Электрический заряд и элементарные частицы

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность частиц и тел участвовать в электромагнитном взаимодействии. Его обозначают буквой q и измеряют в кулонах (Кл). Заряд позволяет количественно описывать электрическое притяжение и отталкивание.

Элементарный электрический заряд — минимальная порция свободного электрического заряда, равная по модулю заряду электрона. Его обозначают e, причём e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Эта величина нужна как единица, через которую сравнивают заряды частиц и тел.

Элементарная частица — микрочастица, которую в рамках выбранной модели не считают состоящей из более мелких частиц. Современная физика различает фундаментальные частицы, например электроны и кварки, и составные частицы, например протоны и нейтроны. Такое различие помогает описывать строение вещества на разных уровнях.

Квантизация электрического заряда — существование заряда только дискретными порциями, кратными элементарному заряду. Для тела это записывают как q = Ne, где N — целое число, а знак учитывает избыток или недостаток электронов. Поэтому заряд нельзя выбирать совершенно произвольно.

Как это устроено

Положительный и отрицательный знаки заряда ввели как два противоположных типа электрического взаимодействия. Если знаки одинаковы, частицы отталкиваются, потому что их электрическое взаимодействие направлено на увеличение расстояния между ними. Разноимённые заряды притягиваются, поэтому знак позволяет заранее определить характер взаимодействия.

Главные носители заряда в обычном веществе — электрон и протон. Электрон имеет отрицательный заряд, протон — такой же по модулю положительный, а нейтрон в целом электрически нейтрален. Нейтрон не является «двумя зарядами сразу»: его внутреннее строение включает заряженные кварки, но их сумма равна нулю.

Заряд частицы выражается через e, потому что свободный заряд передаётся порциями. В обычном теле протоны связаны с ядрами и почти не переходят с одного тела на другое, а электроны могут перемещаться. Поэтому избыток N электронов даёт q = −Ne, а удаление N электронов создаёт заряд q = +Ne.

Закон сохранения электрического заряда означает, что в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов не меняется. При электризации электроны переходят с одного тела на другое или перераспределяются внутри тела. Одно тело тогда получает отрицательный заряд, другое — равный по модулю положительный, поэтому заряд не возникает из ничего.

Античастица имеет массу, равную массе соответствующей частицы, но противоположный электрический заряд и некоторые другие противоположные характеристики. Например, античастица электрона — позитрон — имеет заряд +e. При встрече частицы с античастицей возможна аннигиляция: исходные частицы исчезают как отдельные объекты, а их энергия и масса переходят в энергию других частиц, при этом законы сохранения выполняются.

Основные частицы и их электрический заряд

Таблица помогает сравнить знак и модуль заряда, массу и роль частиц. Для решения задач сначала находят нужную строку, а затем используют заряд частицы или его модуль e. У кварков заряды дробные, но свободными в обычных условиях они не наблюдаются.

Разбор задач

1. Избыток электронов

Тело содержит избыток N = 5·10¹² электронов. Каждый лишний электрон имеет заряд −e, поэтому тело должно быть заряжено отрицательно. Нужно найти суммарный заряд всех лишних электронов.

1. Записываем формулу: q = −Ne.
2. Подставляем значения: q = −5·10¹² · 1,6·10⁻¹⁹ Кл.
3. Умножаем числа и складываем степени десяти: q = −8·10⁻⁷ Кл.

Ответ: заряд тела равен −8·10⁻⁷ Кл. Минус появляется не из вычислительного правила, а потому, что в теле есть избыток электронов.

2. Распад нейтрона

При β-распаде нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино: n → p + e⁻ + ν̄. Требуется проверить именно сохранение электрического заряда, поэтому свойства массы и другие характеристики пока не рассматриваем. Антинейтрино электрически нейтрально.

1. До распада заряд нейтрона равен 0.
2. После распада сумма зарядов равна (+e) + (−e) + 0.
3. Складываем: +e − e = 0.

Ответ: заряд сохраняется, поскольку суммарный заряд продуктов распада равен заряду исходного нейтрона.

3. Соприкосновение шариков

Два одинаковых металлических шарика имеют заряды 6e и −2e. После соприкосновения заряд проводников перераспределяется, а для одинаковых шариков делится поровну. Сначала нельзя просто усреднять заряды: нужно учесть закон сохранения.

1. Находим общий заряд: qобщ = 6e − 2e = 4e.
2. Делим его между двумя одинаковыми шариками: q₁ = q₂ = 4e/2 = 2e.
3. Следовательно, каждый шарик получил заряд, содержащий две элементарные порции, то есть N = 2.

Ответ: заряд каждого шарика равен +2e, или 3,2·10⁻¹⁹ Кл; число элементарных зарядов на каждом шарике — 2.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что при электризации заряд создаётся. Так думают, когда видят появившийся заряд только на одном теле, но на самом деле электроны перешли с другого тела. Проверка: сравните сумму зарядов до и после процесса.

Ошибка 2. Путать знак электрона со знаком тела. Избыток электронов означает отрицательный заряд тела, а их недостаток — положительный. Проверка: выясните, электроны пришли на тело или ушли с него.

Ошибка 3. Записывать заряд как любое действительное число. Свободный заряд должен быть кратен e, поэтому после вычисления полезно проверить, получилось ли q/e целое число. Исключение связано с дробными зарядами кварков, которые не существуют свободно в обычных условиях.

Ошибка 4. Называть нейтрон одновременно положительной и отрицательной частицей. Внутри него действительно есть заряженные кварки, но суммарный заряд нейтрона равен нулю. Проверка: складывайте заряды составляющих, а не судите о частице по отдельной части.

Связь с другими темами

Перед изучением темы нужны представления о строении атома, электронах, протонах и нейтронах, а также о положительных и отрицательных числах. Полезно помнить единицу заряда — кулон — и понимать, что знак величины показывает её направление или тип взаимодействия.

Знание заряда необходимо для закона Кулона и изучения электрического поля. Оно также используется при объяснении поведения проводников и диэлектриков, электрического тока и строения атомного ядра.

Что запомнить

• Электрический заряд — мера участия частицы или тела в электромагнитном взаимодействии.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Заряд электрона равен −e, заряд протона равен +e.
• Заряд тела кратен элементарному заряду: q = Ne.
• В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов сохраняется.
• При электризации электроны переходят от одного тела к другому.
• Нейтральное тело может содержать заряженные частицы, но их суммарный заряд равен нулю.