість нуклонів у будь-якому радіоактивному розпаді залишається незмінною (нуклони не зникають і не виникають, відбувається їх перетворення).
Радіоактивний розпад супроводжується перетворенням одного хімічного елемента на інший. Ядро, що утворюється внаслідок α-розпаду, буде відрізнятись від вихідного тим, що воно втрачає 2 протони та 2 нейтрони. Наприклад, при α-розпаді радію
утворюється елемент, порядковий номер якого Z = 88 – 2 = 86 і масове число А = 226 – 4 = 222. Отже, у результаті утворюється радон
Загальне рівняння α-розпаду записують у вигляді
Якщо механізм α-розпаду дістав просте й природне пояснення, то механізм β-розпаду довгий час залишався нерозгаданим. Дійсно, звідки при β-розпаді з’являються електрони, адже їх немає у складі ядра?
Зрозуміло, що β-частинка не є електроном оболонки атома, тому що видалення електрона з оболонки є йонізацією атома, у результаті якої не відбувається зміни хімічної природи атома. Таким чином, оскільки β-частинка не є складовою частиною ядра і не є електроном, вирваним з оболонки атома, можна припустити, що β-частинка «народжується» в результаті процесів, які відбуваються всередині ядра. Перевіримо цю гіпотезу.
У процесі β-розпаду масове число залишається незмінним, отже, залишається незмінним загальна кількість нуклонів у ядрі. При цьому змінюється (підвищується) на одиницю заряд ядра, тобто кількість протонів збільшується на одиницю. Відповідно кількість нейтронів має зменшитись на одиницю (оскільки масове число А залишається незмінним). Отже, β-розпад можна пояснити як перетворення одного з нейтронів на протон з випусканням β-частинки. Дійсно, самодовільний процес перетворення протона в нейтрон має супроводжуватись виділенням енергії (якби цього не було, то такий процес не міг би відбутися самодовільно, ядру потрібне було б надходження енергії ззовні).
Згідно із законом взаємозв’язку маси-енергії, виділена енергія має відповідати масі електрона. Проте було встановлено, що енергії, які виділялись під час β-розпаду, мають значення від 0 до деякого максимального значення Еm. Неперервний характер спектрів β-випромінювання виявився несподіваним, адже це начебто означало невиконання закону збереження енергії. Як показали детальніші дослідження, закон збереження імпульсу та моменту імпульсу також не виконувалися при β-розпаді. Для подолання цих труднощів швейцарський фізик Вольфганг Паулі в 1931 р. запропонував гіпотезу, згідно з якою при β-розпаді з ядра вилітає ще одна частинка, яка не має електричного заряду й маса якої надзвичайно мала. Гіпотетична частинка могла б мати відповідну енергію, імпульс, що й забезпечило б виконання законів збереження. Експериментально виявити цю частинку вдалося лише у 50-х роках ХХ ст.
Згодом були відкриті й інші процеси перетворення частинок і виявлені нові частинки (та їх античастинки), що зумовило появу нового напрямку у фізиці — фізики елементарних частинок. Більш детально про це — в наступних параграфах.
Щодо процесів β-розпаду, то встановлено їх два види: β + – та β – -розпади. При β – -розпаді один з нейтронів усередині ядра перетворюється на протон, електрон і антинейтрино:
Електрон і антинейтрино вилітають з ядра, а нуклони, які залишились, утворюють нове ядро.
Таким чином, загальне рівняння β-розпаду (природного) записують у вигляді:
При β + -розпаді протон перетворюється на нейтрон і одночасно випускаються позитрон і нейтрино:
Це перетворення відбувається з поглинанням енергії, оскільки маса протона менша від маси нейтрона, і самодовільно відбуватись не може.
Що ж до γ-випромінювання, то воно зазвичай виникає услід за α- і β-розпадами, оскільки атомне ядро в результаті розпадів перебуває у збудженому стані, і, переходячи на нижчий енергетичний рівень (у нормальний стан), випромінює γ-квант.
