Что является источником электрического поля внутри атома

Что является источником электрического поля

Любой положительный или отрицательный заряд создает вокруг себя электрическое поле. Следовательно, источником стационарного электрического поля является неподвижный заряд. Параметры такого поля можно рассчитать, используя закон Кулона. Электродинамика рассматривает также и движущиеся заряды. В этом случае наряду с электрическим возникает еще магнитное поле. Все взаимодействия в электромагнитном поле описывают уравнения Максвелла.

Условия образования электрополя

Виды источников электроэнергии

Учитывая способ преобразования энергии, можно выделить несколько видов источников тока. Они используют разные принципы, что отражается на сфере применения и особенностях работы.

Виды источников тока

Механический источник тока

Установки, которые преобразуют механическую энергию в электрическую, появились у людей раньше других. К первой модели относится электрофорная машина. Ее работа основана на явлении электромагнитной индукции. Сама установка состоит из пары дисков. Они размещены параллельно друг другу. Фольга, которой покрыты участки дисков, служит в качестве проводника. На небольших пластинках накапливается заряд. Первоначально он небольшой, но диски вращаются в противоположных направлениях, что приводит к росту потенциалов.

Электрофорная машина

Электрофорная машина отлично подходит для демонстрации, поэтому часто встречается в учебных заведениях. Иногда подобные приборы применяют для устранения индукционных зарядов на поверхности жидкостей. В реальной жизни чаще используют генераторы. Они способны как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и наоборот. Этим явление можно воспользоваться, чтобы получить необходимое напряжение.

По типу различают генераторы постоянного и переменного тока. Последние, в свою очередь, делятся на однофазные и трехфазные. Топливом служит бензин, газ или дизель. Сгорая топливо приводит в движение коленчатый вал. Также внутри находится магнит и замкнутый проводящий контур. В иных случаях электродвигатель может состоять только из обмоток. Вращение одного из элементов и ведет к появлению тока в контуре за счет изменения его положения в магнитном поле. Такие источники для создания электрического поля можно встретить в быту и на предприятиях. Часто бензиновые генераторы устанавливают в домах или больницах для применения при перебоях в поставках электроэнергии.

Электромеханический генератор

Электромеханические преобразователи можно разделить на емкостные и индуктивные. Также существуют пьезоэлектрические преобразователи. Они применяются в зажигалках, излучателях ультразвука, датчиках и прочих устройствах. Грани кристалла при сжатии могут скапливать заряд, что называют прямым пьезоэффектом.

Тепловой источник тока

Преобразование внутренней энергии в электрическую используется в различных датчиках. В качестве примера можно назвать термопару. Ее конструкция проста: две проволоки, материалами для которых служат разные металлы, спаивают с одного конца. Ко второму концу каждого из проводников можно подключить клеммы измерительного прибора. Тогда при нагревании спаянного конца можно зафиксировать разницу потенциалов.

Схема термопары

Термоэлектрический эффект часто применяется в бытовых приборах. Он позволяет автоматически регулировать нагрев утюгов, паяльников и радиаторов. Также термопары распространены в промышленном оборудовании. От характеристик металла зависит температура, при которой можно эксплуатировать датчик. Например, термопара, состоящая из хромеля и алюмеля, подойдет для работы в диапазоне от -200 до +1300 градусов по Цельсию.

По типу спайки термопары делят на три категории: с изолированным, неизолированным и открытым наконечником. Первый вариант устойчив к воздействию среды. Последний же обладает лучшим временем отклика.

Химический источник тока

Если электрическая энергия выделяется в результате какой-либо химической реакции, то говорят о химических источниках тока. Их делят на три категории:

• гальванические элементы, реакция внутри которых необратима;
• аккумуляторы похожи на предыдущий тип, но могут использоваться неоднократно;
• топливные элементы подходят для длительной работы: вещества для реакции поступают постоянно, а отработанная часть своевременно удаляется из камеры.

Внутри химического источника ЭДС находятся катод, анод и электролит.

Устройство химического ИТ

Для химических элементов характерен эффект саморазряда. Оставленная без нагрузки батарейка постепенно будет терять энергию. Тот же эффект ярко выражен и у аккумуляторов.

Химический источник тока в быту встречается в формате батареек. Существует множество их моделей определенной формы и с заданным напряжением на клеммах. Они могут применяться в градусниках, часах, пультах и прочих приборах.

Аккумулятор

Особенность аккумуляторов состоит в том, что в отличие от простого химического источника их можно перезаряжать. По составу их делят на:

• Литий-ионные. Такой вариант встречается в большинстве мобильных гаджетов. Аккумулятор не требует обслуживания, обладает высокой токоотдачей и низким саморазрядом. Он выдерживает более 1000 циклов заряда-разряда.
• Щелочные. NiCd и NiMh могут применять для питания портативных приборов. По сравнению с Li-ion неплохо выдерживают отрицательные температуры.
• Свинцово-кислотные. За счет невысокой цены получили широкое распространение в разных сферах. Используются там, где нет жестких требований к размерам, например, в автомобилях. Они выдерживают более 500 циклов (в некоторых случаях до нескольких тысяч).

Аккумуляторы встречаются в автомобилях, пылесосах, смартфонах и прочих повседневно используемых устройствах. От типа аккумулятора зависит уровень саморазряда, способность сохранять емкость при различных температурах и прочие особенности.

Аккумулятор

Световой источник тока

Некоторые источники могут создавать электрическое поле под воздействием светового потока. Такое явление называется фотоэлектронной эмиссии. Переняв энергию от фотона, некоторые атомы могут «терять» электроны, что и приводит к появлению тока в цепи. Примером являются солнечные батареи.

