«Физика - 10 класс»
Вначале рассмотрим наиболее простой случай, когда электрически заряженные тела находятся в покое.
Раздел электродинамики, посвящённый изучению условий равновесия электрически заряженных тел, называют электростатикой .
Что такое электрический заряд?
Какие существуют заряды?
Со словами электричество, электрический заряд, электрический ток вы встречались много раз и успели к ним привыкнуть. Но попробуйте ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» Само понятие заряд - это основное, первичное понятие, которое не сводится на современном уровне развития наших знаний к каким-либо более простым, элементарным понятиям.
Попытаемся сначала выяснить, что понимают под утверждением: «Данное тело или частица имеет электрический заряд».
Все тела построены из мельчайших частиц, которые неделимы на более простые и поэтому называются элементарными .
Элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу согласно закону всемирного тяготения. С увеличением расстояния между частицами сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Большинство элементарных частиц, хотя и не все, кроме того, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила во много раз превосходит силу тяготения.
Так в атоме водорода, изображённом схематически на рисунке 14.1, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 10 39 раз превышающей силу гравитационного притяжения.
Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными .
Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.
Взаимодействие заряженных частиц называется электромагнитным .
Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий.
Электрический заряд элементарной частицы - это не особый механизм в частице, который можно было бы снять с неё, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование определённых силовых взаимодействий между ними.
Мы, в сущности, ничего не знаем о заряде, если не знаем законов этих взаимодействий. Знание законов взаимодействий должно входить в наши представления о заряде. Эти законы непросты, и изложить их в нескольких словах невозможно. Поэтому нельзя дать достаточно удовлетворительное краткое определение понятию электрический заряд .
Два знака электрических зарядов.
Все тела обладают массой и поэтому притягиваются друг к другу. Заряженные же тела могут как притягивать, так и отталкивать друг друга. Этот важнейший факт, знакомый вам, означает, что в природе есть частицы с электрическими зарядами противоположных знаков; в случае зарядов одинаковых знаков частицы отталкиваются, а в случае разных притягиваются.
Заряд элементарных частиц - протонов , входящих в состав всех атомных ядер, называют положительным, а заряд электронов - отрицательным. Между положительными и отрицательными зарядами внутренних различий нет. Если бы знаки зарядов частиц поменялись местами, то от этого характер электромагнитных взаимодействий нисколько бы не изменился.
Элементарный заряд.
Кроме электронов и протонов, есть ещё несколько типов заряженных элементарных частиц. Но только электроны и протоны могут неограниченно долго существовать в свободном состоянии. Остальные же заряженные частицы живут менее миллионных долей секунды. Они рождаются при столкновениях быстрых элементарных частиц и, просуществовав ничтожно малое время, распадаются, превращаясь в другие частицы. С этими частицами вы познакомитесь в 11 классе.
К частицам, не имеющим электрического заряда, относится нейтрон . Его масса лишь незначительно превышает массу протона. Нейтроны вместе с протонами входят в состав атомного ядра. Если элементарная частица имеет заряд, то его значение строго определено.
Заряженные тела Электромагнитные силы в природе играют огромную роль благодаря тому, что в состав всех тел входят электрически заряженные частицы. Составные части атомов - ядра и электроны - обладают электрическим зарядом.
Непосредственно действие электромагнитных сил между телами не обнаруживается, так как тела в обычном состоянии электрически нейтральны.
Атом любого вещества нейтрален, так как число электронов в нём равно числу протонов в ядре. Положительно и отрицательно заряженные частицы связаны друг с другом электрическими силами и образуют нейтральные системы.
Макроскопическое тело заряжено электрически в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком заряда. Так, отрицательный заряд тела обусловлен избытком числа электронов по сравнению с числом протонов, а положительный - недостатком электронов.
Для того чтобы получить электрически заряженное макроскопическое тело, т. е. наэлектризовать его, нужно отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного или перенести на нейтральное тело отрицательный заряд.
Это можно сделать с помощью трения. Если провести расчёской по сухим волосам, то небольшая часть самых подвижных заряженных частиц - электронов перейдёт с волос на расчёску и зарядит её отрицательно, а волосы зарядятся положительно.