Закон радіоактивного розпаду. Макроскопічний зразок радіоактивного ізотопу містить величезну кількість радіоактивних ядер. Ці ядра розпадаються не одночасно, а протягом деякого часу. Процес розпаду має випадковий характер: ми не можемо точно передбачити, коли розпадеться певне ядро. Проте, використовуючи теорію ймовірності, ми можемо визначити, скільки ядер розпадеться протягом деякого часу. Іншими словами, кількість розпадів ΔN (або ядер, які розпались), що відбуваються протягом малого інтервалу часу Δt, пропорційна цьому інтервалу Δt і повній кількості ядер N: ΔN = -λNΔt.
Коефіцієнт пропорційності λ називають сталою розпаду. Для кожного ізотопу стала розпаду має своє значення. Що більша λ, то більшою є швидкість розпаду (активність ізотопу). Знак «мінус» указує на те, що кількість радіоактивних ядер зменшується.
Для Δt → 0 ΔN буде дуже малою величиною порівняно з N, і отримане рівняння можна записати в диференціальній формі: dN = -λNdt або
де N0 — початкова кількість ядер при t = 0, N — кількість ядер, що не розпалась на момент часу t, отримуємо
Отриманий вираз і є законом радіоактивного розпаду.
Закон радіоактивного розпаду описує розпад великої кількості ядер будь-якого радіоактивного ізотопу: N = N0е -λt , λ — стала радіоактивного розпаду — характеризує частку радіоактивних ядер, які розпадуться за час t.
Закон справджується в середньому для великої кількості ядер. Якщо атомів мало, то говорити про певний закон радіоактивного розпаду не можна. Закон радіоактивного розпаду є ще одним прикладом статистичного закону, оскільки він установлює, яка в середньому кількість атомів розпадеться за даний інтервал часу. Але завжди бувають неминучі відхилення від середнього значення, і що менше атомів у досліджуваному зразку, то більші ці відхилення.
Швидкість розпаду (або загальна кількість розпадів за одиницю часу) називають активністю ізотопу:
A = -λN = -λN0e -λt .
Одиниця активності — бекерель, 1 Бк.
1 Бк дорівнює активності джерела, з якою за 1 с відбувається один акт розпаду. Позасистемна одиниця — кюрі, 1 Кі = 3,7 • 10 10 Бк.
Як видно, активність А ізотопу зменшується з часом за експонентою з такою ж швидкістю, як і кількість ядер, що не розпалась, N (мал. 246).
Мал. 246. Графічне відображення закону радіоактивного розпаду
Період піврозпаду. Швидкість розпаду характеризують також періодом піврозпаду Т.
Період піврозпаду Т — інтервал часу, за який розпадається половина радіоактивних ядер.
Періоди піврозпаду для різних ізотопів достатньо сильно різняться, наприклад, у
він становить 20 хв, у
він становить 5600 років.
Закон радіоактивного розпаду, записаний через період піврозпаду, має вигляд
де N — кількість атомних ядер, що не розпались на даний момент часу t, N0 — початкова кількість ядер. Не важrо побачити, що період піврозпаду обернено пропорційний сталій розпаду. Що більшим є період піврозпаду, то менша стала розпаду. Точний зв’язок сталої розпаду з періодом піврозпаду має вигляд:
Отримання та застосування радіонуклідів. Радіоактивні ізотопи різних хімічних елементів (як природні, так і отримані у процесі штучної радіоактивності) мають свою сферу застосування. Основою їх практичного використання є такі їхні властивості:
- будь-який радіоактивний ізотоп є «міченим» атомом відповідного елемента, тобто атомом, який за фізичними й хімічними властивостями не відрізняється від звичайного атома, однак поведінку якого можна спостерігати за його радіоактивним випромінюванням;
- будь-яке радіоактивне випромінювання має певну проникну здатність, тобто властивість поширюватись і поглинатись у даному середовищі певним чином;
- радіоактивні випромінювання йонізують речовину;
- під дією нейтронів та інших випромінювань великої енергії в речовині утворюється наведена радіоактивність.