Солнечные батареи

Вариант получения энергии с помощью солнечных батарей считается экологичным, поэтому применяется во многих странах. Панели, размещенные на крышах зданий, позволяют покрыть часть потребностей в энергии и, соответственно, снизить нагрузку на городскую сеть. Работа солнечных батарей зависит от особенностей климата. Ночью такой вариант применить не получится.

Что является источником электрического поля внутри атома

В XIX веке английский учёный Майкл Фарадей выдвинул гипотезу, что электрическое и магнитное взаимодействия осуществляются посредством особой среды между ними, поля. Любой заряд `q` изменяет свойства пространства вокруг себя – создаёт вокруг себя поле, а уже это поле действует на другие заряды. Развитие науки и техники показало чрезвычайную плодотворность концепции поля. Вся теория электромагнитных явлений со всеми её приложениями существенным образом основывается на концепции поля. По мнению Эйнштейна, идея поля была самым важным открытием со времён Ньютона.

Идея электрического поля большинству людей кажется некоей абстрактной теоретической концепцией, поскольку электрическое поле (в отличие от поля магнитов) в обыденной жизни, в быту невозможно «почувствовать рукой». К вопросу о том, почему это так, мы вернёмся позже. Пока же обратимся к количественному описанию электростатического поля.

Если в поле точечного заряда `q` поместить на расстоянии `r` пробный точечный заряд `q_1`, то на этот заряд будет действовать сила `|vecF_1|=1/(4pi epsilon_0) (|q||q_1|)/(r^2)`. Если в ту же точку поместить другой пробный заряд `q_2`, то на него заряд со стороны заряда `q` будет действовать другая сила `|vecF_2|=1/(4pi epsilon_0) (|q||q_2|)/(r^2)`. Существенно, однако, что отношение силы, действующей на пробный заряд, к его заряду, `(vecF_1)/(q_1)=(vecF_2)/(q_2)`, останется одним и тем же и будет характеристикой не пробных зарядов, но исходного заряда `q` и местоположения `vecr` точки `A`, в которую мы помещали пробные заряды (см. рис. 1). Эта характеристика называется напряжённостью электрического поля точечного заряда `q` в точке `A`. Напряжённость поля есть векторная величина. Её модуль равен

`|vecE|=1/(4pi epsilon_0) (|q|)/(r^2)`. (1.3.1)

Если заряд `q` положительный, то вектор `vecE` в точке `A` направлен в сторону от заряда вдоль прямой, соединяющей точечный заряд `q` и точку `A`; если же заряд `q` отрицательный, то вектор `vecE` в точке `A` направлен в сторону к заряду вдоль той же прямой.

Удобным способом учёта векторного характера величины `vecE` и знака заряда `q` является следующий. Пусть `vecr` — вектор, проведённый из точки, в которой расположен заряд `q`, в точку `A`, `|vecr|=r` — длина этого вектора (расстояние между точечным зарядом `q` и точкой `A`). Введём формальный единичный вектор вдоль направления `vecr`, `vece=(vecr)/r`, так что `|vece|=(|vecr|)/r=1` (это не `1` метр!). Тогда вектор напряжённости электрического поля точечного заряда `q` в точке, характеризуемой вектором `vecr`, можно представить в виде

`vecE=1/(4pi epsilon_0) q/(r^2) vece`. (1.3.1′)

Формулу (1.3.1.) иногда записывают в виде `|vecE|=1/(4pi epsilon_0) (|q|*(+1))/(r^2)`; при этом о напряжённости говорят как о силе, действующей со стороны заряда `q` на некий условный единичный положительный точечный заряд `(+1)` (не заряд в `+1` Кл!). Нужно, впрочем, помнить, что сила и напряжённость электрического поля имеют разную размерность. В системе СИ напряжённость электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м): `1`В/м `=1`Н/`1`Кл.

Принцип суперпозиции. Напряжённость есть векторная величина. Это означает, что если имеются два заряда `q_1` и `q_2` каждый из них в некоторой точке создаёт свои напряжённости поля `vecE_1` и `vecE_2`, то результирующая напряжённость (результирующая сила, действующая на единичный положительный заряд, со стороны обоих зарядов) будет равна векторной сумме

получаемой по правилу параллелограмма (рис. 2) или треугольника.

Аналогично, в случае `N` зарядов:

`vecE=vecE_1+vecE_2+. +vecE_N=sum_(k=1)^N vecE_k`, (1.3.3)

причём векторная сумма вычисляется по правилу многоугольника (либо последовательно несколько раз по правилу параллелограмма).

Введя понятие напряжённости электрического поля, мы каждой точке пространства около заряда `q` (или около системы зарядов) приписываем некоторый вектор `vecE=1/(4pi epsilon_0) q/(r^2)vece` (в случае системы зарядов нужно ещё вычислить сумму (1.3.3.)), который, в конце концов, позволяет вычислять по формуле `vecF=q^’vecE` силу, действующую на любой другой заряд `q^’`.

Расстояние между точечными зарядами `q_1=+1` нКл и `q_2=-2` нКл равно `d=13` см. Определить напряжённость результирующего электрического поля обоих зарядов в точке, расположенной на расстоянии `r_1=5` см от первого и `r_2=12` см от второго заряда.

Легко заметить, что `r_1^2+r_2^2=d^2`, т. е. треугольник, образованный зарядами и интересующей нас точкой, прямоугольный. Поэтому напряжённости, создаваемые в этой точке отдельными зарядами, перпендикулярны друг другу (рис. 3). Далее, по теореме Пифагора

`E=sqrt(E_1^2+E_2^2)`, где `E_1=1/(4pi epsilon_0) (q_1)/(r_1^2)=3600` В/м и `E_2=1/(4pi epsilon_0) (|q_2|)/(r_2^2)=1250` В/м.

