Откуда берутся электроны в электрическом токе. Свободные электроны

Кикоин А.К. Две загадки бета-распада //Квант. - 1985. - № 5. - С. 30-31, 34.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Как известно, естественный бета- радиоактивный распад состоит в том, что ядра атомов одного элемента самопроизвольно испускают бета-частицы, то есть электроны, и при этом превращаются в ядра другого элемента с атомным номером на единицу большим, но с прежней массой («Физика 10», § 103). Символически это превращение записывается так:

\(~^M_ZX \to \ ^M_{Z+1}Y +\ ^0_{-1}e\) .

Здесь X - исходное ядро, Y - продукт распада, е - электрон (верхний индекс «0» показывает, что масса электрона по сравнению с атомной единицей массы очень мала).

Тщательное изучение бета-распада показало, что это явление таит в себе две загадки.

Загадка первая: «пропажа» энергии

Если ядро X самопроизвольно превращается в ядро Y , то это значит, что энергия W X ядра X больше, чем энергия W Y ядра Y . А энергия вылетающей при этом бета-частицы должна быть равна разности энергий W X - W Y (если пренебречь энергией отдачи).

Поскольку все исходные ядра X одинаковы, равно как одинаковы и все получающиеся из них ядра Y , все вылетающие бета-частицы должны иметь одну и ту же энергию. Опыты же показывают, что энергия практически всех бета-частиц меньше, чем разность энергий W X - W Y . Точнее: β -частицы имеют различные энергии, и все они лежат в пределах от нуля до максимального значения, равного W X - W Y . Например, для бета-частиц, испускаемых ядрами \(~\ ^{210}_{83}Bi\) (период полураспада 5 дней), максимальное значение энергии около 1 МэВ, а средняя энергия, приходящаяся на долю одной частицы, меньше чем 0,4 МэВ.

Создавалось впечатление, что бета-распад - это процесс, в котором, в нарушение закона сохранения энергии, энергия пропадает бесследно. Некоторые физики склонны были думать, что закон сохранения энергии, безусловно верный в мире макроскопических процессов, «необязателен» для некоторых процессов, связанных с элементарными частицами. К этой мысли (о возможности нарушения закона сохранения энергии) склонялся даже такой физик, как Нильс Бор. Высказывались и другие мнения, что возможно найдутся процессы, при которых энергия не пропадает бесследно (как в случае бета-распада), а наоборот возникает из ничего.

Нейтрино

Закон сохранения энергии был, однако, «спасен» швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули. В 1930 году он высказал предположение, что при бета-распаде из ядра вылетает не только электрон, но и еще одна частица, на долю которой и приходится недостающая энергия. Но почему эта частица никак себя не обнаруживает: не ионизует газ, как это делает электрон; ее энергия при столкновениях с атомами не переходит в тепло и т. д.? Паули объяснял это тем, что придуманная им частица электрически нейтральна и не обладает массой покоя .

Очень странной казалась эта частица, которой итальянский физик Энри ко Ферми дал имя - нейтрино. Все назначение нейтрино состояло в том, чтобы «спасти» закон сохранения энергии. С такими частицами физикам иметь дело еще не приходилось. Тем не менее, идея Паули о новой частице быстро получила всеобщее признание. Советский физик A.И. Лейпунский уже в 1936 году придумал способ ее обнаружения. Однако окончательно ее реальное существование было доказано только в 1956 году, почти через 26 лет после того, как она «родилась» в мозгу физика с богатым воображением - B. Паули.

Загадка вторая: откуда берутся электроны?

Эта загадка бета-распада (ее можно было бы поставить и на первое место) состояла вот в чем.

Как известно («Физика 10», § 107), атомные ядра всех элементов состоят только из протонов и нейтронов. Как же из ядер могут вылетать электроны, которых там нет, и нейтрино, которых там тоже нет?

Объяснить этот удивительный факт (из ядра вылетает то, чего там нет) можно только тем, что частицы - протоны и нейтроны, образующие ядро, способны взаимно превращаться друг в друга. В частности, бета-распад состоит в том, что один из нейтронов, входящих в ядро радиоактивного элемента, превращается в протон.