Відповідно до цих властивостей виділяють і основні методи їх використання. Наприклад, використовуючи «мічений» атом, можна дізнатися про швидкість обміну речовин у тканинах живого організму, про швидкість руху крові в судинах або нафтопродуктів трубопроводами тощо. У медицині за допомогою мічених атомів проводять діагностику деяких захворювань, вивчають вміст тих чи тих речовин у різних тканинах і органах людини, обмін речовин в організмі тощо. Йонізуюча здатність радіоактивних випромінювань використовується для руйнування злоякісних пухлин, стерилізації фармацевтичних препаратів та харчових продуктів.
Наведена радіоактивність (зокрема, опромінення нейтронами) використовується для дослідження вмісту речовини. Деякі з атомів стабільних ізотопів досліджуваної речовини, захопивши нейтрони, перетворюються на радіоактивні ізотопи. За характером наведеного радіоактивного випромінювання можна зробити висновки про наявність у речовині тих чи тих домішок. Особливістю методу є те, що він дає змогу виявити домішки в дуже малих концентраціях. Цей метод використовують для встановлення віку археологічних об’єктів (за вмістом у них радіоактивного ізотопу Карбону-14).
ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ
1. Що є причиною радіоактивного випромінювання? Яка природа α-, β-, γ-випромінювання? 2. Альфа-частинку поглинуло речовина. Куди поділась α-частинка? 3. Чому під час радіоактивного розпаду з ядра атома вилітає саме α-частинка, а не окремо один або два протона чи нейтрона? 4. Чому виникає γ-квант у ядрі атома в процесі його радіоактивного розпаду? 5. Який закон електродинаміки постулює той факт, що в розі перетворення нейтрона на протон виникає соме електрон, що випромінюється з ядра як β-частинка? 6. Чим характеризується швидкість розпаду радіоактивного ізотопу?
Приклади розв’язування задач
Задача. Деяка маса радіоактивного Радію містить 25 • 10 6 атомів. Скільки атомів розпадеться за добу, якщо період піврозпаду Радію — 1602 роки?
Вправа 35
- 1. Яка частка радіоактивних ядер деякого елемента розпадається за час, що дорівнює половині періоду піврозпаду?
- 2. За який час розпадеться 80 % атомів радіоактивного ізотопу Хрому
якщо період його піврозпаду — 27,8 доба?
- 3. Було встановлено, що в радіоактивному препараті відбувається 6,4 • 10 8 розпадів ядер за хвилину. Визначте активність цього препарату в бекерелях (1 Бк = 1 розп/хв).
- 4. За який час у препараті з постійною активністю 8,2 МБк розпадеться 25 • 10 8 ядер?
- 5. Визначте період піврозпаду Радону, якщо за 1 добу з мільйона атомів розпадається 175 000 атомів.
- 6. Радіоакривний Натрій-24 розпадається, викидаючи β-частинки. Період піврозпаду Натрію — 14,8 год. Обчисліть кількість атомів, ще розпадається в 1 мг даного радіоактивного зразка за 10 год.
- 7. Маємо урановий препарат з активністю 20,7 МБк. Визначте в препараті масу ізотопу
з періодом піврозпаду 7,1 • 10 8 років.
- 8. Під час археологічних розкопок знайдено шматок деревини, у якій вміст радіоактивних ядер ізотопу Карбону С 14 на 1,5 % менший, ніж у свіжозрубаній деревині. Період піврозпаду ізотопу Карбону становить 5579 років. Установіть, скільки років тому було зрубано знайдено деревину.