В итоге `E~~3811` В/м.

Электрическое поле равномерно заряженной сферы. Вне равномерно заряженной сферы электрическое поле точно такое же, какое создавал бы помещённый в центр сферы точечный заряд, равный по величине суммарному заряду сферы (рис. 4, а – б). Нетривиальный факт состоит в том, что внутри равномерно заряженной сферы напряжённость электрического поля равна нулю (см. `[2 – 3]`).

Если имеются две концентрические равномерно заряженные сферы, то за пределами обеих сфер поле такое же, какое создавали бы два точечных заряда, равные зарядам сфер и помещённые в их общий центр. В области между сферами внешняя сфера не вносит вклада в напряжённость поля.

Вне равномерно заряженного по объёму шара электрическое поле точно такое же, какое создавал бы помещённый в центр шара точечный заряд, равный по величине суммарному заряду шара. Последнее легко понять: поле шара можно представить как результирующее поле множества тонких шаровых слоёв («сфер»). О том, каким будет поле внутри шара, см. Пример 8.

Оценить заряд Земли `Q`, если известно, что в среднем вблизи поверхности Земли существует статическое электрическое поле, направленное вниз перпендикулярно поверхности Земли в каждой её точке, напряжённость которого равна `E~~130` В/м. Радиус Земли `R~~6370` км.

Напряжённость электрического поля направлена вниз перпендикулярно поверхности Земли, т. е., к центру Земли. Отсюда можно сделать вывод, что заряд Земли отрицателен. По формуле (1.3.1).

`|Q|=4pi epsilon_0ER^2=(130*(6,37*10^6)^2)/(9*10^9)~~5,9*10^5` Кл, т. е. `~~600` тысяч кулон.

Хотя атмосфера Земли обладает положительным электрическим зарядом, она не вносит вклада в напряжённость электрического поля на поверхности Земли (каждый из её сферических слоёв даёт нулевой вклад в напряжённость поля). Напряжённость поля порядка `130` В/м есть среднее поле вблизи поверхности Земли. При приближении, например, грозовой тучи поле может возрасти в тысячи раз.

Какой максимальный заряд можно сообщить металлическому шарику радиусом `r=1` см, чтобы ещё не происходило пробоя воздуха. Пробойное поле сухого воздуха `E_»пр»~~3*10^6` В/м. (Если напряжённость электрического поля больше этого значения, происходит пробой воздуха – воздух начинает проводить электричество (возникает электрический ток) – и заряд стекает с заряженных тел на другие тела.)

По формуле (1.3.1) получаем `q_(max)=4pi epsilon_0E_»пр»r^2~~0,33*10^(-7)`Кл.

Оценить силу взаимодействия двух шариков радиусом `r=1` см, заряженных до максимально возможного заряда (чтобы ещё не происходило пробоя воздуха вблизи шариков) при расстоянии между центрами шариков `d=10` см. Пробойное поле сухого воздуха `E_»пр»~~3*10^6` В/м.

`f=1/(4pi epsilon_0) (q_(max)^2)/(d^2)=1/(4pi epsilon_0) ((4pi epsilon_0E_»пр»r^2)^2)/(d^2)=(4pi epsilon_0E_»пр»^2r^4)/(d^2)~~10^(-3)` H.

Мы получили весьма малую силу (сила тяжести, действующая на льдинку массой `1` г объёмом примерно в `1 «см»^3`, почти в `10` раз больше). Вот почему, хотя электрические силы обычно считаются большими, заметить их не всегда легко. Реально мы видим лишь электрическое притяжение друг к другу очень лёгких тел (например, листочков бумаги к наэлектризованной расчёске).

Пользуясь тем свойством, что внутри равномерно заряженной сферы напряжённость электрического поля равна нулю, найти напряжённость поля внутри равномерно по объёму заряженного шара радиусом `R` и зарядом `Q`. (К таким практически равномерно по объёму заряженным шарам можно с хорошей точностью отнести, например, атомные ядра.)

Найдём напряжённость поля в какой-нибудь точке `A` на расстоянии `r вне малого шара радиуса $$ r$$ не вносит вклада в напряжённость электрического поля в точке `A`.

Внутренняя область шара радиуса `r` создаёт в точке `A` электрическое поле точно такое же, какое создавал бы помещённый в центр шара точечный заряд, равный по величине суммарному заряду этого шара радиуса `r`. Этот заряд вычислим по формуле `q=(4pi)/3 r^3 rho`, где `rho` — объёмная плотность заряда, равная `rho=Q//((4pi)/3 R^3)`, поэтому `q=Q (r^3)/(R^3)`. Напряжённость поля, создаваемая точечным зарядом `q` на расстоянии `r`, найдём по формуле (1.3.1). В итоге получаем

`vecE(vecr)=1/(4pi epsilon_0) q/(r^2) vece=1/(4pi epsilon_0) Q/(R^3) r*vece = 1/(4pi epsilon_0) Q/(R^3)vecr`,

т. е. `|vecE(vecr)|=1/(4pi epsilon_0) Q/(R^3) r`

при `rR`, разумеется, `|vecE(vecr)|=1/(4pi epsilon_0) Q/(r^2)` — напряжённость поля шара такая же, как от точечного заряда `Q`.

Электрический диполь. Так называется система, состоящая из двух точечных зарядов равных по величине, но противоположных по знаку. Пусть заряды `q_1=-q` и `q_2=+q` в некоторой системе координат характеризуются радиус-векторами `vecr_1` и `vecr_2` (см. рис. 6). Дипольным моментом диполя называется векторная величина `vecp=q_1vecr_1+q_2vecr_2=q(vecr_2-vecr_1)=qvecl`, а величина `l=|vecl|=|vecr_2-vecr_1|` называется плечом диполя.

