Tema centrală este că sarcina electrică este cuantificată, conservată și se manifestă atât la nivel microscopic, cât și macroscopic prin distribuții și interacțiuni în câmpuri electromagnetice. În continuare, sunt prezentate idei fundamentale despre sarcina nucleară, sarcina norului de electroni și evoluția înțelegii structurii atomice, pe baza textului furnizat.
1. Conceptul de sarcină electrică și cuantificarea sa
Sarcina este cuantificată. Aceasta înseamnă că sarcina electrică vine în cantități discrete și că există o cantitate cât mai mică de sarcină pe care o poate avea un obiect. În sistemul SI, această cantitate cea mai mică este e ≡ 1,602 × 10−19. Nicio particulă liberă nu poate avea o sarcină mai mică decât aceasta și, prin urmare, sarcina oricărui obiect - sarcina tuturor obiectelor - trebuie să fie un multiplu întreg al acestei cantități. Mărimea sarcinii este independentă de tip. Exprimat în alt mod, cea mai mică sarcină pozitivă posibilă (la patru cifre semnificative) este +1,602 × 10−19 C, iar cea mai mică sarcină negativă posibilă este -1,602 × 10−19 C; aceste valori sunt exact egale. Sarcina este conservată. Sarcina nu poate fi nici creată, nici distrusă; ea poate fi transferată doar din loc în loc, de la un obiect la altul. Frecvent, vorbim de două sarcini de „care se anulează”; aceasta este expresia verbală. Înseamnă că dacă două obiecte care au sarcini egale și opuse sunt fizic aproape una de cealaltă, atunci forțele (direcționate opus) pe care le aplică asupra unui alt obiect încărcat se anulează, pentru o forță netă zero.
Sămânța unei imagini despre cât de multă înțelegere ne ajută această proprietate
Este important să înțelegeți că sarcinile de pe obiecte nu dispar în niciun caz. Sarcina este conservată în sisteme închise. În principiu, dacă o sarcină negativă ar dispărea de pe bancul de laborator și ar reapărea pe Lună, conservarea sarcinii ar rămâne în continuare. Cu toate acestea, acest lucru nu se întâmplă niciodată. Dacă sarcina totală pe care o aveți în sistemul local de pe bancul de laborator se modifică, va exista un flux măsurabil de sarcini în sau în afara sistemului. Din nou, sarcinile se pot muta și se mișcă, iar efectele lor se pot anula și se anulează, dar sarcina netă din mediul dvs. local (dacă este închis) este conservată.
2. Structura atomică: de la electroni la nucleu
Odată ce a devenit clar că toată materia era compusă din particule care au ajuns să fie numite atomi, a devenit rapid clar și că constituenții atomului includ atât particule încărcate pozitiv, cât și particule încărcate negativ. Particula încărcată negativ a fost prima care a fost descoperită. În 1897, fizicianul englez J. J. Thomson studia raze catodice. Fiindcă razele respective purtau sarcină negativă, s-a devenit că ele nu sunt doar raze, ci particule. Thomson a pregătit un fascicul pur al acestor particule și l-a trimis prin câmpuri electrice și magnetice încrucișate și a ajustat intensitățile câmpului până când deformarea netă a fasciculului a fost zero. Cu acest experiment, el a putut determina raportul sarcină-masă al particulei, care era mult mai mică decât a oricărei alte particule cunoscute anterior (1837 de ori mai mică).
În 1908, Ernest Rutherford a arătat că sarcinile pozitive ale atomului existau într-un nucleu minuscul - nucleu - care ocupa doar o foarte mică parte din volumul total al atomului, dar deținea peste 99% din masă. Electronii încărcați negativ orbitau permanent în jurul acestui nucleu, formând un nor înconjurător. Modelul simplificat al atomului de hidrogen prezintă un nucleu încărcat pozitiv (conțrând dintr-un proton) înconjurat de un „nor” de electroni. Sarcina norului de electroni este egală (și opusă ca semn) cu sarcina nucleului, dar electronul nu are o locație definită în spațiu; de aceea, reprezentarea este ca un nor. Acest tablou a ajutat la înțelegerea distribuției încărcărilor într-un atom neutru.