Равенство зарядов при электризации
С помощью опыта можно доказать, что при электризации трением оба тела приобретают заряды, противоположные по знаку, но одинаковые по модулю.
Возьмём электрометр, на стержне которого укреплена металлическая сфера с отверстием, и две пластины на длинных рукоятках: одна из эбонита, а другая из плексигласа. При трении друг о друга пластины электризуются.
Внесём одну из пластин внутрь сферы, не касаясь её стенок. Если пластина заряжена положительно, то часть электронов со стрелки и стержня электрометра притянется к пластине и соберётся на внутренней поверхности сферы. Стрелка при этом зарядится положительно и оттолкнётся от стержня электрометра (рис. 14.2, а).
Если внести внутрь сферы другую пластину, вынув предварительно первую, то электроны сферы и стержня будут отталкиваться от пластины и соберутся в избытке на стрелке. Это вызовет отклонение стрелки от стержня, причём на тот же угол, что и в первом опыте.
Опустив обе пластины внутрь сферы, мы вообще не обнаружим отклонения стрелки (рис. 14.2, б). Это доказывает, что заряды пластин равны по модулю и противоположны по знаку.
Электризация тел и её проявления. Значительная электризация происходит при трении синтетических тканей. Снимая с себя рубашку из синтетического материала в сухом воздухе, можно слышать характерное потрескивание. Между заряженными участками трущихся поверхностей проскакивают маленькие искорки.
В типографиях происходит электризация бумаги при печати, и листы слипаются. Чтобы это не происходило, применяют специальные устройства для стекания заряда. Однако электризация тел при тесном контакте иногда используется, например, в различных электрокопировальных установках и др.
Закон сохранения электрического заряда.
Опыт с электризацией пластин доказывает, что при электризации трением происходит перераспределение имеющихся зарядов между телами, до этого нейтральными. Небольшая часть электронов переходит с одного тела на другое. При этом новые частицы не возникают, а существовавшие ранее не исчезают.
При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда . Этот закон справедлив для системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы, т. е. для изолированной системы .
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел сохраняется.
q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const. (14.1)
где q 1 , q 2 и т. д. - заряды отдельных заряженных тел.
Закон сохранения заряда имеет глубокий смысл. Если число заряженных элементарных частиц не меняется, то выполнение закона сохранения заряда очевидно. Но элементарные частицы могут превращаться друг в друга, рождаться и исчезать, давая жизнь новым частицам.
Однако во всех случаях заряженные частицы рождаются только парами с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами; исчезают заряженные частицы тоже только парами, превращаясь в нейтральные. И во всех этих случаях алгебраическая сумма зарядов остаётся одной и той же.
Справедливость закона сохранения заряда подтверждают наблюдения над огромным числом превращений элементарных частиц. Этот закон выражает одно из самых фундаментальных свойств электрического заряда. Причина сохранения заряда до сих пор неизвестна.
Страница 1
Дать краткое, удовлетворительное во всех отношениях определение заряда невозможно. Мы привыкли находить понятные нам объяснения весьма сложных образований и процессов вроде атома, жидких кристаллов, распределения молекул по скоростям и т.д. А вот самые основные, фундаментальные понятия, нерасчленимые на более простые, лишенные, по данным науки на сегодняшний день, какого-либо внутреннего механизма, кратко удовлетворительным образом уже не пояснить. Особенно если объекты непосредственно не воспринимаются нашими органами чувств. Именно к таким фундаментальным понятиям относится электрический заряд.
Попытаемся вначале выяснить не что такое электрический заряд, а что скрывается за утверждением данное тело или частица имеют электрический заряд.
Вы знаете, что все тела построены из мельчайших, неделимых на более простые (насколько сейчас науке известно) частиц, которые поэтому называют элементарными. Все элементарные частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу. Согласно закону всемирного тяготения сила притяжения сравнительно медленно убывает по мере увеличения расстояния между ними: обратно пропорционально квадрату расстояния. Кроме того, большинство элементарных частиц, хотя и не все, обладают способностью взаимодействовать друг с другом с силой, которая также убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, но эта сила в огромное число, раз превосходит силу тяготения. Так, в атоме водорода, схематически изображенном на рисунке 1, электрон притягивается к ядру (протону) с силой, в 1039 раз превышающей силу гравитационного притяжения.
