Kakšna je masa elektrona?

Znano je, da imajo elektroni negativen naboj. Toda kako lahko zagotovimo, da sta masa elektrona in njen naboj konstantni za vse te delce? To lahko preverite samo tako, da ga ulovite na letenje. Ko se ustavi, se izgubi med molekulami in atomi, ki sestavljajo laboratorijsko opremo. Proces poznavanja mikrokozmosa in njegovih delcev je že dolgo pot: od prvih primitivnih poskusov do najnovejših dosežkov na področju eksperimentalne atomske fizike.

Prva informacija o elektronih

Pred sto petdesetimi leti elektroni niso bili znani. Prvi zvonec, ki kaže na obstoj "opeke" električne energije, so bili poskusi na elektrolizi. V vseh primerih je vsak naelektren del snovi nosil standardni električni naboj, ki je imel enako velikost. V nekaterih primerih se je znesek pristojbine podvojil ali potrojil, vendar je vedno ostal večkratnik minimalne nabavne vrednosti.

Poskusi J. Thompsona

V laboratoriju Cavendisha je J. Thomson izvedel poskus, ki je dejansko dokazal obstoj delcev električne energije. V ta namen je znanstvenik raziskal sevanje, ki ga oddajajo katodne cevi. V eksperimentu so se žarki odbili iz negativno nabite plošče in privabili v pozitivno nabit. Potrjena je bila hipoteza o stalni prisotnosti nekaterih električnih delcev v električnem polju. Njihova hitrost je bila primerljiva s hitrostjo hitrost svetlobe.Električni naboj v smislu mase delcev se je izkazalo, da je neverjetno velika. Iz svojih opazovanj je Thompson naredil nekaj zaključkov, ki so jih kasneje potrdile tudi druge študije.

Thompsonovi sklepi

1. Atomi se lahko razbijejo, ko so bombardirani s hitrejšimi delci. V tem primeru se negativno nabite krvne celice izločijo iz sredine atomov.
2. Vsi nabiti delci imajo enako maso in naboj, ne glede na snov, iz katere so bili pridobljeni.
3. Masa teh delcev je veliko manjša od mase najlažjega atoma.
4. Vsak delec snovi nosi najmanjši možni delež električnega naboja, od katerih najmanj ni v naravi. Vsako nabito telo nosi celotno število elektronov.

Podrobni poskusi so omogočili izračun parametrov skrivnostnih mikrodelcev. Kot rezultat je bilo ugotovljeno, da so odprte nabite krvne celice nedeljivi atomi električne energije. Kasneje so dobili ime elektronov. Prišel je iz antične Grčije in se je izkazal za primernega za opis na novo odkritih delcev.

Neposredno merjenje hitrosti elektronov

Ker ni mogoče videti elektrona, so eksperimenti, potrebni za merjenje osnovnih količin tega elementarnega delca, narejeni s pomočjo elektromagnetnega in gravitacijskega polja. Če prvi vpliva samo na naboj elektrona, potem je bilo z uporabo tankih poskusov ob upoštevanju gravitacijskega učinka mogoče približno izračunati maso elektrona.

Elektronska pištola

Prve meritve mas in nabojev elektronov so bile izvedene z elektronsko puško. Globok vakuum v telesu pištole omogoča, da se elektroni prenašajo z ozkim žarkom od ene katode do druge. Elektroni so prisiljeni preiti skozi ozke luknje dvakrat pri konstantni hitrosti v . Obstaja postopek, podoben temu, kako curek iz vrtne cevi pride v luknjo v ograji. Deli elektronov gredo vzdolž cevi s konstantno hitrostjo. Eksperimentalno je bilo dokazano, da če je napetost, uporabljena za elektronski top, 100 V, se bo hitrost elektronov izračunala kot 6 milijonov m / s.

Eksperimentalni zaključki

Neposredno merjenje hitrosti elektronov kaže, da je ne glede na to, iz katerih materialov je izdelana pištola in kakšna je potencialna razlika, izpolnjeno razmerje e / m = const.

Ta sklep je nastal na začetku 20. stoletja. Homogenih žarkov nabitih delcev še ni bilo mogoče ustvariti, za eksperimente so bile uporabljene druge naprave, vendar je rezultat ostal enak. Poskus je omogočil nekaj zaključkov. Razmerje naboja elektrona na njegovo maso je enako za elektrone. To omogoča sklepanje o univerzalnosti elektrona, ki je sestavni del vsake snovi v našem svetu. Pri zelo visokih hitrostih je e / m manjši od pričakovanega. Ta paradoks je povsem razumljiv z dejstvom, da se pri velikih hitrostih, primerljivih s hitrostjo svetlobe, masa delcev poveča. Mejni pogoji Lorentzovih transformacij kažejo, da ko je hitrost telesa enaka hitrosti svetlobe, postane masa tega telesa neskončna. Opazno povečanje mase elektronov se v celoti ujema s teorijo relativnosti.

Elektron in njegova masa mirovanja

Paradoksalen zaključek, da masa elektronov ni konstantna, prinaša nekaj zanimivih zaključkov. V normalnem stanju se masa mirovanja elektrona ne spremeni. Meri se lahko na podlagi različnih poskusov. Trenutno se masa elektrona meri večkrat in znaša 9,10938291 (40) · 10⁻3¹ kg Elektroni s tako maso vstopajo kemijske reakcije oblikujejo gibanje električni tok najzanesljivejši instrumenti, ki beležijo jedrske reakcije. Opazno povečanje te vrednosti je možno le pri hitrostih, ki so blizu hitrosti svetlobe.

Elektroni v kristalih

Fizika trdnega stanja je znanost, ki opazuje obnašanje nabitih delcev v kristalih. Rezultat številnih poskusov je bilo ustvarjanje posebne količine, ki opisuje obnašanje elektrona v poljih sile kristaliničnih snovi. To je tako imenovana učinkovita masa elektronov. Njegova vrednost se izračuna na podlagi dejstva, da je gibanje elektrona v kristalu podvrženo dodatnim silam, katerih vir je sam kristalne rešetke. Takšno gibanje je mogoče opisati kot standard za prosti elektron, pri izračunu momenta in energije takšnega delca pa je treba upoštevati ne maso mirovanja elektrona, temveč učinkovito, ki bo drugačna.

Elektronski impulz v kristalu

Stanje katerega koli prostega delca lahko označimo z velikostjo njegovega zagona. Ker je vrednost impulza že določena, se zdi, da so koordinate delcev po načelu negotovosti po vsej kristali zamegljene. Verjetnost srečanja z elektronom na kateri koli točki v kristalni rešetki je skoraj enaka. Elektronski impulz označuje njegovo stanje v kateri koli koordinati energetskega polja. Izračuni kažejo, da je odvisnost energije elektronov od gibalne količine enaka odvisnosti prostega delca, vendar lahko masa elektronov zavzame vrednost, ki se razlikuje od običajne. Na splošno bo energija elektronov, izražena skozi impulz, imela obliko E (p) = p ² / 2m *. V tem primeru je m * efektivna masa elektrona. Praktična uporaba efektivne mase elektrona je izjemno pomembna pri razvoju in proučevanju novih polprevodniških materialov, ki se uporabljajo v elektroniki in mikrotehnologiji.

Maso elektrona, tako kot vsaka druga kvazartikla, ne moremo karakterizirati s standardnimi značilnostmi, primernimi v našem vesolju. Vsaka značilnost mikrodelca lahko preseneti in izpodbija vse naše ideje o svetu okoli nas.