Kolika je masa elektrona?

Poznato je da elektroni imaju negativan naboj. Ali kako možemo osigurati da su masa elektrona i njezin naboj konstantni za sve te čestice? Ovo možete provjeriti samo ako je uhvatite u letu. Zaustavljajući se, on se gubi među molekulama i atomima koji čine laboratorijsku opremu. Proces poznavanja mikrokosmosa i njegovih čestica prošao je dug put: od prvih primitivnih eksperimenata do najnovijih dostignuća u području eksperimentalne atomske fizike.

Prve informacije o elektronima

Prije sto pedeset godina, elektroni nisu bili poznati. Prvo zvono, koje ukazuje na postojanje "cigli" struje, bili su pokusi na elektrolizi. U svim slučajevima, svaka nabijena čestica tvari nosila je standardni električni naboj koji je imao istu veličinu. U nekim slučajevima, iznos naknade se udvostručio ili utrostručio, ali je uvijek ostao višekratnik minimalne vrijednosti naplate.

Eksperimenti J. Thompsona

U laboratoriju Cavendisha, J. Thomson je proveo eksperiment koji je zapravo dokazao postojanje čestica električne energije. Da bi to učinio, znanstvenik je istražio zračenje emitirano iz katodnih cijevi. U eksperimentu se zrake odbijaju od negativno nabijene ploče i privlače se pozitivno nabijenim. Potvrđena je hipoteza o stalnoj prisutnosti nekih električnih čestica u električnom polju. Njihova je brzina bila usporediva s brzinu svjetlosti.Električni naboj što se tiče mase čestica, pokazalo se da je nevjerojatno veliko. Iz svojih zapažanja Thompson je izveo nekoliko zaključaka, koji su kasnije potvrđeni i drugim studijama.

Thompsonovi zaključci

1. Atomi se mogu razbiti kada se bombardiraju bržim česticama. U tom slučaju, negativno nabijene krvne stanice izbačene su iz sredine atoma.
2. Sve nabijene čestice imaju istu masu i naboj, bez obzira na supstancu iz koje su dobivene.
3. Masa tih čestica je mnogo manja od mase najslabijeg atoma.
4. Svaka čestica tvari nosi najmanji mogući dio električnog naboja, od kojih najmanje ne postoji u prirodi. Svako napunjeno tijelo nosi cijeli broj elektrona.

Detaljni eksperimenti omogućili su izračunavanje parametara tajanstvenih mikročestica. Kao rezultat toga, otkriveno je da su otvorena napunjena krvna zrnca nedjeljiva atoma električne energije. Nakon toga, dobili su ime elektrona. Došao je iz antičke Grčke i pokazao se prikladnim za opis novootkrivene čestice.

Izravno mjerenje brzine elektrona

Budući da ne postoji mogućnost da vidimo elektron, eksperimenti potrebni za mjerenje osnovnih količina ove elementarne čestice izrađeni su uz pomoć elektromagnetskih i gravitacijskih polja. Ako prvi utječe samo na naboj elektrona, tada je uz pomoć tankih pokusa, uzimajući u obzir gravitacijski učinak, bilo moguće približno izračunati masu elektrona.

Elektronski pištolj

Prva mjerenja mase i naboja elektrona izvršena su pomoću elektronskog topa. Duboki vakuum u tijelu pištolja omogućuje prijenos elektrona uskim snopom s jednog katoda na drugi. Elektroni su prisiljeni dva puta prolaziti kroz uske otvore konstantnom brzinom v . Postoji proces sličan onome kako mlaz iz vrtnog crijeva ulazi u rupu u ogradi. Dijelovi elektrona lete duž cijevi konstantnom brzinom. Eksperimentalno je dokazano da ako je napon primijenjen na elektronsku pušku 100 V, tada će se brzina elektrona izračunati kao 6 milijuna m / s.

Eksperimentalni zaključci

Izravno mjerenje brzine elektrona pokazuje da bez obzira na materijale iz kojih je izrađen pištolj i koja je razlika potencijala, ispunjen je omjer e / m = const.

Taj je zaključak donesen početkom 20. stoljeća. Homogeni snopovi nabijenih čestica još nisu bili u stanju stvoriti, drugi su uređaji korišteni za eksperimente, ali rezultat je ostao isti. Eksperiment nam je omogućio nekoliko zaključaka. Odnos naboja elektrona prema njegovoj masi isti je za elektrone. To omogućuje zaključak o univerzalnosti elektrona kao integralnom dijelu bilo koje materije u našem svijetu. Pri vrlo visokim brzinama, e / m je manje od očekivanog. Ovaj paradoks je sasvim razumljiv činjenicom da se pri velikim brzinama, usporedivim s brzinom svjetlosti, masa čestice povećava. Granični uvjeti Lorentzovih transformacija sugeriraju da kada je brzina tijela jednaka brzini svjetlosti, masa ovog tijela postaje beskonačna. Primjetan porast mase elektrona javlja se u potpunoj suglasnosti s teorijom relativnosti.

Elektron i njegova masa mirovanja

Paradoksalni zaključak da masa elektrona nije konstantna donosi neke zanimljive zaključke. U normalnom stanju, masa mirovanja elektrona se ne mijenja. Može se mjeriti na temelju različitih eksperimenata. Trenutačno se masa elektrona mjeri nekoliko puta i iznosi 9,10938291 (40) · 10,31 kg. Elektroni s takvom masom ulaze kemijske reakcije oblikuju pokret električna struja uhvaćeni najpreciznijim instrumentima koji bilježe nuklearne reakcije. Primjetan porast ove vrijednosti moguć je samo pri brzinama blizu brzine svjetlosti.

Elektroni u kristalima

Fizika čvrstog stanja je znanost koja promatra ponašanje nabijenih čestica u kristalima. Rezultat brojnih pokusa bilo je stvaranje posebne količine koja karakterizira ponašanje elektrona u poljima sila kristalnih tvari. To je tzv. Efektivna masa elektrona. Njegova se vrijednost izračunava na temelju činjenice da je gibanje elektrona u kristalu podložno dodatnim silama, čiji je izvor sam kristalna rešetka. Takvo se gibanje može opisati kao standard za slobodni elektron, ali pri izračunavanju momenta i energije takve čestice treba uzeti u obzir ne masu mirovanja elektrona, nego učinkovitu, čija će vrijednost biti različita.

Elektronski impuls u kristalu

Stanje bilo koje slobodne čestice može se karakterizirati veličinom njegovog momenta. Budući da je vrijednost pulsa već određena, onda se, prema načelu nesigurnosti, čini da su koordinate čestica zamagljene u kristalu. Vjerojatnost susreta elektrona u bilo kojoj točki kristalne rešetke gotovo je ista. Elektronski impuls karakterizira njegovo stanje u bilo kojoj koordinati energetskog polja. Izračuni pokazuju da je ovisnost energije elektrona o zamahu jednaka onoj slobodne čestice, ali masa elektrona može poprimiti vrijednost koja se razlikuje od uobičajene. Općenito, energija elektrona, izražena kroz impuls, imat će oblik E (p) = p ² / 2m *. U ovom slučaju, m * je efektivna masa elektrona. Praktična primjena efektivne mase elektrona izuzetno je važna u razvoju i proučavanju novih poluvodičkih materijala koji se koriste u elektroniki i mikrotehnologiji.

Masa elektrona, kao i svaka druga kvazičestica, ne može se karakterizirati standardnim karakteristikama pogodnim za naš svemir. Svaka značajka mikročestice može iznenaditi i izazvati sve naše ideje o svijetu oko nas.