При этом в ядре оказывается одним протоном больше, чем было, а общее число частиц остается прежним. Просто один из нейтронов стал протоном. Но если бы дело только тем и ограничилось, был бы нарушен закон сохранения электрического заряда. Природа таких процессов не допускает! Так вот, оказывается, что вместе с превращением нейтрона в протон в ядре рождаются электрон, отрицательный заряд которого компенсирует положительный заряд появившегося протона, и нейтрино, которое уносит определенную долю энергии. Таким образом, при бета-распаде в ядре происходит превращение одного из нейтронов в протон и рождение двух частиц - электрона и нейтрино. Протон остается в ядре, электрон же и нейтрино, которым в ядре быть «не полагается», вылетают из него.

Заметим, что процесс бета-радиоактивного распада несколько напоминает процесс испускания светового кванта (фотона). Бета-частица и нейтрино рождаются в момент перехода ядра из одного состояния в другое, аналогично тому как фотон испускается атомом при переходе электрона, входящего в состав электронной оболочки атома, с одного энергетического уровня на другой.

Электричество (от греч. elektron – янтарь, так как янтарь притягивает легкие тела), или ток начали использовать только в 1800 году, когда итальянский физик Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта изобрёл первую в мире батарею и тем самым дал первый надёжный постоянный источник электроэнергии.

А как же возникает электричество?

Всё вокруг состоит и малюсеньких частиц, которые не видны человеческому глазу, – атомов. Атом состоит из более мелких частиц: в центре – ядро, а вокруг него вращаются электроны. Ядро состоит из нейронов и протонов. Электроны, которые вращаются вокруг ядра, имеют отрицательный заряд (-), а протоны, которые находятся в ядре, – положительный (+). Обычно количество электронов в атоме совпадает с количеством протонов в ядре, поэтому атом не имеет заряда – он нейтрален.

Бывают такие атомы, у которых может не хватать одного электрона. Они имеют положительный заряд (+) и начинают притягивать электроны (-) из других атомов. И в этих, других атомах электроны слетают со своих орбит, меняют траекторию движения. Движение электронов от одного атома к другому приводит к образованию энергии. Эта энергия и называется электричеством.

А откуда берётся электричество в наших домах?

Мы получаем электричество благодаря большим электростанциям. На электростанциях есть генераторы – большие машины, которые работают от источника энергии. Обычно источник – это тепловая энергия, которую получают при нагревании воды (пар). А для нагревания воды используют уголь, нефть, природный газ или ядерное топливо. Пар, который образуется при нагревании воды, приводит в действие огромные лопасти турбины, а те в свою очередь запускают генератор.

Энергию можно получить, используя силу воды, падающей с большой высоты: с плотин или водопадов (гидроэнергетика).

Как источник питания для генераторов можно использовать силу ветра или тепло Солнца, но к ним прибегают не часто.

Далее работающий генератор при помощи огромного магнита создаёт поток электрических зарядов (ток), который проходит по медным проводам. Чтобы передавать электричество на большие расстояния, необходимо увеличить напряжение. Для этого используют трансформатор – устройство, которое может повышать и понижать напряжение. Теперь электричество с большой мощностью (до 10000 вольт и более) по огромным кабелям, которые находятся глубоко под землёй или высоко в воздухе, движется к месту назначения. Перед тем, как попасть в квартиры и дома, электричество проходит через другой трансформатор, который понижает его напряжение. Теперь готовое к использованию электричество движется по проводам к необходимым объектам. Количество использованного электричества регулируется специальными счётчиками, которые прикрепляются к проводам, которые проложенные через стены и полы. подводят электричество в каждую комнату дома или квартиры. Благодаря электричеству работает освещение и телевидение, различные бытовые приборы.

Если Вам необходима помощь при решении задач по физике или математике, онлайн репетиторы всегда готовы Вам помочь. В любое время и в любом месте ученик может обратиться за помощью к онлайн репетитору и получить консультацию по любому предмету школьной программы. Обучение проходит посредством специально разработанного программного обеспечения. Квалифицированные педагоги оказывают помощь при выполнении домашних заданий, объяснении непонятного материала; помогают подготовиться к ГИА и ЕГЭ. Ученик выбирает сам, проводить занятия с выбранным репетитором на протяжении длительного времени, или использовать помощь педагога только в конкретных ситуациях, когда возникают сложности с определённым заданием.

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Слово «электрон» в переводе с греческого означает «янтарь» .

