电荷特性与原子结构
本节课我们将探讨电荷的概念及其作为电现象的根本原因的起源。我们将从历史分析入手，回顾古希腊人在用羊毛摩擦琥珀时观察到的电特性，这引出了用符号法则来描述电吸引和电排斥的模型。在微观层面，我们将探讨亚原子粒子及其如何构成物质结构中的电荷，特别关注原子的组成以及它们如何决定物质的电特性。最后强调，虽然原子可以是中性的，但由于原子和分子的相互作用以及电子的转移，它们仍会参与电现象。
学习目标：
完成本节课后，学生将能够：
- 列举亚原子粒子及其各自的电荷和质量。
- 解释为什么某些材料在摩擦后会获得电荷。
- 描述古希腊人观察到的行为（带电琥珀）与现代电学概念之间的关系。
- 区分中性原子、阳离子和阴离子。
内容索引
什么是电荷？
古代的电现象
符号法则
电荷与物质结构
物质的电特性
什么是电荷？
要理解电现象，必须探讨其潜在原因。就像质量是引力的根本原因一样，电荷是电现象的根本原因。
在开始研究电磁学时，很难准确定义电荷是什么。理解这一点需要比我们初步讨论更高级的分析。然而，我们可以通过研究电荷的行为和特性来开始熟悉电学。
古代的电现象
在古代，希腊人注意到，用羊毛摩擦琥珀后，它可以吸引某些物体。这种现象被描述为琥珀“带电”或“获得了电荷”。事实上，“电”这个词来源于希腊语“ήλεκτρον (élektron)”，意思是“琥珀”。自古以来，人们观察到“带电物体”表现出以下特性和行为：
- 如果两个最初是中性的材料 A 和 B（没有电荷）相互摩擦，它们可能会获得电荷。这些电荷在 A 和 B 上的大小相等。
- 如果根据上述描述带电后的 A 和 B 接触，它们的电荷会相互抵消。
基于上述描述，可以认为物体获得了大小相等但性质相反的电荷，因此我们将这些电荷定义为“正电荷”和“负电荷”。此外，带电物体的行为可以通过符号法则来描述：
符号法则
带电物体表现出以下行为：
- 正 x 正 = 正 → 排斥
- 正 x 负 = 负 → 吸引
- 负 x 正 = 负 → 吸引
- 负 x 负 = 正 → 排斥
异性电荷相吸，同性电荷相斥。
电荷与物质结构
电荷与质量一样，是构成物质的粒子的基本属性。电荷的计量单位是 库仑（Coulomb），用字母 C 表示。原子由亚原子实体组成，它们具有特定的电荷和质量，如下表所示：
| 粒子 | 质量 [kg] | 电荷 [C] |
|---|---|---|
| 质子 | 1.6726219 \times 10^{-27} | +1.602176634 \times 10^{-19} |
| 中子 | 1.6759271 \times 10^{-27} | 0（中性） |
| 电子 | 9.10938356 \times 10^{-31} | -1.602176634 \times 10^{-19} |
通常使用符号 p^+、e^- 和 n_0 分别表示质子、电子和中子。质子和中子位于原子核中，而电子围绕原子核轨道运行。原子质量的 99.9% 以上集中在原子核中。
原子核中质子的数量定义了原子的元素归属。中子的数量定义了该元素的同位素，而电子的数量决定了它的电离状态。传统上，原子被认为是中性的，如果电子过多或不足，则称为离子。离子可以是负离子（阴离子）或正离子（阳离子）。
物质的电特性
物质的电特性取决于其内部结构以及原子或分子之间的相互作用。尽管中性原子似乎没有电荷，但这并不意味着它不能参与电现象。需要记住的是，电荷的性质取决于原子和分子之间的相互作用，以及它们转移或共享电子形成键的能力。