Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік
ЧАСТИНА II ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ
Розділ 4. ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА
§ 23. БУДОВА АТОМА. МЕХАНІЗМ ЕЛЕКТРИЗАЦІЇ ТІЛ. ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗАРЯДУ
1. Ядерна (планетарна) модель атома.
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
Вправа 23.
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.