Еще Фалес Милетский (за 600 лет до н э.) заметил, что, если янтарь сильно потереть о ткань, он начнет притягивать к себе легкие предметы. Довольно долго считалось, что таким свойством обладает только янтарь. Однако то же самое происходит с предметами из пластмассы и других синтетических материалов. Вы легко можете наблюдать это явление с расческой и волосами: после расчесывания расческа начинает притягивать волосы (а сами расчесанные волосы, обратите внимание, начинают отталкиваться друг от друга).

В основе описанных явлений лежит явление электричества . Оно заключается во взаимодействии микроскопических частиц, обладающих зарядом - положительным или отрицательным. Частицы, имеющие одинаковый заряд, отталкиваются, а частицы с противоположными зарядами притягиваются. Электроны - это мельчайшие элементарные частицы, обладающие электрическим зарядом. Имя электронам дал англичанин Дж. Дж. Стоуни. Он предложил называть так неделимую частицу заряда.

Как вы уже знаете, все вещества состоят из атомов - микроскопических частичек. Каждый атом, в свою очередь, состоит из ядра и оболочки. Ядро образовано протонами и нейтронами, а вот оболочка состоит из электронов, и поэтому называется электронным облаком.

Электрический заряд есть не только у электронов, но и у протонов (нейтроны электрически нейтральны, как и говорит их название). В атоме электроны притягиваются к ядру, потому что у него положительный заряд за счет заряда протонов, а у электронов - отрицательный. Но, несмотря на эти свойства, электроны с ядром полностью не соединяются, так как находятся в постоянном движении. А сам атом полностью является электрически нейтральным, потому что в атоме число протонов равно количеству электронов.

В металлах часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться. Направленное движение этих электронов обусловливает явление, без которого мы с вами вряд ли можем представить себе нашу жизнь - электрический ток. Поэтому металлы называют проводниками : они могут проводить электрический ток. Вещества, которые не могут проводить ток, называют изоляторами , или диэлектриками .

Вернемся к началу нашего повествования и ответим на вопрос: почему же электризуется янтарь? Прежде всего, обратите внимание, что трением можно наэлектризовать только изоляторы. При трении двух тел часть электронов переходит с одного тела на другое. В результате тела обретают противоположные заряды. Наэлектризовать трением можно только изоляторы, потому что только в этих телах электроны, перебравшиеся с одного тела на другое, остаются там, куда они попали. В проводниках они начинают свободно перемещаться.

Как вы уже, наверно, догадываетесь, суммарный заряд пары тел, которые терли друг о друга, равен нулю, то есть такая паря электрически нейтральна .

Янтарь электризуется трением очень легко, так же как эбонит, стекло или кошачий мех.

На вопрос Откуда берутся электроны в проводнике? Почему они не кончаются, ведь количество электронов в атоме ограничено? заданный автором Александр Владиславович лучший ответ это Вы наверное не раз слышали, что в металлах есть "свободные" электроны. так вот, "свободные" электроны - это не совсем правильно. На самом деле они не совсем свободные. Давай рассмотрим медный проводник, допустим кольцо из медной проволоки. Каждый атом меди состоит из ядра с зарядом (+29) и 29 электронов (каждый с зарядом (-1)). Эти электроны не одинаковы, они распределены по энергетическим уровням. Электронная формула меди 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1. Электроны, находящиеся на энергетических уровнях 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 удерживаются ядром достаточно прочно и находятся каждый возле "своего" ядра, а вот электрон, находящийся на энергетическом уровне 4s1 - очень слабо. Образно говоря, достаточно "дунуть" чтобы не оторвать совсем, а переместить его от одного ядра к другому. У того другого ядра появится лишний электрон, но оно (ядро) не может удержать лишний электрон и передает его третьему, тот следующему и т. д. Эта передача электронов в отсутствие внешних сил хаотична, без определенного направления. В конце концов этот лишний электрон придет к тому ядру, от которого мы его "сдули". Таким образом, электроны, находящиеся на энергетических уровнях 4s1 всех атомов постоянно и очень легко переходят от одного атома к другому. Вот в этом смысле они и называются свободными.
Теперь рассмотрим то же медное кольцо, один участок которого помещен в магнитное поле и под действием внешней (механической) силы движется в нем поперек силовых линий магнитного поля (эта часть кольца генератор, а остальные части - провода и потребитель, например лампочка). Фактически, если опуститься на уровень атомов, под действием приложенной механической силы движутся ядра и электроны. По закону уж не помню кого (я физику уже основательно подзабыл) на движущиеся в магнитном поле заряды действует сила, которая направлена перпендикулярно направлению движения проводника в целом. Эта сила не может заставить перемещаться ядра (они очень тяжелые) и связанные с ними электроны, находящиеся на энергетических уровнях 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10. А вот, так называемые "свободные электроны" (на уровне 4s) она заставляет перемещаться вдоль проводника. Теперь уже движение "свободных" электронов не хаотичное, а строго направленное. Электрон от первого атома перемещается ко второму, от второго к третьему, от третьего... и так далее. Наконец, электрон от последнего атома перемещается к первому (не забываем, что проводник у нас свернут в кольцо.
Таким образом, у каждого атома меди вновь стало по 29 электронов, но 4s электроны не свои, а от соседа. В следующий момент времени все "свободные" электроны сместятся еще на 1 позицию в том же направлении. Работа генераторов переменного тока организована так, что грубо говоря рамка с током вращается в постоянном магнитном поле (в промышленных с частотой 50 герц). Поэтому, в первую половину оборота проводник (одна сторона рамки) пересекает силовые линии вблизи северного полюса магнита, и электроны движутся в каком-то одном направлении. Во вторую половину оборота рамки рассматриваемый проводник пересекает силовые линии вблизи южного полюса магнита, и электроны движутся в противоположном направлении, и так 50 раз в секунду. Правда, на самом деле напряженность магнитного поля, которое пересекает проводник, не постоянная, а изменяется по синусоиде, но это не изменяет сути происходящего. В итоге получается переменный электрический ток, т. е. электроны фактически не уходят далеко от своих ядер, а "болтаются" туда-сюда, как на качелях. Вот примерно так.Спасибо вам огромное, всю жизнь мучал этот вопрос.
Не понял я однако того, как тогда всякие трансформаторы Теслы распространяют электричество в воздухе, или те же молнии, или воздух тоже передает эти "свободные" электроны, но в таком случае они не смогут вернуться к источнику, ведь цепи нет.
В общем хотел бы у вас узнать, или может литературу посоветуете?