Два точечных заряда диполя `q_1=e` и `q_2=-e`, где `e=1,6*10^(-19)` Кл, расположены на расстоянии `l=10^(-10)` м друг от друга. Определить напряжённость электрического поля на расстоянии $$ R=10l>>l$$ от центра диполя в направлении оси диполя. Ответ выразить через дипольный момент диполя `p=el`.

`~~e/(4pi epsilon_0) (2Rl)/(R^4) =1/(4pi epsilon_0) (2el)/(R^3)=1/(4pi epsilon_0) (2p)/(R^3)~~2,88*10^8` В/м.

Рассмотрим более сложный пример использования принципа суперпозиции.

По тонкому кольцу радиусом `r` равномерно распределён заряд `q`. Найти напряжённость электрического поля на оси кольца в точке `A`, расположенной на расстоянии `R` от центра (рис. 7).

Напряжённость поля направлена, очевидно, вдоль линии, соединяющей точку `A` и центр кольца, т. е. перпендикулярна плоскости кольца. Рассмотрим малый элемент кольца с зарядом `Deltaq`, который будем рассматривать как точечный. Вклад от него в искомую напряжённость поля есть `DeltaE=k(Deltaq)/(R^2+r^2)cosalpha`, где `k=1//4pi epsilon_0`, `alpha` — угол, под которым из точки `A` виден радиус кольца, `cosalpha=R/(sqrt(R^2+r^2))`. Тогда `DeltaE=k(Deltaq)/((R^2+r^2)^(3//2))R`. Все различные элементы кольца `Deltaq` находятся на одинаковом расстоянии от точки `A`, поэтому вносят одинаковый вклад в результирующую напряжённость электрического поля в этой точке. Сумма вкладов от всех элементов кольца будет равна `E=1/(4pi epsilon_0) (R*q)/((R^2+r^2)^(3//2))`. Заметим, что в предельном случае больших расстояний до точки `A` (или малого радиуса кольца), когда выполняется сильное неравенство $$ R>>r$$ наша формула переходит в формулу `E~~1/(4pi epsilon_0) q/(R^2)` для точечного заряда.

Электрическое поле бесконечной равномерно заряженной плоскости

Вычисление поля в данном случае требует привлечения знаний высшей математики. Без сложных вычислений можно, однако, сделать два следующих утверждения, основываясь лишь на соображениях симметрии, а также на том факте, что густота линий напряжённости пропорциональна величине `vecE` (см. Учебник):

1) Электрическое поле бесконечной равномерно заряженной плоскости перпендикулярно плоскости (рис. 8). Дело в том, что перпендикуляр к плоскости – единственное выделенное направление в задаче. Если бы вектор `vecE` был направлен под некоторым углом `alpha` к плоскости, мы бы ещё спросили себя: «Чем это направление лучше, чем все другие прямые, имеющие тот же угол `alpha` с плоскостью, и направленные вдоль образующих конуса с углом `alpha` при вершине?» Ясно, что ничем не лучше: если плоскость бесконечная и заряжена одинаково во всех точках, то и любые направления вдоль неё эквивалентны друг другу.

2) Величина электрического поля бесконечной равномерно заряженной плоскости одинакова во всех точках пространства. В самом деле, все точки на плоскости, параллельной нашей заряженной плоскости, эквивалентны друг другу (снова вспоминаем, что наша плоскость бесконечная и заряжена одинаково во всех точках). Это означает, что при движении в плоскости, параллельной нашей равномерно заряженной плоскости, густота линий напряжённости электрического поля не изменяется. Но в силу перпендикулярности вектора `vecE` к плоскости во всех точках, эта густота линий не будет изменяться и при удалении от заряженной плоскости (вне плоскости нет зарядов, на которых могли бы закончиться «силовые» линии). Таким образом, густота линий напряжённости электрического поля будет одинаковой во всех точках пространства, независимо от расстояния до нашей заряженной плоскости. Это эквивалентно тому, что электрическое поле по обе стороны от бесконечной равномерно заряженной плоскости однородно, т. е. одинаково во всех точках обоих полупространств. Разумеется, по разные стороны от заряженной плоскости напряжённости поля направлены в противоположные стороны. В случае положительно заряженной плоскости вектор `vecE` в обоих полупространствах направлен от плоскости, а в случае отрицательно заряженной — к плоскости.

Величина вектора напряжённости `vecE` может быть вычислена по формуле

которую мы приведём без вывода, где `sigma=Deltaq//DeltaS` — поверхностная плотность заряда, `Deltaq` — заряд элемента поверхности площадью `DeltaS`.

Хотя в природе не существует бесконечных равномерно заряженных плоскостей, формула (1.3.4) с успехом используется для расчётов электрических полей заряженных тел в виде больших пластин или просто плоских объектов при небольшом удалении от центральной их части.

Электростатическое поле создаётся двумя бесконечными параллельными плоскостями, заряженными с поверхностными плотностями заряда `sigma_1=-1 «нКл»//»м»^2` и `sigma_2=+1 «нКл»//»м»^2`. Определить напряжённость электрического поля между плоскостями и снаружи.

`|sigma_1|=sigma_2-=sigma`, `|E_1|=|E_2|-=E=sigma//2 epsilon_0`. Далее воспользуемся принципом суперпозиции полей. Между плоскостями напряжённости полей отдельных пластин направлены в одну и ту же сторону (рис. 9), по этому результирующая напряжённость `E_(«in»)=2E=sigma//epsilon_0=113` В/м и направлена от положительной плоскости к отрицательной. Снаружи поля разных плоскостей направлены в противоположные стороны, поэтому результирующая напряжённость поля там `E_(ex)=0`.

