Методика формування поняття поля у курсі фізики середньої школи

      (рис. 1.1) 

     Явище, коли тіла набувають властивостей діяти на предмети з електричними силами, назвали електризацією.

     Види  електризації.  

       Розглянемо основні види електризації, тобто якими способами можна  сприяти виникненню на поверхні  тіла електричного заряду.

     1) Електризація тертям - це виникнення електричного заряду на поверхні тіла внаслідок взаємного тертя поверхонь двох тіл. Наприклад, при натиранні скляної палички шовком на паличці з’являється позитивний електричний заряд.

     2) Електризація ударом - це виникнення електричного заряду на поверхні тіла внаслідок удару по цій поверхні. Величина цього заряду залежить в основному від роду речовин, які зазнають удару. Наприклад, внаслідок удару молотком по свинцевій пластині, на пластині і молотку виникає електричний заряд.

     3) Електризація полем – це виникнення заряду на поверхні тіла при внесення його в електричне поле, джерелом якого є інше заряджене тіло. Наприклад, якщо піднести натерту хутром ебонітову паличку до легкої незарядженої гільзи, то гільза почне притягуватись до палички. Це означає, що на поверхні гільзи виник заряд, який протилежний за знаком заряду ебонітової палички. Цей заряд на гільзі виник внаслідок внесення її у електричне поле ебонітової палички.

     4) Електризація дотиком - це передача електричного заряду від одного зарядженого тіла до іншого при безпосередньому контакті. Наприклад, якщо доторкнутись зарядженим тілом до стержня електроскопа, то лиски електроскопа почнуть відхилятись від вертикального положення. Це означає, що частина електричного заряду при дотикові перейшла від зарядженого тіла на стержень електроскопа.

     5) Фотоелектризація – це виникнення на поверхні тіла електричного заряду (найчастіше позитивного) внаслідок його опромінення світлом. Наприклад, якщо опромінювати негативно заряджену металеву кулю, яка прикріплена на стержні електроскопа, ультрафіолетовим світлом, то її заряд почне дуже швидко зменшуватись, про що свідчитиме зменшення показів електроскопа. І навпаки, якщо нейтральну металеву кулю опромінювати ультрафіолетом, то вона почне заряджатись позитивно. Отже, опромінення провідника світлом певної частоти зменшує негативний заряд (якщо тіло заряджене негативно) і збільшує позитивний (якщо тіло заряджене позитивно).  

       Звичайно можуть існувати і  змішані способи електризації  тіл. Однак результатом завжди  є зміна заряду тіла, яке зазнає  впливу. Звідси можна дати ще й таке тлумачення електризації:

     Електризація  – це явище виникнення на поверхні провідника електричного заряду.

 

      1.3 Електричний заряд. Два роди електричних зарядів. Дискретність 

     Досліджуючи явище електризації  тіл тa властивості електричного заряду, вчені задались питанням про те, чи існує найменший, неподільний електричний заряд. Тобто необхідно було вияснити, якою є будова електричного заряду: електричний заряд подібний до суцільної рідини, яку можна ділити будь-якими порціями, чи він має зернисту структуру, і тілу можна надати чи забрати у нього лише певну кількість таких «зерен».

     Американський фізик Роберт Міллікен першим поставив дослід для розв’язання цієї проблеми. Основна ідея експерименту базується  на властивості подільності електричного заряду.

     

     Р. Міллікен розмістив у вертикальні площині дві горизонтальні металеві пластини, які мали електричний заряд. Нижня пластина була заряджена негативно, а верхня - позитивно. Далі, вчений отримав дуже маленькі краплинки рідини (води), які розпилював між цими двома пластинами. При цьому ці маленькі краплинки заряджались негативно внаслідок тертя об стінки трубки пульверизатора (розпилювача). Вчений розглядав одну краплину, на яку діяли сила земного тяжіння  , напрямлена вертикально вниз, і електрична сила  . Оскільки краплина заряджена негативно, то вона відштовхувалась від нижньої пластини і притягувалась до верхньої, а тому електрична  сила   була напрямлена вертикально вгору. Змінюючи заряд пластин, можна було домогтися того, що краплина знаходилась в рівновазі, тобто   .

     Роберт  Міллікен спостерігав за поведінкою такої краплини у мікроскоп. Краплина була такою маленькою, що навіть її контури побачити не вдавалось, на темному  фоні видно було лише зірочку розсіяного краплиною світла. Деякі краплини, в результаті випаровування поступово втрачали масу і починали рухатись під дією електричної сили вгору, оскільки при цьому сила тяжіння теж зменшувалась. Якщо горизонтальні пластини розряджали, то всі краплини починали падати вниз, оскільки на них не діяла електрична сила. Вимірюючи швидкість падіння однієї краплини, Р. Міллікен обраховував її силу тяжіння.

