§ 84. Электрический заряд и элементарные частицы

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел и частиц участвовать в электромагнитном взаимодействии. Заряд обозначают q, а его единица в СИ — кулон (Кл). Именно заряд помогает описывать, почему тела притягиваются или отталкиваются под действием электрических сил.

Элементарный электрический заряд — наименьшая порция заряда по модулю, обозначаемая e; e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Электрон имеет заряд −e, протон — +e. Значение e служит «шагом», из которого складывается заряд обычных тел.

Элементарные частицы — частицы, которые, согласно современным представлениям, не имеют внутренней структуры. К частицам вещества относят, например, электроны и кварки, а переносчики взаимодействий обеспечивают передачу сил между частицами. Такое различие показывает, из чего состоит материя и как её части взаимодействуют.

Античастица — частица с той же массой, что и соответствующая ей частица, но с противоположным электрическим зарядом и некоторыми противоположными квантовыми характеристиками. Например, античастица электрона называется позитроном. Понятие античастицы нужно, чтобы описывать процессы рождения и превращения частиц.

Как это устроено

Существование двух знаков заряда отражает два типа электрического взаимодействия: одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Если бы знак заряда не различался, нельзя было бы описать такое противопоставление взаимодействий. Знак показывает не величину силы сам по себе, а то, как два заряда действуют друг на друга.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него. В ядре находятся протоны и нейтроны, причём нейтроны заряда не имеют; поэтому атом нейтрален, когда число протонов равно числу электронов. Если электронов стало больше, чем протонов, тело заряжено отрицательно, а если электронов меньше — положительно.

Заряд тела кратен элементарному заряду, потому что обычное тело содержит целое число электронов и протонов, а заряд каждой такой частицы равен −e или +e. Поэтому заряд записывают формулой q = Ne, где N — целое число со знаком. Для нейтрального тела суммарный заряд равен нулю, а для заряженного N показывает, на сколько элементарных зарядов отличается его заряд от нуля.

Закон сохранения электрического заряда означает, что в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов остаётся постоянной. При разделении тел заряды частей могут измениться, но их сумма равна исходному заряду системы. При соприкосновении заряд перераспределяется между телами, а при взаимодействии одни частицы могут передавать заряд другим; сам заряд не появляется из ничего и не исчезает.

К частицам вещества относят электроны и кварки. Электрон имеет отрицательный заряд и входит в состав атома; протон положительно заряжен, а нейтрон не имеет электрического заряда, и оба находятся в ядре. Протоны и нейтроны состоят из кварков, которые имеют дробные электрические заряды; в современной физике кварки считаются фундаментальными составляющими материи, но свободными не наблюдаются.

Электрический заряд и основные частицы

Сравнивая строки, можно увидеть, что электрон и позитрон имеют одинаковую массу, но противоположные заряды. Значения масс протона и нейтрона даны приблизительно относительно массы электрона. У кварков масса и заряд зависят от их типа.

Разбор задач

Задача 1. Тело приобрело заряд −3,2·10⁻¹⁹ Кл. Определить, сколько лишних электронов оказалось на теле.

1. Найдём число элементарных зарядов по модулю: N = |q|/e.
2. Подставим значения: N = 3,2·10⁻¹⁹/(1,6·10⁻¹⁹) = 2.
3. Отрицательный знак заряда означает, что телу не хватает положительного заряда относительно электронов, то есть на нём есть избыток электронов.

Ответ: на теле оказалось 2 лишних электрона. При подсчёте числа частиц берём модуль заряда, а его знак используем для определения того, какие частицы в избытке.

Задача 2. Два одинаковых металлических шарика имеют заряды +6e и −2e. Их соединили, а затем разъединили. Определить заряд каждого шарика.

1. Сложим начальные заряды: qобщ = +6e − 2e = +4e.
2. При соединении одинаковых проводящих шариков заряд может переходить с одного на другой, пока он не распределится поровну.
3. Разделим общий заряд между двумя одинаковыми шариками: q = +4e/2 = +2e.

Ответ: после разъединения заряд каждого шарика равен +2e. Проверка: сумма полученных зарядов (+2e) + (+2e) = +4e совпадает с исходной.

Задача 3. При ядерной реакции нейтральный атом испустил электрон. Как изменились заряд атома и суммарный заряд системы?

1. До реакции заряд нейтрального атома равен нулю, а испускаемый электрон имеет заряд −e.
2. После испускания электрона у атома остаётся заряд +e: суммарный заряд его оставшихся частиц больше на e.
3. Сложим заряды атома и электрона после реакции: +e + (−e) = 0. Это равно заряду системы до реакции.

Ответ: атом стал положительно заряженным на +e, а суммарный заряд системы не изменился и остался равен нулю.

Типичные ошибки

Считать, что при электризации заряд возникает из ничего, неверно: обычно электроны переходят с одного тела на другое или перераспределяются внутри тела. Такое заблуждение возникает, если следить только за зарядом одного предмета. Проверка простая: учтите все тела замкнутой системы и сравните сумму их зарядов до и после процесса.

Отрицательный заряд тела не означает, что в нём появились «отрицательные протоны»: протоны остаются положительными. Отрицательно заряженное тело обычно имеет избыток электронов. Чтобы проверить знак, сравните числа электронов и протонов: электронов больше — заряд отрицательный, меньше — положительный.

Запись q = Ne нельзя использовать так, будто N всегда просто положительное число, а знак заряда не важен. N задаёт число элементарных зарядов с учётом знака, а для подсчёта количества лишних или недостающих электронов берут |q|/e. После вычисления отдельно определите по знаку q, каких электронов избыток или недостаток.

Заряд отдельного тела может измениться при взаимодействии, поэтому неправильно требовать, чтобы он оставался прежним. Сохраняется алгебраическая сумма зарядов всей замкнутой системы. Если ответ нарушает это правило, проверьте, учли ли вы все тела и знаки их зарядов.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о строении атома и о том, какие заряды имеют электрон, протон и нейтрон. Единица заряда — кулон — понадобится при численных расчётах. Эти представления помогают объяснить электризацию тел, закон Кулона и свойства электрического поля.

Знание заряда необходимо и при расчётах в электрических цепях, где рассматривают перенос заряда. Представления о частицах вещества и их превращениях пригодятся в атомной и ядерной физике. Так свойства отдельных частиц связываются с явлениями, которые можно наблюдать у обычных тел.

Что запомнить

• Электрический заряд бывает положительным и отрицательным.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Единица электрического заряда в СИ — кулон.
• Модуль элементарного заряда равен e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл.
• Заряд тела кратен элементарному заряду: q = Ne.
• В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов сохраняется.
• Электрон имеет заряд −e, протон +e, нейтрон электрически нейтрален.