"Физика (Базовый и углубленный уровни)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Открытие электрона, протона, нейтрона и позитрона показало, что атом не является неделимым. Эти частицы различаются зарядом, массой и ролью в веществе. Их существование устанавливали по отклонению пучков в электрическом и магнитном полях, а нейтрон — по ядерным реакциям и косвенным признакам. Знание свойств частиц необходимо для понимания строения ядра, радиоактивности, ядерных превращений и физики элементарных частиц.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрон — частица с отрицательным элементарным зарядом −e и очень малой массой. Его существование установили, наблюдая отклонение катодных лучей в электрическом и магнитном полях. Это показало, что одинаковые частицы входят в состав атомов разных веществ.
Протон — положительно заряженная частица с зарядом +e, входящая в состав атомного ядра. Ядро атома водорода представляет собой один протон. Поэтому протон можно считать главным носителем положительного заряда ядра.
Нейтрон — электрически нейтральная частица, масса которой близка к массе протона. Он находится в составе большинства атомных ядер и влияет на их массу и устойчивость. Отсутствие заряда не делает нейтрон невидимым: его обнаруживают по столкновениям и ядерным реакциям.
Позитрон — античастица электрона с такой же массой, но с положительным зарядом +e. В магнитном поле он отклоняется в сторону, противоположную электрону при одинаковых условиях. Это позволило отличить его от других положительно заряженных частиц.
Катодные лучи возникают при движении частиц от отрицательного электрода в разреженной трубке. Их отклонение к положительной пластине показало отрицательный заряд, а одинаковое поведение лучей при использовании разных материалов — общность этих частиц. Следовательно, электрон не является особенностью какого-то одного вещества, а входит в состав всех атомов.
В электрическом поле на заряженную частицу действует сила F = qE, поэтому направление отклонения показывает знак заряда. Магнитное поле меняет направление движения частицы, а при перпендикулярном влёте создаёт движение по окружности. По радиусу этой окружности находят отношение заряда к массе: |q|/m = v/(Br), сравнивая отклонение с известным электронным пучком.
После открытия протона стало ясно, что положительный заряд ядра объясняется не всей его массой. Масса ядер многих атомов значительно больше, чем могла бы дать сумма протонов, соответствующая заряду ядра. Поэтому предположили существование нейтральных частиц с массой, близкой к протонной.
Нейтрон обнаружили в опытах, где из бериллия под действием альфа-частиц возникало проникающее излучение. Оно не отклонялось электрическими полями, но выбивало из парафина быстрые протоны, значит, переносило энергию и сталкивалось с ядрами. Космические лучи также дали признаки новых частиц, в том числе позитрона.
Позитрон распознали по следу в камере, помещённой в магнитное поле: направление изгиба было противоположным электронному, а отношение заряда к массе совпадало по модулю. Значит, частица имела положительный заряд и электронную массу. Открытия показали, что атом имеет сложное строение, а исследование его компонентов стало основой физики элементарных частиц.
| Частица | Знак электрического заряда | Масса по сравнению с электроном | Год и способ открытия | Роль в строении вещества |
|---|---|---|---|---|
| Электрон | −e | 1 | 1897, исследование катодных лучей | Образует электронные оболочки атомов |
| Протон | +e | ≈1836 | 1919, ядерные превращения | Входит в состав атомного ядра |
| Нейтрон | 0 | ≈1839 | 1932, опыты с бериллием | Входит в состав ядер и влияет на их массу |
| Позитрон | +e | 1 | 1932, наблюдение космических лучей | Античастица электрона |
В таблице удобно сначала сравнить знак заряда и массу, а затем связать частицу со способом её открытия. Если частица заряжена, её можно искать по отклонению в полях; для нейтрона нужны столкновения и ядерные реакции. Год открытия помогает расположить события в исторической последовательности.
Частица имеет отрицательный элементарный заряд и массу примерно в 1840 раз меньшую массы протона. Требуется определить частицу. Сравним оба признака с известными характеристиками.
Ответ: это электрон. Одновременное использование знака заряда и относительной массы исключает случайное совпадение с другой частицей.
Пучок заряженных частиц в магнитном поле отклоняется в сторону, противоположную электронному пучку. Нужно сделать вывод о знаке заряда. Предполагаем, что скорость, направление движения и магнитное поле для обоих пучков одинаковы.
Ответ: частицы имеют положительный заряд. Для полного определения частицы дополнительно измеряют массу или отношение заряда к массе.
Частица движется в магнитном поле по окружности радиуса r; известны её скорость v, заряд q и индукция поля B. Требуется найти массу и сравнить результат с массами электрона и протона. Поле должно быть перпендикулярно скорости, иначе траектория будет не чистой окружностью.
Ответ: масса определяется формулой m = |q|Br/v. Если результат не совпал с этими двумя значениями, частица может быть другой; знак её заряда по радиусу без знания направления силы не устанавливают.
Считать атом неделимым только потому, что он электрически нейтрален, — ошибка. Нейтральность означает компенсацию отрицательных зарядов электронов положительными зарядами протонов. Проверка: мысленно сложите заряды всех частиц атома.
Нейтрон часто путают с нейтральным атомом. Нейтрон — одна частица ядра без заряда, а нейтральный атом содержит ядро и электроны. Проверка: спросите, есть ли у рассматриваемого объекта электронная оболочка.
Позитрон нельзя считать протоном из-за одинакового положительного заряда. Позитрон имеет электронную массу и является античастицей электрона, тогда как протон примерно в 1836 раз тяжелее. Сравнивайте не только знак заряда, но и массу.
Сам факт отклонения пучка не сообщает знак заряда. Нужно учитывать направление электрического или магнитного поля, направление движения и выбранное правило определения силы. Проверка: сначала изобразите эти направления, а затем делайте вывод.
До изучения темы нужны представления о строении атома, электрическом заряде и действии полей на заряженную частицу. Новые частицы помогают понять атомное ядро, радиоактивность и ядерные реакции. Далее эти знания ведут к изучению античастиц, кварков, лептонов и Стандартной модели.
Почему электрон удалось обнаружить раньше протона и нейтрона?
Электрон легко образуется в разреженном газе и заметно отклоняется электрическим и магнитным полями из-за малого отношения массы к заряду. Протон связан с атомными ядрами, а нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому их обнаружение потребовало ядерных экспериментов.
Как по отклонению пучка определить знак заряда частицы?
В электрическом поле положительный и отрицательный заряды отклоняются в противоположные стороны: положительный — по направлению поля, отрицательный — против него. В магнитном поле знак определяют, сравнивая направление отклонения с направлением, рассчитанным по правилу левой руки или по известному электронному пучку.
Почему нейтрон нельзя обнаружить по отклонению в электрическом поле?
Нейтрон электрически нейтрален, поэтому сила F = qE на него не действует. Его обнаруживают по столкновениям с ядрами и по ядерным реакциям, в которых он передаёт веществу энергию.
Чем позитрон отличается от протона, если оба имеют положительный заряд?
Позитрон имеет массу, равную массе электрона, а протон примерно в 1836 раз тяжелее. Позитрон является античастицей электрона и при встрече с ним может аннигилировать, тогда как протон — составная частица атомного ядра.
Почему открытие новых частиц изменило модель строения атома?
Оказалось, что атом состоит из более мелких объектов: электронов и ядра, включающего протоны и нейтроны. Это привело к развитию ядерной физики и поиску других частиц, из которых устроены или с которыми взаимодействуют известные частицы.
1. Открытие новых частиц