Consecințe despre masă, protoni, neutroni și distribuția sarcinilor
Deoarece se știa că diferiți atomi au mase diferite și că atomii sunt neutri din punct de vedere electric, era firesc să presupunem că numărul de protoni în nucleul fiecărui atom este diferit, iar numărul de electroni este egal cu numărul de protoni. În 1932 James Chadwick a descoperit neutronul, un geamăn neutru din punct de vedere electric al protonului, dar cu masă aproape identică. Prin urmare, nucleul include protoni și neutroni; neutronul are masa aproape identică cu masa protonului, dar nu are sarcină electrică. Aceasta explică de ce nucleul poate fi compus din protoni (+) și neutroni neutri, în timp ce electronii (-) formează norul negativ în jurul nucleului. În atomii neutri, sarcina totală a electronilor este egală cu sarcina totală a nucleului.
Electronii cu masă foarte mică pot fi îndepărtați sau adăugați, modificând sarcina netă a atomului (fără a-i schimba tipul). Un atom care a avut sarcina modificată în acest fel se numește ion. Electronii dintr-un ion pozitiv au fost îndepărtați, în timp ce în cazul ionilor negativi li s-au adăugat electroni în exces. Figura 5.8 (o reprezentare a nucleului cu șase protoni și șase neutroni) ilustrează nucleul unui carbon ca exemplu.
3. Particulele subatomice și distribuția sarcinilor în cadrul atomului
Povestea atomului nu se oprește aici: în ultima parte a secolului XX s-au descoperit multe fonduri: pioni, neutrini, quarci etc. Sarcina electrică este o proprietate a obiectelor, similară cu masa sau densitatea, exprimată ca multiplu al sarcinii elementare e, cu valoarea 1,602·10−19 C. Există două tipuri de sarcină: pozitivă (+) și negativă (-), iar aceste două sarcini de aceeași magnitudine se resping, în timp ce cele de semne opuse se atrag. În mod obișnuit, se vorbește despre o sarcină ce poate fi asociată unei particule sau unui obiect, deși în practică termenul se referă la proprietatea particulei. Sarcina electrică a unui obiect macroscopic este suma sarcinilor electrice ale componentelor sale; în multe cazuri, netul este zero deoarece numărul de electroni este egal cu numărul de protoni. Situațiile în care sarcina netă este nenulă se numesc electricitate statică. În plus, chiar și atunci când sarcina netă este zero, distribuția ei poate fi inegală, iar materialul poate fi polarizat; sarcinile legate rezultă din polarizare, în timp ce sarcinile aduse din exterior se numesc sarcini libere. O mișcare ordonată a particulelor încărcate într-o anumită direcție este curentul electric.
4. Relevanța conservării sarcinii în practică
O sarcină nu se pierde; conservarea sarcinilor (și a energiei asociate) este principiu fundamental. În sisteme închise, sarcina netă este constantă. Dacă un experiment modifică sarcina totală într-un sistem, există un flux măsurabil de sarcini în sau în afara sistemului, iar efectele lor pot anula sau compensa treptat, dar net, în mediul închis, rămâne constant.
5. Note despre terminologie și paradigma didactică
Este obișnuit să folosim exprimări ca „sarcină de 3 μC” sau „șase sarcini situate în vârfurile unui hexagon obișnuit”, deși o sarcină este, în esență, o proprietate a unei particule. Această terminologie este foarte comună în literatura de specialitate, precum în cartea University Physics (OpenStax) cu traducere de Nicolae Sfetcu. Textul subliniază diferența dintre sarcina elementară e și sarcina totală a unui obiect macroscopic; sarcina este cuantificată în unități Coulomb, iar sarcina elementară e reprezintă 1,602 × 10−19 C. De asemenea, se menționează că există o dublă componentă în structura atomică: nucleul încărcat pozitiv și norul de electroni care îl înconjoară, rezultând un atom, în stare neutră din punct de vedere electric, cu sarcini de semn opus în echilibru.
Care sunt diferitele modele atomice? Modelele Dalton, Rutherford, Bohr și Heisenberg
tags: #exerciti #cu #sarcina #nucleara #si #sarcina
Postări populare:
- Sănătatea Femeii cu Romgermed
- ghid complet pentru carucioare second hand
- Calciu, magneziu, zinc și seleniu în sarcină: cum să le optimizezi dozele zilnice
- Flanșele amortizoarelor și impactul lor asupra rulmentului de sarcină: simptome și soluții
- Ghid practic: alegerea nursery rhymes în limba engleză pentru dezvoltarea copiilor