     Електрична  сила  , що діє на краплину, залежить від заряду пластин (який був відомим) і від заряду самої краплини. Тому, якщо краплина знаходилась у рівновазі, то знаючи   , можна знайти її заряд -   .

     Потім Міллікен змінював заряд краплини, опромінюючи її рентгенівськими  променями. При цьому заряд краплини зменшувався. Після цього Міллікен знов визначав заряд краплини  . Внаслідок втрати електричного заряду електрична сила зменшувалась і краплина починала падати. Щоб відновити рівновагу краплини, Міллікен збільшував заряд пластин. Науковець помітив, що краплина, втрачаючи електричний заряд, опускалась не плавно, а стрибком. Це свідчило про те, що вона втрачала електричний заряд не неперервно, а певними порціями. Звідси науковець зробив висновок про існування найменшого неподільного електричного заряду. Частинку, усталеною властивістю якої є такий заряд, назвали електроном. Тобто внаслідок опромінення краплина втрачала певну цілу кількість таких електронів. Знаючи заряди краплини до і після опромінення можна обрахувати, який заряд втрачала краплина:  .

     Таку  операцію науковець повторював багато разів. Дослід тривав декілька годин.

     Навіть  після того, як заряди краплини і  їх зміна були обраховані, нелегко  було визначити заряд електрона. Один з сучасників Р. Міллікена коментував складність цієї задачі такою аналогією:

       «…потрібно визначити масу одного яйця, якщо відома маса великого числа пакетів з яйцями, в кожному з яких знаходиться своя, до того ж невідома кількість яєць…»

     З дослідів Р. Міллікен зробив висновок, що всі електричні заряди на краплині або точно дорівнювали заряду електрона, або були невеликими цілими кратними цьому заряду. Міллікен виконав перші наближені обчислення заряду електрона у 1909 році.

     У 1913 році Р. Міллікен виконав нові вимірювання і розрахунки. Він вдосконалив експеримент, замінивши краплини води краплинами олії, які майже не випаровувались, і домігся того, щоб температура у приладі змінювалась не більше, ніж на 0,02 0С,  врахував систематичні похибки.

     Особливо  важливі поліпшення методики експерименту були зроблені в тому ж 1913 році російським фізиком Абрамом Федоровичем  Йоффе. У процесі експерименту він заряджав не краплини олії, а пилинки цинку. Це давало дві важливі переваги:

• цинк не випаровувався як олія, а тому маса пилинки була незмінною впродовж всього довготривалого експерименту;
• цинк легше, ніж олія, втрачає негативний електричний заряд під впливом опромінення ультрафіолетовими чи рентгенівськими променями.

     Вимірювання  А.Ф. Йоффе підтвердили висновок Міллікена про те, що будова електричного заряду є зернистою, тобто існує частинка, носій найменшого неподільного електричного заряду – електрон. А.Ф. Йоффе у своїй праці писав:

     «Можна  було зняти 1, 2, 3, 4 … до 50 зарядів, але це завжди було ціле число електронів. Виявилось, що яку б речовину ми не взяли, будь то цинк, олія, ртуть, буде це під дією світла чи нагрівання, чи інша дія, кожного разу, як тіло втрачає заряд, воно завжди втрачає по цілому електрону. А отже, можна зробити висновок, що в природі існують лише цілі електрони».

     Результати  експерименту: Електричний заряд має зернисту структуру і складається з цілого числа неподільних найменших зарядів - електронів. Якщо тіло має негативний заряд, то це означає, що нейтральному тілу передали деяку надлишкову кількість електронів, якщо ж тіло має позитивний заряд, то це означає, що у нього забрали певне ціле число електронів. Електричний заряд електрона неподільний.

     В подальшому експерименти А.Ф. Йоффе і Р. Міллікена вдосконалювались шляхом зменшення випадкових і систематичних похибок та використання вимірювальних приладів з більшим класом точності. Заряд електрона позначають    або просто       і він дорівнює:       

     

     Сама  частинка, електрон, була відкрита Дж. Дж. Томсоном у 1897 році. Назва запропонована Дж. Стоні у 1981 році. Маса цієї частинки дорівнює   .

     Цікаво, що частинка, яка має позитивний заряд, по модулю рівний заряду електрона, і  масу, що дорівнює масі електрона, називається позитроном. 