Если частицы взаимодействуют друг с другом с силами, которые медленно уменьшаются с увеличением расстояния и во много раз превышают силы всемирного тяготения, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы называются заряженными. Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы.
Взаимодействия между заряженными частицами носят название электромагнитных. Когда мы говорим, что электроны и протоны электрически заряжены, то это означает, что они способны к взаимодействиям определенного типа (электромагнитным), и ничего более. Отсутствие заряда у частиц означает, что подобных взаимодействий она не обнаруживает. Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий, подобно тому как масса определяет интенсивность гравитационных взаимодействий. Электрический заряд – вторая (после массы) важнейшая характеристика элементарных частиц, определяющая их поведение в окружающем мире.
Таким образом
Электрический заряд – это физическая скалярная величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Электрический заряд обозначается буквами q или Q.
Подобно тому, как в механике часто используется понятие материальной точки, позволяющее значительно упростить решение многих задач, при изучении взаимодействия зарядов эффективным оказывается представление о точечном заряде. Точечный заряд – это такое заряженное тело, размеры которого значительно меньше расстояния от этого тела до точки наблюдения и других заряженных тел. В частности, если говорят о взаимодействии двух точечных зарядов, то тем самым предполагают, что расстояние между двумя рассматриваемыми заряженными телами значительно больше их линейных размеров.
Электрический заряд элементарной частицы
Электрический заряд элементарной частицы – это не особый «механизм» в частице, который можно было бы снять с нее, разложить на составные части и снова собрать. Наличие электрического заряда у электрона и других частиц означает лишь существование определенных взаимодействий между ними.
В природе имеются частицы с зарядами противоположных знаков. Заряд протона называется положительным, а электрона – отрицательным. Положительный знак заряда у частицы не означает, конечно, наличия у нее особых достоинств. Введение зарядов двух знаков просто выражает тот факт, что заряженные частицы могут как притягиваться, так и отталкиваться. При одинаковых знаках заряда частицы отталкиваются, а при разных – притягиваются.
Никакого объяснения причин существования двух видов электрических зарядов сейчас нет. Во всяком случае, никаких принципиальных различий между положительными и отрицательными зарядами не обнаруживается. Если бы знаки электрических зарядов частиц изменились на противоположные, то характер электромагнитных взаимодействий в природе не изменился бы.
Положительные и отрицательные заряды очень хорошо скомпенсированы во Вселенной. И если Вселенная конечна, то ее полный электрический заряд, по всей вероятности, равен нулю.
Наиболее замечательным является то, что электрический заряд всех элементарных частиц строго одинаков по модулю. Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы. Заряд может быть положительным, как у протона, или отрицательным, как у электрона, но модуль заряда во всех случаях один и тот же.
Отделить часть заряда, например, у электрона невозможно. Это, пожалуй, самое удивительное. Никакая современная теория не может объяснить, почему заряды всех частиц одинаковы, и не в состоянии вычислить значение минимального электрического заряда. Оно определяется экспериментально с помощью различных опытов.
В 60-е гг., после того как число вновь открытых элементарных частиц стало угрожающе расти, была выдвинута гипотеза о том, что все сильно взаимодействующие частицы являются составными. Более фундаментальные частицы были названы кварками. Поразительным оказалось то, что кварки должны иметь дробный электрический заряд: 1/3 и 2/3 элементарного заряда. Для построения протонов и нейтронов достаточно двух сортов кварков. А максимальное их число, по-видимому, не превышает шести.
Единица измерения электрического заряда
Сможете ли вы коротко и емко ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» Это может показаться просто на первый взгляд, но на деле оказывается гораздо сложнее.
Известно ли нам, что такое электрический заряд
Дело в том, что на современном уровне знаний мы еще не можем разложить понятие «заряд» на более простые составляющие. Это основополагающее, так сказать, первичное понятие.
Нам известно, что это определенное свойство элементарных частиц , известен механизм взаимодействия зарядов, мы можем измерить заряд и использовать его свойства.
Однако все это следствие данных, полученных опытным путем. Природа этого явления нам до сих пор не ясна. Поэтому однозначно определить, что такое электрический заряд, мы не можем.