- 9. Зразок, що містить 1 мг Полонію-210, уміщено в калориметр із теплоємністю 8 Дж/К. У результаті α-розпаду полоній перетворюється на Плюмбум-206. На скільки підніметься температура в калориметрі за 1 год? Період піврозпаду Полонію — 138 діб. Вважайте, що α-частинки не вилітають за межі калориметра.
ЧАСТИНА II ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ
Для того, щоб зрозуміти, чому і як відбуваються електричні явища, зокрема електризація тіл, необхідно пригадати будову речовини, з якою ви ознайомились в курсі фізики 7-го класу. Тоді вам стало відомо, що підґрунтям сучасної фізики є ядерна (планетарна) модель атома, запропонована англійським фізиком Ернестом Резерфордом на підставі дослідів.
Згідно цієї моделі, в центрі атома знаходиться позитивно заряджене атомне ядро. Навколо ядра по замкнених орбітах рухаються електрони. По кожній орбіті завжди рухається лише один електрон. Але деякі електрони рухаються по орбітах однакового радіуса. Такі орбіти розташовані під кутом одна до одної і утворюють електронні оболонки. Оскільки ядро заряджене позитивно, а електрони негативно, вони притягуються до ядра.
В нормальному стані (за відсутності зовнішніх впливів) атом є електрично нейтральним. Це означає, що сума всіх негативно заряджених електронів дорівнює позитивному заряду ядра.
Ядро атома – теж складне утворення. Ядро складається з позитивно заряджених протонів і незаряджених (нейтральних) частинок – нейтронів. Протони і нейтрони називаються ще нуклонами. Вам вже відомо, що заряд протона за абсолютною величиною дорівнює заряду електрона.
Ядерна модель атома називається ще планетарною: електрони рухаються навколо ядра аналогічно до того, як планети Сонячної системи рухаються навколо Сонця. Але слід зауважити: за багатьма ознаками ця аналогія досить умовна.
Ернест Резерфорд (1871-1937) англійський фізик
Відповідно, кількість електронів, що рухаються навколо ядра, дорівнює кількості протонів у ядрі. Ця кількість визначається порядковим номером елемента в періодичній системі елементів Менделєєва. Наприклад, порядковий номер Оксигену в таблиці Менделєєва дорівнює 8. Це означає, що у ядрі атома Оксигену знаходиться 8 протонів, а по орбітах навколо ядра рухаються 8 електронів.
Число електронів (і, відповідно, протонів) у різних атомів є різним, причому воно може бути як малим, так і досить великим: зокрема, в атомі водню навколо ядра рухається 1 електрон, а в атомі золота – 79.
Але атом не завжди перебуває у нормальному стані. В деяких випадках атом може зазнавати суттєвих зовнішніх впливів (нагрівання, опромінення потужним випромінюванням тощо). За таких умов нейтральний атом втрачає один або кілька електронів і тоді в ньому виявляється надлишок позитивного заряду. В такому разі атом перетворюється на позитивно заряджений іон (позитивний заряд ядра не компенсується негативним зарядом електронів).
І навпаки, якщо атом набуває надлишкових електронів у то він стає негативно зарядженим іоном (в цьому разі нескомпенсованим виявляється негативний заряд електронів).
На рис 88 зображено атом беріллію (а) та його позитивний (б) і негативний (в) іони.
Зверніть увагу! На рис. 88 зображені не орбіти електронів, а електронні оболонки. Як ви вже знаєте, два електрона не можуть рухатись по одній орбіті.
Основна маса атома (99,98%) зосереджена в ядрі, оскільки маси протона і нейтрона (які є майже однаковими) набагато перебільшують масу електрона. Уявлення щодо розмірів атома дає таке порівняння: упоперек нігтя мізинцю (1 см) можна було б розмістити 100 000 000 атомів!
Запам’ятайте! Розглянута модель ядра атома є дуже спрощеною, а тому вона дозволяє пояснити лише найпростіші фізичні явища. За уявленнями сучасної фізики будова атома набагато складніша.