 

      1.4 Будова атома. Електрон. Іон.  

     Наприкінці  ХІХ ст. науковці вважали, що неподільний  атом складається зі сфери, що рівномірно заряджена «позитивною електрикою». В цю сферу вкраплені електрони, а в цілому атом нейтральний. «Щось на зразок пудингу з родзинками», як одного разу описав модель атома англійський фізик Дж. Дж. Томсон, який запропонував у 1898 році таку модель атома. Модель Томсона отримала назву «кексової», через порівняння науковцем атома з пудингом, а електронів з родзинками. 

                       

     Джозеф  Джон Томпсон   Модель атома Дж. Дж. Томпсона 

     Після моделі Томсона існувало ще декілька цікавих і по своєму революційних моделей, які базувались на математичних розрахунках і деяких фізичних експериментах.. Зокрема Х. Нагаоком була запропонованасатурнова модель атома. Згідно цієї моделі в центрі атома знаходиться масивне ядро, а навколо ядра на незмінній кільцевій орбіті знаходяться електрони. Ядро має позитивний заряд, який рівний по модулю сумарному заряду електронів, які знаходяться на кільці біля нього. При цьому відстань між ядром і електронами досить незначна. Розташування електронів навколо ядра нагадує пояс астероїдів навколо планети Сатурн. Звідси й назва моделі.

                

     Хантра  Нагаока    Модель атома Х. Нагаока  

     Найближче до теоретичного розв’язання проблеми побудови атома підійшов Б. Чичерін. Модель Б. Чичеріна базувалась на математичних розрахунках і полягала в наступному. В центрі атома знаходиться масивне позитивно заряджене ядро, навколо якого розташовані електрони. Однак, на відміну від попередніх моделей, електрон мав форму не кульки, а кільця, у центрі якого знаходилось ядро. Скільки електронів має атом, стільки кілець знаходиться навколо ядра. При чому всі ці кільця можуть бути розміщені у різних площинах, але мають спільний центр, у якому і знаходиться ядро. Загальний заряд всіх електронів за модулем дорівнює заряду ядра.

         

     Борис Чичерін    Модель атома Б.Чичеріна  

     Велика  кількість теоретичних розрахунків  і моделей атома сприяла тому, що в кінці ХІХ ст. дуже гостро постала проблема виділити якусь одну найвдалішу модель. Для цього необхідно було поставити відповідний експеримент.Експеримент, метою якого було перевірити існуючі моделі атома, був проведений у 1897-1898 роках Ернстом Резерфордом. 

       

     Ернст Резерфорд   Планетарна модель атома за Резерфордом 

     На  той час досить добре були досліджені основні параметри (заряд і маса) альфа-частинки. Зокрема, було відомо, що альфа-частинка володіє великою  масою і електричним зарядом, величина якого теж була відома. Золота фольга теж була взята невипадково. Золото - один з найважчих металів (густина золота -     19300 кг/м3), тому атоми золота дуже щільно розташовані один біля одного. Крім того кожен атом має 79 електронів, 79 протонів і 118 нейтронів.     

       Отже, якщо правильною є модель  атома Дж.Дж.Томсона, Нагайка або Чичеріна, то більшість альфа-частинок має відбитись від фольги, як м’ячики від стіни, а тим, які зможуть протиснутись через гущавину атомів, доведеться зазнати числену кількість зіткнень, сотні тисяч разів змінювати свій напрямок. Робилось припущення про те, що альфа-частинки будуть розсіюватись, тобто вилітати із золотого листка у найрізноманітніших напрямках.   

       Знаючи це, Е. Резерфорд розмістив золоту фольгу між джерелом альфа-частинок і екраном і почав опромінювати золоту фольгу альфа–частинками. У ході експерименту науковець побачив, що більшість альфа-частинок пролітає крізь фольгу,  не змінюючи свого напрямку. Мала кількість альфа-частинок відхилялась від свого початкового напрямку руху на значні кути. І зовсім поодинокі альфа-частинки відбивались від фольги і летіли в зворотному напрямку. Звідси Е. Резерфорд зробив висновок, що жодна з вище зазначених теорій не є правильною. Е.Резерфорд, на основі експерименту, стверджує, що атом всередині порожній, саме тому більшість альфа-частинок вільно пролітає крізь фольгу, не зазнаючи ніякого відхилення. Альфа-частинки, які відхилились від початкового напрямку на значні кути, найбільш ймовірно, пролітали недалеко від ядра атома золота і зазнали дії електричної сили відштовхування збоку ядра золота.