درسنامه آموزشی فیزیک (2) پایه یازدهم رشته علوم ریاضی
2-1 پایستگی و کوانتیده بودن بار الکتریکی
در یک اتم خنثی، تعداد الکترونها برابر با تعداد پروتونهای هسته است. بنابراین، جمع جبری همهٔ بارها (بار خالص) دقیقا برابر با صفر است. در تجربههایی مانند مالش اجسام به یکدیگر، الکترونها تولید نمیشوند و یا از بین نمیروند، بلکه صرفاً از جسمی به جسم دیگر منتقل میشوند.
اندازهٔ بار منفی الکترون دقیقاً برابر با اندازهٔ بار مثبت پروتون است. این مقدار را بار بنیادی (با نماد $e$) میگویند که برابر است با
$e=1/60217653\times {{10}^{-19}}C\approx 1/60\times {{10}^{-19}}C$
در هنگام مالش، با انتقال تعدادی الکترون از یک جسم به جسمی دیگر، تعادل بارها در اتم خنثی بر هم میخورد و جسمی که الکترون از دست میدهد، تعداد الکترونهایش کمتر از تعداد پروتونهای آن میشود و بار الکتریکی خالص آن مثبت میگردد و همچنین، جسمی که الکترون اضافی دریافت میکند، الکترونهایش از پروتونهای آن فزونی مییابد و بار الکتریکی خالص آن منفی میشود. بهدست آوردن یا از دست دادن الکترون دو جسم در تماس با یکدیگر را میتوان براساس جدولی موسوم به سری الکتریسیتهٔ مالشی (تریبوالکتریک؛ $Tribos$ در لغت یونانی به معنای مالش است) معلوم کرد (جدول 1-1). در این جدول مواد پایینتر، الکترون خواهی بیشتری دارند؛ یعنی اگر دو ماده در این جدول در تماس با یکدیگر قرار گیرند، الکترونها از ماده بالاتر جدول به مادهای که پایینتر قرار دارد منتقل میشود. مثلا اگر تفلون با نایلون مالش یابد، الکترونها از نایلون به تفلون منتقل میشوند.
در مورد بارهای الکتریکی دو اصل وجود دارد. نخستین آنها اصل پایستگی بار است که بیان میدارد: مجموع جبری همهٔ بارهای الکتریکی در یک دستگاه منزوی ثابت است؛ یعنی بار میتواند از جسمی به جسم دیگر منتقل شود، ولی هرگز امکان تولید یا نابودی یک بار خالص وجود ندارد. تاکنون هیچ آزمایشی این اصل را نقض نکرده است.
دومین اصل، کوانتیده بودن بار است. در تجربههایی مانند مالش اجسام به یکدیگر اگر جسم خنثی الکترون بهدست آورد یا از دست بدهد، همواره بار الکتریکی مشاهده شدهٔ جسم، مضرب درستی از بار بنیادی $e$ است:
(1-1) $...$ ،$2$ ،$1$ ،$n=0$ ، $q=\pm ne$
یک مثال آشنا از کوانتیده بودن یک کمیت، تعداد دانشآموزان یک کلاس یا تعداد تخممرغهای درون یک ظرف است. برای مثال، ما نمیتوانیم 24/3 دانشآموز در یک کلاس و یا 12/4 تخم مرغ در یک ظرف داشته باشیم.
| انتهای مثبت سری |
| موی انسان |
| شیشه |
| نایلون |
| پشم |
| موی گربه |
| سُرب |
| ابریشم |
| آلومینیم |
| پوست انسان |
| کاغذ |
| چوب |
| پارچهٔ کتان |
| کهربا |
| برنج، نقره |
| پلاستیک پلی اتیلن |
| لاستیک |
| تفلون |
| انتهای منفی سری |
خوب است بدانید
الکترون یک ذرّهٔ بنیادی است و زیرساختار ندارد؛ یعنی از اجزای دیگری تشکیل نشده است. اما پروتون و نوترون برخلاف الکترون از ذراتی بنیادی به نام کوارک ساخته شدهاند. کوارکها بار $\pm \frac{1}{3}e$ یا $\pm \frac{2}{3}e$ دارند، ولی این در تناقض با اصل کوانتیده بودن بار نیست؛ زیرا هیچ کوارک مستقلی مشاهده نشده است؛ یعنی این بارهای کسری نمیتوانند به طور مستقل دیده شوند. مثلاً یک پروتون از دو کوارک بالا $(u)$ هر یک با باد $+\frac{2}{3}e$ و یک کوارک پایین $(d)$ با بار $-\frac{1}{3}e$ ساخته شده است که بار خالص پروتون را برابر $+e$ به دست میدهد، یا نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین ساخته شده است که بار خالص صفر را به دست میدهد.
|
|
تمرین 1-1 (صفحه 5 کتاب درسی)
عدد اتمی اورانیوم $Z=92$ است. بار الکتریکی هستهٔ اتم اورانیم چقدر است؟ مجموع بار الکتریکی الکترونهای اتم اورانیم (خنثی) چه مقدار است؟ بار الکتریکی اتم اورانیم (خنثی) چقدر است؟
هستهی اتم اورانیم دارای 92 است، بنابراین بار هسته برابر است با:
$q=+ne=+92\times 1/6\times {{10}^{-19}}=147/2\times {{10}^{-19}}C\to q=147/2\times {{10}^{-19}}C$
اتم اورانیم دارای 92 الکترون است. پس مجموع بار الکترونهای اتم اورانیم برابر است با:
$q=-ne=-92\times 1/6\times {{10}^{-19}}=-147/2\times {{10}^{-19}}C\to q=-147/2\times {{10}^{-19}}C$
بار الکتریکی اتم اورانیم برابر مجموع بارهای الکترونها و پروتونهای آن است در نتیجه: $q=0$