Рис. 90. а, б, в. Зображено атом беріллію (а) та його позитивний (б) і негативний (в) іони
2. Як відбувається електризація тіл?
Виконаємо ще один дослід з електризації. Для цього скористаємось двома паличками для електризації (ебонітовою та з органічного скла) та електрометром, на який зверху надіта порожня металева куля.
Спочатку внесемо в порожню кулю почергово незаряджені палички і впевнимось в тому, що електрометр не фіксує наявність будь-якого заряду. Це означає, що палички є електрично нейтральними: негативний заряд кожної пластинки дорівнює її позитивному заряду.
Після цього щільно притиснемо палички одну до одної, наелектризуємо їх за допомогою тертя і окремо внесемо всередину кулі. В обох випадках стрілка електрометра відхилиться на однакові кути (рис. 90). А це означає, що в результаті тертя однаково зарядились обидві палички. Тепер внесемо палички в порожнину кулі одночасно. Побачимо, що стрілка електрометра залишиться нерухомою – електрометр не виявить ніякого заряду (рис. 91). Виникає питання: де зник заряд, адже палички є зарядженими? Відповідь не це питання проста: заряди паличок нейтралізувались, а, отже, вони є рівними і протилежними за знаком. Якщо ж видалити одну з паличок із кулі, то стрілка знову відхилиться.
Одержаний нами експериментальний результат дає можливість зробити висновок: при електризації заряджаються обидва тіла, причому заряди на них є протилежними за знаком та рівними за величиною.
Рис. 91, а. Стрілка електрометра відхилилась на однакові кути
Пояснимо механізм електризації тіл, використовуючи знання про будову атома. При щільному контакті двох тіл (внаслідок тертя) їх атоми в місцях дотику наближуються один до одного. Взаємодіючи між собою, вони можуть захоплювати або віддавати частину електронів, які значно віддалені від ядра (такі електрони порівняно слабко утримуються ядром). Цим і пояснюється те, що на одному тілі утворюється надлишок електронів, а іншому – їх нестача.
Отже, під час електризації тіл тертям заряди не створюються і не зникають, вони лише перерозподіляються між контактуючими тілами. При цьому сумарний заряд тіл не змінюється.
Отже, ви ознайомились з механізмом електризації через тертя. А що ж відбувається при електризації через дотик? При електризації через дотик із зарядженого тіла на незаряджене переходить той надлишок заряду, який утворюється при електризації тіла. Цей надлишок перерозподіляється між тілами залежно від площі їх поверхні: чим більшою є площа поверхні тіла, тим більший заряд утворюється на цьому тілі.
3. Закон збереження електричного заряду — фундаментальний закон природи.
Спостереження й експериментальні дослідження явища електризації дозволили нам зробити важливий висновок: сумарний заряд тіл до електризації дорівнює їх сумарному заряду після електризації. Дійсно, внаслідок електризації на одному тілі з’являється негативний заряд, а на другому – позитивний, але рівний негативному за абсолютною величиною. При цьому алгебраїчна сума зарядів обох тіл залишається такою, якою вона була до електризації, тобто рівною нулю.
Рис. 91, б. Стрілка електрометра залишається нерухомою
При електризації заряджаються обидва тіла, причому заряди на них є протилежними за знаком і рівними за величиною.
Тіла, атоми яких внаслідок тертя набули зайвих електронів, заряджаються негативно, а тіла, атоми яких втратили електрони – позитивно.
Запам’ятайте! При виникненні як негативного, так і позитивного зарядів переміщуються з одного тіла на інше лише електрони.
Таким чином, можна зробити важливі висновки:
► внаслідок електризації через тертя тіла заряджаються однаковими за величиною, але протилежними за знаком зарядами;
► внаслідок електризації через дотик тіла заряджаються однаковими за знаком зарядами, при цьому заряд, якого набувають тіла, залежить від площі їх поверхонь.