Ответ от Dr. Dick [гуру]
так на место тех, что ушли, приходят другие. Ток течет только в замкнутой цепи, помните? То есть, электроны циркулируют по кругу

Ответ от Александр Шевченко [активный]
электроны никуда не бегут, они остаются на месте, они передают заряд по цепочке друг другу.

Ответ от Пиночет [гуру]
Да не бегут эти электроны никуда.
Если тебе сказать, что ни один учёный не знает точно, что такое вообще эл. ток, - то ты потеряешь веру в человечество.))
Есть только гипотезы, то есть предположения, чтобы хоть как-то можно было делать расчёты.
А гипотез ты и сам можешь кучу придумать.
Электроны никуда не бегут, а просто бьют друг друга в жопу, кто дальше улетит.
Типа как шары в бильярде.
Да и когда им бегать? -Скорость тока равна скорости света. Они просто передают друг другу заряд да и всё.

Ответ от Картофельный папа [гуру]
свободные электроны.
Они не кончаются потому что электрический ток - это всегда замкнутый по кругу процесс. Если что-то убыло, значит что-то прибыло.

Ответ от Globe [гуру]
Не знаю, что означает фраза "электроны передают заряд", но по моему скромному разумению дело обстоит так.
Когда мы щелкаем выключателем, по проводнику со скоростью света пробегает некое возмущение. Вы, наверно, видели, как трогается со станции грузовой состав? Локомотив дергает первый вагон, тот - второй, и так по всей цепочке проносится лязганье автосцепки (причем скорость этого лязганья гораздо выше, чем скорость и локомотива, и вагонов) . Так и здесь - электроны устремляются к плюсу, на их место тянутся соседние, и т. п. По проводнику со скоростью света пробегает электромагнитный импульс.
Дальше вспомним, что сила тока - это заряд, прошедший в единицу времени через какое-то сечение проводника. Скорость отдельного электрона может быть крохотной - но он пересек это сечение, и, значит, в силу тока свой вклад сделал.
Свободных же электронов в проводнике много: примерно 10^23 (порядка постоянной Авогадро) . И хотя заряд одного электрона порядка 10^-19Кл, но достаточно 0.01% всех электронов прийти в движение - и по проводнику уже потечет ток 1А.
Это с постоянным током. В переменном же всё ещё проще - там электронам можно никуда не двигаться, а просто колебаться в соответствии с периодическим изменением направления электрического поля.
Ну и, наконец, про убыль. Если в проводнике электронов станет меньше, то он окажется положительно заряженным, и либо ток прекратится, либо он начнет притягивать электроны с минуса элемента питания.

