1.1. Электрический заряд. Закон сохранения заряда

Все тела в природе образованы из атомов или молекул, которые, в свою очередь, состоят из ядер и электронов, обладающих электрическим зарядом.

Электрический заряд является феноменологической характеристикой свойств элементарных частиц и их взаимодействий.

Между заряженными элементарными частицами существуют особые силы взаимодействия, называемые электрическими силами. Экспериментально установлено, что эти силы могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания, поэтому для описания электрического взаимодействия  вводятся два типа электрических зарядов, условно называемых отрицательными и положительными:  одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются (рис. 1.2).  

 Рис. 1.2. Два отрицательных заряда отталкиваются, отрицательный и положительный заряды притягиваются, два положительных заряда отталкиваются

Видео 1.2. Два вида зарядов. Электризация трением: шерсть и эбонит.

Видео 1.3. Два вида зарядов. Электризация трением: эбонитовая и стеклянная палочки.

 Заряд электронов считается отрицательным, заряд протонов —  положительным. Входящие в состав ядер нейтроны электрического заряда не имеют. Силы электрического взаимодействия связывают ядро и электроны в единую устойчивую систему — атом. 

Наименьший по величине электрический заряд, экспериментально обнаруженный в природе, — заряд электрона. Заряд протона точно равен ему по величине и противоположен по знаку:

 

Отметим, что приведенное выше значение элементарного заряда обычно используется для приближенных расчетов и при решении учебных школьных и ВУЗовских задач. На самом деле физики-экспериментаторы определили его с гораздо большей точностью. В настоящее время в таблицах (Journal of Physics G. Nuclear and Particle Physics. Vol. 37, № 7А, July 2010, Article 075021) приводится следующее значение элементарного заряда

Ввиду точного равенства величин зарядов протона и электрона в каждом атоме суммарный положительный и отрицательный заряды одинаковы по величине, и поэтому обычно тела оказываются электронейтральными. Однако, прилагая некоторые усилия, можно оторвать электроны от одних тел, которые становятся при этом положительно заряженными, и передать их другим телам, которые заряжаются отрицательно. Такие тела являются макроскопически заряженными. Электрический заряд любого тела кратен элементарному заряду e, то есть изменяется дискретно: 

(1.1)

 где N — целое число. О дискретности возможных значений электрического заряда принято говорить как  о  квантовании  электрического заряда. 

Многочисленные эксперименты доказали, что имеет место закон сохранения электрического заряда: 

Электроизолированной принято называть такую физическую систему, граничную поверхность которой заряженные частицы пересекать не могут. Поэтому во многих случаях, в частности, при выводе уравнений, являющихся интегральной или дифференциальной формой записи закона сохранения заряда весьма полезна такая его формулировка:  

Очевидно, что «вносить» в систему или «выносить» из системы заряженные частицы — в алгебраическом смысле одно и то же. Отметим также, что подобный подход оказывается продуктивным и при записи других законов сохранения: энергии, импульса, момента импульса и т. п.

На микроскопическом уровне закон сохранения заряда следует из анализа реакций между элементарными частицами и, конечно, ядерных реакций. Возьмем, например, альфа-распад изотопа урана (рис. 1.3):

  

Рис. 1.3. Альфа-распад изотопа урана-238 

Атомный номер Z ядра урана равен 92, что означает, что в ядре находится 92 протона, то есть его заряд равен q_U = 92e. У тория Z = 90, то есть заряд его ядра q_Th=90e, а для гелия Z = 2 и q_He = 2e. Выполнение равенства

и означает сохранение электрического заряда в данной реакции. Никогда не наблюдались реакции с участием ядер или элементарных частиц, в которых бы нарушался закон сохранения электрического заряда. Это не означает, что частицы с электрическим зарядом не могут исчезать или рождаться, но при этом также должны исчезнуть или родиться частицы с таким же, но противоположным по знаку зарядом. Главное, чтобы суммарный заряд до и после реакции оставался неизменным. Приведем в качестве примера так называемую реакцию аннигиляции: электрон e^– с зарядом –e сталкивается со своей античастицей — позитроном e⁺, заряд которого положителен и равен +e. В результате рождаются два фотона g  (рис. 1.4). 

Рис. 1.4. Реакция аннигиляции электрона и позитрона

 Легко убедиться, что реакция

удовлетворяет закону сохранения электрического заряда: полный заряд до и после реакции равен нулю. В то же время никогда не наблюдалась такая, например, реакция

в которой заряд не сохраняется.  

Электрон — самая легкая из заряженных частиц, и благодаря закону сохранения заряда (и закону сохранения энергии) ему просто не на что распадаться. Поэтому электрон стабилен, и это есть необходимая предпосылка стабильности атомов, молекул, вещества и нас с вами. 

 

Дополнительная информация 

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Nuclear/radact.html — альфа-распад;

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0141.html  — аннигиляция;

http://www.abitura.com/happy_physics/kaganov4.html   — электрон.