Під замкненою електричною системою розуміють сукупність тіл, які не одержують електричного заряду з оточуючого середовища, тобто є ізольованими від зовнішніх заряджених тіл.
Але цей результат має місце лише в замкненій електричній системі. Зокрема, в розглянутих дослідах з електризації – це два тіла: ебонітова паличка і хутро; скляна паличка і шовк; ебонітова пластинка та пластинка з органічного скла.
Враховуючи всі висновки, яких ми дійшли, можна сформулювати основоположний у теорії електрики закон збереження електричного заряду:
повний електричний заряд замкненої системи тіл є величиною сталою і дорівнює алгебраїчній сумі позитивних та негативних зарядів цих тіл.
Закон збереження електричного заряду є одним з найголовніших законів природи (такі закони називаються фундаментальними). Сучасна наука підтверджує, що закон збереження заряду виконується в мікро-, макро і мегасвітах.
ПОГЛИБТЕ НАУКОВИЙ КРУГОЗІР
Які відстані між частинками в атомах? Одержати уявлення про густину розташування ядер і електронів в атомах можна на такому прикладі: якщо б об’єм людини масою 80 кг зменшився за рахунок відстаней між ядрами і електронами, тобто електрони розташувались впритул до ядер, то новий об’єм людини став б рівним мільйонній частині голівки шпильки (близько 10 куб мм).
Подумайте і дайте відповідь
1. Опишіть ядерну модель атома, Чому вона називається планетарною?
2. Які частинки входять до складу атомного ядра?
3. Які відомості про атом можна одержати, знаючи порядковий номер елемента в періодичній системі елементів Менделєєва?
4. Чим відрізняються такі частинки як електрон, протон і нейтрон?
5. Як утворюються позитивні і негативні іони?
6. Поясніть механізм електризації тіл. Чому в процесі електризації заряджаються обидва тіла?
7. Чи змінюється в процесі електризації сумарний заряд тіл, що електризуються?
8. Чому в звичайному стані тіла електрично нейтральними?
9. Яка електрична система називається замкненою?
10. Сформулюйте закон збереження електричного заряду. Чому цей закон називають фундаментальним?
Розв’яжіть задачі та оцініть результати
1. Поясніть, в чому полягає умовність аналогії між планетарною моделлю атома Резерфорда і Сонячною системою?
2. Ядро атома золота містить 197 нуклонів. Порядковий номер золота в періодичній системі елементів Менделєєва дорівнює 79. Скільки електронів, протонів і нейтронів в атомі золота?
3. Атом срібла загубив один електрон. На що перетворився атом срібла? Який заряд цієї частинки?
4. Як ви вважаєте, чи може тіло одночасно мати позитивні і негативні заряди? позитивний і негативний заряд?
5. Зарядженому позитивно тілу надали такий самий за абсолютною величиною негативний заряд. Яким стало тіло? Чи можна при цьому стверджувати, що заряди в тілі зникли?
6. При розчісуванні сухого волосся ваш пластмасовий гребінець зарядися позитивно. А який заряд виник на волоссі? Відповідь поясніть.
7. Чи знаєте ви, що після посадки літака трап до нього підганяють не одразу, а спочатку опускають на землю металевий трос, з’єднаний з корпусом літака. Поясніть, для чого це роблять?
8. Наведіть приклади, які підтверджують закон збереження електричного заряду.
Використовуючи сайт ви погоджуєтесь з правилами користування
Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.
Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.
Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.
Ми приєднуємось до закону про авторське право в цифрову епоху DMCA прийнятим за основу взаємовідносин в площині вирішення питань авторських прав в мережі Інтернет. Тому підтримуємо загальновживаний механізм “повідомлення-видалення” для об’єктів авторського права і завжди йдемо на зустріч правовласникам.
Копіюючи матеріали во повинні узгодити можливість їх використання з авторами. Наш сайт не несе відподвідальність за копіювання матеріалів нашими користувачами.