Ответ от Геннадий Карпов [гуру]
Бегут электроны, бегут.
И бежать их заставляет электрическое поле.
Электрон имеет заряд и под действием элполя он перемещается.
В проводниках (металлах например, в электролитах, полупроводниках.... немного другая картина) из-за особенностей их строения есть свободные электроны.
Одни убегают, а на их место прибегают другие, из подсоединенного другого проводника (например выключатель при включении) . Тот проводник соединен с источником тока, а источник перегоняет их по кругу.
Так происходит при постоянном токе.
Если ток переменный (помните про 50 гц в сети) то они колеблются "то туда, то сюда" 50 раз в секунду. И остаются почти на месте.
Электрическое поле в проводнике распространяется быстро, со скоростью света (скоростью распространения элполя) . А сами электроны бегут гораздо медленнее.

Ответ от Evgeny M. [гуру]
Когда что-то бегает по кругу, то оно не убывает никогда.
Почему Вас не посетила такая простая мысль? (Или Вашу учительницу?)
Механизм процесса совсем не важен, детали совсем не важны. Например, не важно, успевает ли один конкретный электрон облетель весь проводник по замкнутому пути и вернуться обратно или он только прилетает в соседний атом и встает там на место вылетевшего электрона.
Главное, что постоянный ток ВСЕГДА идет только по замкнутому пути. Если путь не замкнут, то ток всегда останавливается (электроны кончаются) .
Если путь не замкнут, то в такой системе может существовать только переменный ток. (Например, путь может быть разорван конденсатором.) При переменном токе электроны, вообще, никуда не улетают. Они находятся вблизи своих атомов и только совершают колебательные движения с частотой переменного тока.

Ответ от DoctoR [гуру]
Электроны в проводнике есть - они есть на орбиталях вокруг ядер атомов. Но в проводниках - они свободны. Значит под действием внешних сил могут безприпятственно прийти в движение. . Они сами по себе.
Когда возникает электрическое поле - они начинают упорядочено двигаться.
Согласно закону Киркгофа - сумма токов равна нулю. Поэтому они и не кончаются - они не тратятся никуда - а ходят по кругу в замкнутой цепи.
Второе - в атомах нет орбит)
Есть орбитали - это совокупность точек, где местоположение электрона более вероятно. Вы используете старую модель атома бора.

Ответ от MwenMas [гуру]
Короче говоря, электроны из проводника никуда не уходят. Они всегда в нем остаются и движутся под действием электрического поля то ли в одну сторону при постоянном токе, то ли туда-сюда при переменном. Представь, что в системе отопления насос воду гоняет, она же никуда не девается, меньше ее не становится. Так и с электронами.

Ответ от Ўрий Семыкин [гуру]
Воскрешение Энштейна - это к биологам и медикам.
Здесь не надо физики, достаточно здравого смысла что бы разобраться. Электроны, то не исчезают, а смещаются всего лишь. Иначе бы участок цепи быстро зарядился бы положительно. Раз уж остаётся нейтральным, то заряд компенсируется. Понятно, что электронами же. Реально электроны не "текут" в виде тока, а движется волна электромагнитная. Это посложнее будет понять.

Ответ от Алекс [новичек]
И ко всему сказанному, как возобновляется Заряд (энергии) электронов в замкнутой цепи, если учесть, что часть энергии расходуется на тепло при работе потребителя?

Ответ от Максим алмазов [гуру]
есть такое слово-резонанс..

Ответ от Ёергей [активный]
Электронной теорией наука не в состоянии объяснить многие явления. К ним можно отнести проявление и исчезновение статического электричества, явление магнетизма, нейтральность проводника, проводимость и непроводимость веществами электрического тока, пьезоэлектрический эффект, присутствие электрического тока в разорванной цепи, отсутствие позитронов в рождении электрического тока и их присутствие в порождении электрического разряда, проявление частицами дуализма и многое другое.

Ответ от юра ежов [новичек]
А если в цепи лампочка накала. Она же тратит энергию в световую и тепловую, так получается что электроны заряжены и заряд передают лампочке. Так потом откуда они берут новый заряд? С магнитного поля? Или от того что они дальше по кругу себя пинают
?

Модель свободных электронов на Википедии
Посмотрите статью на википедии про Модель свободных электронов