Пользуясь принципом суперпозиции, доказать, что напряжённость электрического поля равномерно заряженной полусферической чаши во всех точках плоскости, стягивающей края чаши (как кожа на барабане), перпендикулярна этой плоскости.

Мысленно дополним полусферу ещё одной такой же полусферой так, чтобы получилась целая сфера. Напряжённость поля внутри равномерно заряженной сферы равна нулю. С другой стороны, эта напряжённость складывается из двух напряжённостей – исходной полусферы `vecE` и мысленно добавленной `vecE^’`. Таким образом, имеем равенство `vecE+vecE^’=0`, или `vecE=-vecE^’`. Последнее возможно только в том случае, если углы наклона векторов `vecE` и `vecE^’` к плоскости одинаковы, т. е. равны `90^@` (рис. 10).

Что является источником электрического поля

Электрическое поле – это, по сути, часть магнитного поля. Другими словами, если есть поле магнитное – будет и поле электрическое.

Откуда берется электрическое поле

Само название электрического поля говорит о том, что в предмете, имеющем такое поле, присутствует электричество, то есть определенный заряд энергии. Любое вещество состоит из заряженных элементарных частиц, таких как протоны, электроны и ионы – соответственно, каждая такая частица будет иметь электрическое и магнитное поле. Следовательно, источниками электрического поля являются в первую очередь предметы, подключенные к электричеству – то есть провода и электроприборы. Но не только они. Электрическое поле может появиться у многих предметов, если дать им электрический заряд.

Возможно ли увидеть электрическое поле

Ну как сказать… В прямом смысле увидеть поле, конечно же, невозможно. С другой стороны, при желании можно видеть воздействие электрического поля на предметы. Для этого предмету, который у нас будет выполнять роль наглядного пособия, нужно придать электрический заряд. Нет, в розетку мы сунуть ничего не будем, особенно в домашних условиях, иначе опыт наш будет довольно опасным. Безопасный и легкий для демонстрации пример используется в школьной программе по физике. Для этого предмет, не проводящий ток, нужно натереть, например, шерстью. Впрочем, собственная шевелюра тоже сгодится. После этого натертый нами предмет начнет притягивать к себе очень мелкие предметы – например, кусочки бумаги.

Другой способ, который Вы могли видеть и случайно – это Ваш свитер с некоторым содержанием шерсти. Снимая его в темноте, можно увидеть и даже ощутить руками небольшие проскакивающие искорки – Ваша одежда зарядилась от взаимодействия с Вашим телом.

Атом, строение, характеристики, свойства и применение

Открытие атома является одним из самых значимых событий в истории науки и технологий. Атом был открыт в середине XIX века благодаря работам таких ученых, как Антуан де Бройль, Эрнест Резерфорд, Нильс Бор и другие.

Первым открывателем атома был древнегреческим философ Демокрит (460 — 370 гг. до н.э.). В своей работе «О природе» он утверждал, что атомы являются причиной всех явлений в мире. Ученый также утверждал, что материя состоит из атомов, которые могут объединяться или разделяться, образуя различные комбинации.

В 1869 году английский физик Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свою теорию электромагнитных волн, которая описывала свет как поток частиц — фотонов. Это открытие стало первым шагом к пониманию того, что свет состоит из отдельных частиц, а не является непрерывной волной.

Однако, чтобы доказать существование атомов, потребовалось еще несколько десятилетий исследований и экспериментов. В 1909 году Эрнест Резерфорд и его коллеги провели эксперимент, который показал, что атомы состоят из более мелких частиц — протонов и нейтронов, и что они имеют положительный заряд.

Только в 1911 году Нильс Бор предложил свою модель атома, которая объяснила, как электроны могут вращаться вокруг ядра и как они могут испускать и поглощать свет. Эта модель стала основой для понимания структуры атома и его свойств.

Открытие атома стало одним из ключевых моментов в развитии науки и технологии. Оно позволило понять природу материи и света, а также создать новые материалы и технологии, которые используются сегодня во многих отраслях промышленности.

Характеристики атома

Масса атома

Масса атома (или атомная масса) — это физическая величина, характеризующая инертные свойства атома. Она определяет, насколько сильно атом сопротивляется изменению своей скорости или направления движения.

Атомная масса измеряется в единицах атомной массы, называемых а.е.м. (атомные единицы массы). Одна а.е.м. равна 1/12 массы атома углерода-12 (C).

Обычно атомная масса выражается целым числом, которое соответствует массе самого легкого атома данного элемента. Например, атомная масса углерода равна 12, а атома кислорода — 16.

Однако, в некоторых случаях атомы могут иметь массу, которая не соответствует целому числу а.е.м., например, у изотопов масса может отличаться от обычной атомной массы.

Электрический заряд атома

Электрический заряд атома — это фундаментальное свойство материи, которое определяет, как атом взаимодействует с другими атомами и электронами в своей системе. Электрический заряд атома является результатом движения электронов вокруг ядра и может быть измерен с помощью различных методов, таких как электроскоп или масс-спектрометр.

Электрический заряд атома обычно выражается в единицах элементарного заряда, который равен 1,6021766208(85) x 10^-19 Кл. Он может быть положительным или отрицательным и зависит от числа электронов, которые вращаются вокруг ядра. Положительный заряд атома означает, что вокруг ядра вращается больше электронов, чем вокруг ядра, а отрицательный заряд означает, что наоборот.

Атомный заряд зависит от его структуры и может изменяться в зависимости от состояния атома, например, при изменении атомной орбитали. Например, если атом находится в основном состоянии, то его заряд будет равен заряду ядра атома, но если атом находится во возбужденном состоянии, то заряд может измениться из-за перераспределения электронов.

