Заряд протона

Определение и общие сведения о заряде протона

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Протоном называют стабильную частицу, принадлежащую классу адронов, являющуюся ядром атома водорода.

Ученые расходятся во мнении, какое и научных событий считать открытием протона. Важную роль в открытии протона сыграли:

создание Э. Резерфордом планетарной модели атома;
открытие изотопов Ф. Содди, Дж. Томсоном, Ф. Астоном;
наблюдения за поведением ядер атомов водорода при выбивании их альфа-частицами из ядер азота Э. Резерфордом.

Первые фотографии следов протона были получены П. Блэкеттом в камере Вильсона при исследовании процессов искусственного превращения элементов. Блэкетт исследовал процесс захвата альфа частиц ядрами азота. В этом процессе испускался протон и ядро азота превращалось в изотоп кислорода.

Протоны совместно с нейтронами входят в состав ядер всех химических элементов. Количество протонов в ядре определяет атомный номер элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.

Протон – это положительно заряженная частица. Ее заряд равен по модулю элементарному заряду, то есть величине заряда электрона. Заряд протона часто обозначают как $q_p$ , тогда можно записать, что:

$q_p=\left|q_e\right|=1,6\cdot {10}^{-19}Kl$

В настоящее время считают, что протон не является элементарной частицей. Он имеет сложную структуру и состоит из двух u- кварков и одного d – кварка. Электрический заряд u – кварка ( $q_u$ ) положительный и он равен

$q_u=\frac{2}{3}\left|q_e\right|\$

Электрический заряд d – кварка ( $q_d$ ) отрицательный и равен:

$q_d=\frac{1}{3}q_e\$

Кварки связывают обмен глюонами, которые являются квантами поля, они переносят сильное взаимодействие. То, что протоны имеют в своей структуре несколько точечных центров рассеяния подтверждено экспериментами по рассеянию электронов на протонах.

Протон имеет конечные размеры, о которых ученые до сих пор спорят. В настоящее время протон представляют как облако, которое имеет размытую границу. Такая граница состоит из постоянно возникающих и аннигилирующих виртуальных частиц. Но в большинстве простых задач протон, конечно можно считать точечным зарядом. Масса покоя протона ( $m_p$ ) примерно равна:

$m_p=1,6\cdot {10}^{-27}\ kg$

Масса протона в 1836 раз больше, чем масса электрона.

Протоны принимают участие во всех фундаментальных взаимодействиях: сильные взаимодействия объединяют протоны и нейтроны в ядра, электроны и протоны при помощи электромагнитных взаимодействий соединяются в атомах. В качестве слабого взаимодействия можно привести, например, бета-распад нейтрона (n):

$n\to p+e^-+{\widetilde{\nu}}_{e} \qquad (1)$

где p – протон; $e^-$ — электрон; ${\widetilde{\nu}}_{e}$ — антинейтрино.

Распад протона получен пока еще не был. Это является одной из важных современных задач физики, так как это открытие стало бы существенным шагом в понимании единства сил природы.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Ядра атома натрия бомбардируют протонами. Какова сила электростатического отталкивания протона от ядра атома, если протон находится на расстоянии $r=3\cdot {10}^{-14}$ м. Считайте, что заряд ядра атома натрия в 11 раз больше, чем заряд протона. Влияние электронной оболочки атома натрия можно не читывать.

Решение

За основу решения задачи примем закон Кулона, который можно для нашей задачи (считая частицы точечными) записать следующим образом:

$F=\frac{q_1q_2}{4\pi \varepsilon {\varepsilon}_0r^2} \qquad (1.1)$

где F – сила электростатического взаимодействия заряженных частиц; $q_1=q_p=1,6\cdot {10}^{-19}$ Кл — заряд протона; $q_2=11q_p$ – заряд ядра атома натрия; $\varepsilon =1$ – диэлектрическая проницаемость вакуума; ${\varepsilon}_0=8,85\cdot {10}^{-12}\frac{\Phi}{m}$ — электрическая постоянная. Используя имеющиеся у нас данные можно провести вычисления искомой силы отталкивания:

$F=\frac{11{\left(1,6\cdot {10}^{-19}\right)}^2}{4\pi \cdot 8,85\cdot {10}^{-12}{(3\cdot {10}^{-14})}^2}=2,82\ \left(N\right)$

Ответ

$F=2,82$ Н

ПРИМЕР 2

Задание

Рассматривая простейшую модель атома водорода, считают, что электрон движется по круговой орбите вокруг протона (ядра атома водорода). Чему равна скорость движения электрона, если радиус его орбиты равен $r$ м?

Решение

Рассмотрим силы (рис.1), которые действуют на движущийся по окружности электрон. Это сила притяжения со стороны протона. По закону Кулона мы запишем, что ее величина равна ( $F_k$ ):

$F_k=\frac{q_1q_2}{4\pi \varepsilon {\varepsilon}_0r^2} \qquad (2.1)$

где $\varepsilon =1;\ q_1$ = $\left|q_e\right|=1,6\cdot {10}^{-19}$ — заряд электрона; $q_2=q_p=\left|q_e\right|$ – заряд протона; ${\varepsilon}_0=8,85\cdot {10}^{-12}\frac{\Phi}{m}$ — электрическая постоянная. Сила притяжения меду электроном и протоном в любой точке орбиты электрона направлена от электрона к протону по радиусу окружности.

В соответствии со вторым законом Ньютона мы имеем:

${\overrightarrow{F}}_k=m\overrightarrow{a} \qquad (2.2)$

Так как считаем, что электрон движется с постоянной по модулю скоростью, то он обладает только центростремительным ускорением, то есть можно записать, что:

$F_k=m_ea_n=m_e\frac{v^2}{r} \qquad (2.3)$

где $a_n=\frac{v^2}{r}; m_e$ – масса электрона. Используя выражения (2.1) и (2.3), получаем:

$\frac{q_1q_2}{4\pi \varepsilon {\varepsilon}_0r^2}=m_e\frac{v^2}{r}\to \frac{{q_e}^2}{4\pi {\varepsilon}_0r}=m_ev^2\to v=\sqrt{\frac{{q_e}^2}{4\pi {\varepsilon}_0rm_e}}$

Ответ

$v=\sqrt{\frac{{q_e}^2}{4\pi {\varepsilon}_0rm_e}}$

Понравился сайт? Расскажи друзьям!