Для этого необходимо раскрыть целый круг понятий. Разъяснить механизм взаимодействия зарядов и описать их свойства. Поэтому проще разобраться, что означает утверждение: «данная частица имеет (несет на себе) электрический заряд».
Наличие электрического заряда у частицы
Однако позже удалось установить, что количество элементарных частиц намного больше, и что протон, электрон и нейтрон не являются неделимыми и основополагающими стройматериалами Вселенной. Они сами могут разлагаться на составляющие и превращаться в другие виды частиц.
Поэтому название «элементарная частица» в настоящее время включает довольно большой класс частиц, меньших по размеру, чем атомы и ядра атомов. При этом частицы могут иметь самые различные свойства и качества.
Однако, такое свойство, как электрический заряд, бывает только двух типов, которые условно назвали положительным и отрицательным. Наличие заряда у частицы это ее свойство отталкиваться или притягиваться к другой частице, которая тоже несет на себе заряд. Направление взаимодействия при этом зависит от типа зарядов.
Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. При этом сила взаимодействия между зарядами очень велика в сравнении с гравитационными силами, присущими всем без исключения телам во Вселенной.
В ядре водорода, для примера, электрон, несущий отрицательный заряд, притягивается к ядру, состоящему из протона и несущему положительный заряд, с силой в 1039 раз большей, чем сила, с которой тот же электрон притягивается протоном за счет гравитационного взаимодействия.
Частицы могут нести на себе заряд или не нести, в зависимости от типа частицы. Однако «снять» заряд с частицы невозможно, точно так же, как невозможно и существование заряда вне частицы.
Кроме протона и нейтрона заряд несут на себе некоторые другие виды элементарных частиц, однако неограниченно долго существовать могут только эти две частицы.
От приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10 −24 до 10 −22 с для резонансов).
Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц .
Все элементарные частицы подчиняются принципу тождественности (все элементарные частицы одного вида во Вселенной полностью одинаковы по всем своим свойствам) и принципу корпускулярно-волнового дуализма (каждой элементарной частице соответствует волна де-Бройля).
Все элементарные частицы обладают свойством взаимопревращаемости, являющегося следствием их взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого, гравитационного. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы и их совокупности, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии , импульса, момента количества движения, электрического заряда, барионного заряда и др.
Основные характеристики элементарных частиц: время жизни , масса , спин , электрический заряд , магнитный момент , барионный заряд , лептонный заряд , странность, изотопический спин , чётность , зарядовая чётность , G-чётность , CP-чётность .
Классификация
По времени жизни
- Стабильные элементарные частицы - частицы, имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии (протон , электрон , нейтрино , фотон и их античастицы).
- Нестабильные элементарные частицы - частицы, распадающиеся на другие частицы в свободном состоянии за конечное время (все остальные частицы).
По массе
Все элементарные частицы делятся на два класса:
- Безмассовые частицы - частицы с нулевой массой (фотон , глюон).
- Частицы с ненулевой массой (все остальные частицы).
По величине спина
Все элементарные частицы делятся на два класса:
По видам взаимодействий
Элементарные частицы делятся на следующие группы:
Составные частицы
- Адроны - частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий . Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
- мезоны - адроны с целым спином , то есть являющиеся бозонами ;
- барионы - адроны с полуцелым спином, то есть фермионы . К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома , - протон и нейтрон .
Фундаментальные (бесструктурные) частицы
- Лептоны - фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10 −18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны , мюоны , тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино . Известны 6 типов лептонов.
- Кварки - дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
- Калибровочные бозоны - частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
- фотон - частица, переносящая электромагнитное взаимодействие ;
- восемь глюонов - частиц, переносящих сильное взаимодействие ;
- три промежуточных векторных бозона W + , W − и Z 0 , переносящие слабое взаимодействие ;
- гравитон - гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие . Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц .
Видео по теме
Размеры элементарных частиц
Несмотря на большое разнообразие элементарных частиц, их размеры укладываются в две группы. Размеры адронов (как барионов, так и мезонов) составляют около 10 −15 м , что близко к среднему расстоянию между входящими в них кварками. Размеры фундаментальных, бесструктурных частиц - калибровочных бозонов, кварков и лептонов - в пределах погрешности эксперимента согласуются с их точечностью (верхний предел диаметра составляет около 10 −18 м ) (см. пояснение ). Если в дальнейших экспериментах окончательные размеры этих частиц не будут обнаружены, то это может свидетельствовать о том, что размеры калибровочных бозонов, кварков и лептонов близки к фундаментальной длине (которая весьма вероятно может оказаться планковской длиной , равной 1,6·10 −35 м).
Следует отметить, однако, что размер элементарной частицы является достаточно сложной концепцией, не всегда согласующейся с классическими представлениями. Во-первых, принцип неопределённости не позволяет строго локализовать физическую частицу. Волновой пакет , представляющий частицу как суперпозицию точно локализованных квантовых состояний , всегда имеет конечные размеры и определённую пространственную структуру, причём размеры пакета могут быть вполне макроскопическими - например, электрон в эксперименте с интерференцией на двух щелях «чувствует» обе щели интерферометра, разнесённые на макроскопическое расстояние. Во-вторых, физическая частица меняет структуру вакуума вокруг себя, создавая «шубу» из кратковременно существующих виртуальных частиц - фермион-антифермионных пар (см. Поляризация вакуума) и бозонов-переносчиков взаимодействий. Пространственные размеры этой области зависят от калибровочных зарядов , которыми обладает частица, и от масс промежуточных бозонов (радиус оболочки из массивных виртуальных бозонов близок к их комптоновской длине волны , которая, в свою очередь, обратно пропорциональна их массе). Так, радиус электрона с точки зрения нейтрино (между ними возможно только слабое взаимодействие) примерно равен комптоновской длине волны W-бозонов , ~3×10 −18 м , а размеры области сильного взаимодействия адрона определяются комптоновской длиной волны легчайшего из адронов, пи-мезона (~10 −15 м ), выступающего здесь как переносчик взаимодействия.
История
Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи . Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, то есть не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков .
Таким образом, физики продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) применяется термин «фундаментальные частицы» .
В активно разрабатываемой примерно с середины 1980-х теории струн предполагается, что элементарные частицы и их взаимодействия являются следствиями различных видов колебаний особо малых «струн».
Стандартная модель
Стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон , глюоны , W - и Z -бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса , отвечающий за наличие инертной массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью - например, такие, как гравитон (частица, гипотетически переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц. Всего модель описывает 61 частицу .
Фермионы
12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства (поколения) по 4 частицы в каждом. Шесть из них - кварки . Другие шесть - лептоны , три из которых являются нейтрино , а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон , мюон и тау-лептон .
| Первое поколение | Второе поколение | Третье поколение |
|---|---|---|
| Электрон : e − | Мюон : μ − | Тау-лептон : τ − |
| Электронное нейтрино : ν e | Мюонное нейтрино : ν μ | Тау-нейтрино : ν τ {\displaystyle \nu _{\tau }} |
| u-кварк («верхний»): u | c-кварк («очарованный»): c | t-кварк («истинный»): t |
| d-кварк («нижний»): d | s-кварк («странный»): s | b-кварк («прелестный»): b |
Античастицы
Также существуют 12 фермионных античастиц, соответствующих вышеуказанным двенадцати частицам.
| Первое поколение | Второе поколение | Третье поколение |
|---|---|---|
| позитрон : e + | Положительный мюон: μ + | Положительный тау-лептон: τ + |
| Электронное антинейтрино: ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}} | Мюоное антинейтрино: ν ¯ μ {\displaystyle {\bar {\nu }}_{\mu }} | Тау-антинейтрино: ν ¯ τ {\displaystyle {\bar {\nu }}_{\tau }} |
| u -антикварк: u ¯ {\displaystyle {\bar {u}}} | c -антикварк: c ¯ {\displaystyle {\bar {c}}} | t -антикварк: t ¯ {\displaystyle {\bar {t}}} |
| d -антикварк: d ¯ {\displaystyle {\bar {d}}} | s -антикварк: s ¯ {\displaystyle {\bar {s}}} | b -антикварк: b ¯ {\displaystyle {\bar {b}}} |
Кварки
Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии - это объясняется явлением