Изменение электрического заряда атома может привести к различным физическим эффектам, таким как электромагнитное взаимодействие между атомами, ядерные реакции и другие. Знание о заряде атома является важным для понимания многих физических явлений, связанных с атомом, и имеет практическое применение в химии, физике, медицине и других областях науки.

Размеры атома

Размеры атомов зависят от многих факторов, включая их химический состав и состояние. В общем случае, атомы состоят из ядра, которое содержит протоны и нейтроны, а также электронных оболочек, которые окружают ядро.

Размеры атомов можно оценить, используя понятие радиуса Бора, который определяется как расстояние от центра атома до его электронной оболочки. Для большинства атомов радиус Бора составляет около 1-2 ангстрем (10 на минус десятой степени метров), но для атомов с большим количеством электронов радиус может быть больше.

Кроме того, размеры атомов также зависят от их формы и структуры. Например, атомы в молекулах могут иметь более сложную структуру, чем атомы в газах или жидкостях.

Энергия связи атома

Энергия связи атома — это энергия, необходимая для разделения атомов на их составные части. Она определяется как разница между энергией системы до и после разделения атомов.

Энергия связи атома зависит от типа атома и его структуры. Например, у легких атомов, таких как водород, энергия связи низкая, потому что электроны находятся близко друг к другу и обладают высокой кинетической энергией. У более тяжелых атомов, таких как уран, энергия связи выше, потому что электронные оболочки расположены дальше друг от друга и электроны обладают меньшей кинетической энергией.

Для расчета энергии связи используют различные модели, например, модель Хартри-Фока или метод теории функционала плотности. Эти модели учитывают электронные и ядерные взаимодействия, а также спин-спиновое взаимодействие.

Магнитный момент атома

Магнитный момент ядра атома определяется его спином и магнитным моментом протона. Спин протона равен 1/2, а магнитный момент протона составляет примерно 2,79 × 10^−29 Дж/Т (ядерный магнетон). Таким образом, магнитный момент ядра определяется как сумма магнитных моментов всех протонов, входящих в состав ядра.

Для ядра атома с массовым числом A и зарядом Z магнитный момент равен:

μ = (Z / A) * 2.79 × 10^(−29) Дж / Т

• где Z — число протонов в ядре,
• A — массовое число ядра, равное числу протонов плюс число нейтронов.

Например, для ядра азота с массовым числом 14 и зарядом 7 магнитный момент будет равен:

μ(N) = (7 / 14) * 2.79 * 10^(-29) = 1.23 * 10^(-28) Дж/Т

Магнитные моменты всех атомов в веществе складываются, образуя общий магнитный момент вещества.

Периодическая система элементов атома

Периодическая система элементов — это таблица, в которой элементы расположены в порядке возрастания атомного номера. Она была создана в 19 веке Дмитрием Менделеевым и с тех пор является одним из самых важных инструментов в химии и физике.

Периодическая система содержит 118 элементов, которые разделены на 7 периодов и 8 групп. Каждый период соответствует определенному числу электронов на внешнем уровне элемента. Например, первый период содержит элементы с одним электроном на внешнем уровне, второй период — элементы с двумя электронами на внешнем уровне и т.д.

Каждый элемент в периодической системе имеет свой символ, название и атомный номер. Атомный номер — это число протонов в ядре атома элемента. Элементы в периодической системе расположены в порядке увеличения атомного номера, начиная с водорода (атомный номер 1) и заканчивая ураном (атомный номер 92).

Свойства элементов в периодической таблице зависят от их атомного номера и электронного строения. Элементы с одинаковым атомным номером имеют похожие свойства, например, все элементы с атомным номером 16 имеют одинаковую валентность и образуют соединения с одинаковыми свойствами. Элементы с большим атомным номером обычно более реакционноспособны и имеют более высокую температуру плавления и кипения.

В периодической таблице также можно найти информацию о свойствах элементов, таких как температура плавления, плотность, электроотрицательность, кислотно-основные свойства и другие. Эта информация может быть использована для предсказания свойств новых элементов и для разработки новых материалов и технологий.

Ядерная реакция атома

Ядерные реакции — это процессы, происходящие в атомном ядре, в результате которых происходит превращение одного ядра в другое. Они могут приводить к различным последствиям, таким как выделение энергии, образование новых химических элементов или излучение частиц.

Основные типы ядерных реакций:

• Деление ядер — это процесс, в результате которого большое ядро делится на два или несколько более мелких ядер. Этот процесс является основой работы ядерных реакторов и используется для получения энергии.
• Синтез ядер — это процесс образования новых более тяжелых элементов из легких ядер. Он происходит в звездах и используется для объяснения процесса образования химических элементов во Вселенной.
• Распад ядер — это обратный процесс деления ядер, который приводит к распаду более тяжелого ядра на два или несколько более легких ядер.
• Изотопный обмен — это процесс обмена нейтронами между двумя ядрами, в результате чего одно ядро превращается в другой изотоп того же элемента.
• Термоядерный синтез — это процесс синтеза легких ядер, таких как водород, гелий и литий, в более тяжелые ядра. Он происходит внутри звезд и используется для объяснения их эволюции и образования тяжелых элементов.

Период полураспада атома

Период полураспада — это время, за которое количество радиоактивного изотопа в образце уменьшается вдвое.

Для большинства радиоактивных изотопов период полураспада составляет несколько минут, часов или дней. Например, период полураспада радиоактивного йода-131 равен 8 дней, а период полураспада урана-238 — 4,5 миллиарда лет.

Период полураспада можно рассчитать по формуле:

• где T1/2 — период полураспада,
• λ — постоянная распада.

Постоянная распада — это скорость, с которой распадается радиоактивный изотоп. Она измеряется в секундах в минус первой степени (с-1).

Чтобы рассчитать период полураспада изотопа, нужно знать его постоянную распада. Если это не известно, можно использовать таблицы радиоактивного распада или обратиться к специалисту в области ядерной физики.

Строение атома

Строение атома — это структура, в которой электроны и протоны расположены в определенных энергетических уровнях. Атом состоит из ядра, содержащего протоны и нейтроны, и электронных оболочек, которые окружают ядро.

Протоны и нейтроны находятся в ядре атома, которое имеет положительный заряд, равный числу протонов в атоме. Нейтроны не имеют электрического заряда и не участвуют в химических реакциях. Электроны распределены по энергетическим уровням вокруг ядра и имеют отрицательный заряд, который компенсирует положительный заряд протонов.

Каждый электрон может находиться на определенном энергетическом уровне, который соответствует определенной энергии. Чем выше уровень, тем больше энергии требуется для удаления электрона из атома. Электроны на внешнем уровне могут легко удаляться из атома, что приводит к образованию ионов.

Электронная оболочка атома

Электронная оболочка имеет определенный порядок, который называется принципом заполнения электронных оболочек. Этот принцип гласит, что электроны заполняют орбиты по мере увеличения их энергии. Например, электроны на первой орбите имеют самую низкую энергию, поэтому они занимают эту орбиталь первыми. Затем электроны занимают вторую орбиталь, третью орбиталь и так далее, пока все орбиты не будут заполнены.

В каждом атоме есть определенное число электронов, которое называется числом электронов в атоме. Это число определяется атомным номером элемента и не может быть изменено. Например, в атоме водорода есть один электрон, в атоме углерода — шесть электронов, а в атоме золота — 79 электронов.

Распределение электронов в электронной оболочке атома также определяет его химические свойства. Например, элементы с заполненной электронной оболочкой обычно являются неактивными металлами, тогда как элементы с незаполненной электронной оболочкой могут быть активными металлами или неметаллами.

Свойства атома

Свойства ядра атома

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд и массу, равную примерно 1 атому массы. Нейтроны не имеют электрического заряда и массы, равной примерно 0 атому массы.

Количество протонов в ядре определяет атомный номер элемента. Например, у натрия (Na) в ядре содержится 11 протонов, а у хлора (Cl) — 17 протонов.

Ядро также содержит нейтроны, которые могут иметь различные массы и энергии. Массы нейтронов могут быть различными, но их средняя масса составляет около 1 атома массы. Энергия нейтронов может быть разной, от низкой до высокой.

Протоны и нейтроны взаимодействуют друг с другом и образуют ядро атома, которое имеет определенный заряд и массу. Ядро является центром атома и определяет его свойства, такие как заряд, массу и энергию.

Кроме того, ядро может делиться на части при определенных условиях, таких как ядерный синтез или ядерное деление. В результате деления образуются новые элементы и выделяется энергия.

Электромагнитное излучение атома

Атом состоит из ядра и электронов, которые вращаются вокруг него по определенным орбитам. Когда электрон находится на одной из этих орбит, он может излучать электромагнитные волны, создавая электромагнитное излучение атома.

Электромагнитное излучение может иметь различные частоты и длины волн, которые зависят от энергии электронов в атоме. Например, излучение с низкой энергией имеет более длинные волны и низкую частоту, а излучение с высокой энергией имеет короткие волны и высокую частоту.

Когда атом излучает электромагнитное излучение, его электроны переходят на более высокие орбиты, что приводит к уменьшению энергии. Это происходит через процесс, называемый «излучение», когда электрон теряет энергию и переходит на более высокую орбиту, испуская при этом фотон.

Излучение атома может быть использовано в различных областях науки и техники, таких как спектроскопия, радиолокация и ядерная физика. Оно также играет важную роль в медицине, так как позволяет диагностировать различные заболевания и состояния организма.

Магнитные свойства атома

Магнитные свойства атомов определяются их структурой и электронной оболочкой. Каждый атом обладает магнитным моментом, который возникает из-за движения электронов вокруг ядра. Магнитный момент атома зависит от его электронной конфигурации и может быть изменен путем изменения внешних условий, таких как давление или температура.

При помещении атома в магнитное поле происходит взаимодействие между магнитным моментом атома и магнитным полем. В результате атом приобретает дополнительный магнитный момент, который направлен по направлению магнитного поля. Этот эффект используется в магнитных материалах, таких как магниты и ферриты, для создания устройств, работающих на основе магнитного поля.

Кроме того, магнитные свойства атомов могут быть использованы для создания магнитных материалов, таких как ферриты и магниты. Эти материалы обладают уникальными свойствами, такими как высокая магнитная проницаемость и способность сохранять магнитное поле даже при отсутствии внешнего магнитного поля.

Радиоактивность атомов

Радиоактивность — это свойство некоторых атомов, которое заключается в том, что они самопроизвольно испускают частицы, такие как альфа-частицы, бета-частицы или гамма-кванты. Атомы, которые способны к радиоактивности, называются радиоактивными атомами.

Процесс радиоактивности происходит в результате ядерных реакций, когда ядро атома захватывает другой атом, изменяя свою структуру и превращаясь в другое ядро. В результате этого процесса высвобождаются разные виды частиц, такие как нейтроны, протоны или электроны.

Явление радиоактивности было открыто французским физиком Антуаном Анри Беккерелем в 1896 году. Он обнаружил, что соль урана (уранинит) испускает излучение, которое вызывает почернение фотографической бумаги. Это открытие стало одним из первых доказательств существования атомов и элементарных частиц.

Радиоактивность является естественным явлением, которое можно наблюдать в природе. Она используется в медицине для диагностики различных заболеваний и в промышленности для производства радиоактивных изотопов, которые используются в научных исследованиях и медицине.

Однако радиоактивность также может быть опасной для здоровья человека, если не соблюдаются меры предосторожности. Например, радиация может вызывать рак, генетические мутации и другие заболевания. Поэтому при работе с радиоактивными материалами необходимо соблюдать соответствующие правила безопасности.

Применение атома

Применение атома в ядерной физике

Атом можно использовать в ядерной физике для различных целей, таких как:

• Изучение строения и свойств атомных ядер. Атомные ядра состоят из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (нейтральных частиц). Изучение свойств атомных ядер позволяет понять, как работает ядерная энергия и как ее можно использовать для создания ядерного оружия или топлива для ядерных реакторов.
• Атом может быть использован для создания новых элементов путем ядерных реакций. Например, путем слияния атомов водорода и лития можно получить ядро гелия, которое затем может превратиться в ядро бериллия при добавлении еще одного протона.
• Исследование радиоактивности. Атомный распад и радиоактивность являются важными темами в ядерной физике. Изучение радиоактивных элементов и процессов позволяет понять, как происходят ядерные реакции и как можно использовать радиоактивные элементы в медицине или науке.
• Разработка ядерного оружия. Атомное оружие является одним из наиболее опасных видов оружия массового уничтожения. Изучение свойств атомного ядра и ядерных реакций позволяет разработать новые типы ядерного оружия и улучшить существующие.
• Производство энергии. Ядерная энергия является одним из самых эффективных источников энергии. Использование ядерных реакторов для производства электроэнергии является важным шагом в развитии энергетики.

Применение атома в медицине

Атомные технологии и медицина тесно связаны между собой. Ядерные реакции, используемые для производства медицинских препаратов, помогают разрабатывать новые лекарства от многих заболеваний, включая рак, болезни сердца, диабет и другие.

Применение атомов в медицине может включать следующие аспекты:

• Радиотерапия. Ядерная энергия используется для лечения раковых опухолей. Атомная технология позволяет направить лучи на конкретную область тела, избегая при этом повреждения здоровых тканей.
• Производство лекарств. Ядерное деление используется для производства различных лекарств, таких как инсулин, гормональные препараты, антибиотики и другие. Это позволяет получить более эффективные и безопасные лекарства.
• Диагностика. Атомы используются для создания диагностических инструментов, таких как ПЭТ-сканеры и МРТ-томографы. Эти устройства позволяют получить точную информацию о состоянии организма и выявить заболевания на ранних стадиях.
• Биологические исследования. Ядерные технологии также используются для изучения биологических процессов и разработки новых методов лечения. Например, ядерные реакторы позволяют изучать механизмы роста и развития клеток, а также создавать новые биологические материалы.
• Радиационная защита. Атомные объекты также используются для разработки средств защиты от радиации, таких как специальные костюмы и защитные экраны. Это помогает защитить людей от вредных последствий облучения.

В целом, атомная энергия может быть использована для улучшения качества жизни людей и повышения эффективности медицинских процедур.

Применение атома в энергетике

Атомная энергетика — это использование атомной энергии для производства электроэнергии. Атомные электростанции используют ядерный реактор для преобразования ядерного топлива в тепловую энергию, которая затем преобразуется в механическую энергию турбиной и генератором.

Преимущества атомной энергетики:

• Высокая мощность и эффективность: атомные электростанции могут производить большое количество электроэнергии, что делает их идеальными для обеспечения электроэнергией крупных городов и промышленных зон.
• Низкая стоимость: эксплуатация атомных электростанций обходится дешевле, чем других видов энергетики, благодаря более низким затратам на топливо, персонал и обслуживание.
• Безопасность: атомные станции спроектированы таким образом, чтобы минимизировать риск аварий и катастроф.

Недостатки атомной энергетики:

• Радиоактивность: некоторые виды ядерных отходов могут быть радиоактивными и требуют специальных мер для их хранения и утилизации.
• Риск аварий: несмотря на то, что атомные электростанции спроектированы с учетом безопасности, аварии все же могут произойти. В случае аварии на атомной электростанции может возникнуть серьезная радиационная опасность для окружающей среды и населения.
• Ограничения по месту: атомная энергетика ограничена географически, так как для ее работы требуется наличие радиоактивных материалов, которые сложно найти в некоторых регионах.

В целом, атомная энергетика является важным источником энергии в мире, однако ее применение должно быть ограничено с учетом возможных рисков и опасностей.

Перспективы развития исследований в области атома

Развитие исследований в области атомов имеет большое значение для науки и технологии, так как атомы являются основой для многих процессов и явлений в природе и обществе. Ниже приведены некоторые из перспектив развития исследований в этой области:

• Изучение свойств атомов и их взаимодействие друг с другом. Это позволит лучше понимать природу материи и ее свойства, а также создавать новые материалы с уникальными свойствами.
• Разработка новых методов и технологий для управления атомами. Это может привести к созданию новых устройств, таких как квантовые компьютеры, которые могут работать на основе квантовых состояний атомов.
• Исследование процессов, происходящих внутри атомов, таких как ядерные реакции и процессы радиоактивности. Это поможет понять, как происходят ядерные процессы в природе, и разработать новые методы для использования ядерной энергии.
• Развитие новых методов для изучения структуры атомов и молекул. Это позволит создавать новые материалы и устройства с улучшенными свойствами.
• Изучение взаимодействия атомов с другими объектами, такими как свет, магнитные поля и электрические поля. Это может помочь создать новые методы диагностики и лечения заболеваний, а также разработать новые типы сенсоров и устройств.

В целом, исследования в области атома имеют огромный потенциал для развития науки и технологии в будущем.