Каква е масата на електрона?

Известно е, че електроните имат отрицателен заряд. Но как можем да се уверим, че електронната маса и нейният заряд са постоянни за всички тези частици? Можете да проверите това само като го хванете в движение. Спирайки се, той се губи сред молекулите и атомите, които съставляват лабораторното оборудване. Процесът на познаване на микрокосмоса и неговите частици измина дълъг път: от първите примитивни експерименти до най-новите разработки в областта на експерименталната атомна физика.

Първа информация за електроните

Преди сто и петдесет години електроните не бяха известни. Първият звънец, показващ съществуването на "тухли" на електричеството, бяха експерименти по електролиза. Във всички случаи всяка заредена частица от веществото носеше стандартен електрически заряд, който имаше същата величина. В някои случаи размерът на таксата се удвоява или утроява, но винаги остава кратно на една минимална стойност на зареждане.

Експерименти на J. Thompson

В лабораторията на Кавендиш Дж. Томсън провежда експеримент, който действително доказва съществуването на частици електричество. За да направи това, ученият изследва радиацията, излъчвана от катодните тръби. В експеримента лъчите отблъснати от отрицателно заредената плака и привлечени към положително заредената. Потвърдена е хипотезата за постоянното присъствие в електрическото поле на някои електрически частици. Скоростта им беше сравнима с тази скоростта на светлината.Електрически заряд по отношение на масата на частиците се оказа невероятно голяма. От своите наблюдения Томпсън направи няколко заключения, които по-късно бяха потвърдени от други изследвания.

Заключенията на Томпсън

1. Атомите могат да се счупят при бомбардиране с по-бързи частици. В този случай отрицателно заредени корпускули се изхвърлят от средата на атомите.
2. Всички заредени частици имат еднаква маса и заряд, независимо от веществото, от което са получени.
3. Масата на тези частици е много по-малка от масата на най-лекия атом.
4. Всяка частица от вещество носи най-малката възможна част от електрическия заряд, по-малка от която в природата не съществува. Всяко заредено тяло носи цял брой електрони.

Подробните експерименти дадоха възможност да се изчислят параметрите на мистериозните микрочастици. В резултат на това беше установено, че отворените зарядени корпускули са неделими атоми на електричество. Впоследствие те получиха името на електроните. Той идва от древна Гърция и се оказва подходящ за описанието на новооткритата частица.

Директно измерване на скоростта на електроните

Тъй като няма възможност да се види електрон, експериментите, необходими за измерване на основните величини на тази елементарна частица, се правят с помощта на електромагнитните и гравитационните полета. Ако първият засяга само заряда на електрона, тогава с помощта на тънки експерименти, като се вземе предвид гравитационния ефект, е възможно приблизително да се изчисли масата на електрона.

Електронен пистолет

Първите измервания на масите и зарядите на електроните бяха извършени с електронна пушка. Дълбокият вакуум в тялото на пистолета позволява електроните да бъдат пренесени от тесен лъч от един катод към друг. Електроните са принудени да преминават през тесни дупки два пъти при постоянна скорост v . Има процес, подобен на начина, по който струя от градински маркуч попада в дупка в оградата. Части от електрони летят по тръбата с постоянна скорост. Експериментално е доказано, че ако напрежението, приложено към електронната пушка, е 100 V, тогава скоростта на електрона ще бъде изчислена като 6 милиона m / s.

Експериментални заключения

Директното измерване на скоростта на електроните показва, че независимо от това от какви материали е изработено пистолетът и каква е потенциалната разлика, е изпълнено съотношението e / m = const.

Това заключение е направено в началото на 20-ти век. Хомогенните лъчи на заредени частици все още не са били в състояние да създадат, за експериментите са използвани други устройства, но резултатът остава същият. Експериментът ни позволи да направим няколко заключения. Съотношението на електронен заряд към неговата маса е същото за електроните. Това дава възможност да се направи извод за универсалността на електрона като неразделна част от всяка материя в нашия свят. При много високи скорости е / m е по-малко от очакваното. Този парадокс е напълно разбираем от факта, че при високи скорости, сравними със скоростта на светлината, масата на частицата се увеличава. Граничните условия на трансформациите на Лоренц предполагат, че когато скоростта на тялото е равна на скоростта на светлината, масата на това тяло става безкрайна. Забележимо нарастване на масата на електроните става в пълно съгласие с теорията на относителността.

Електрон и неговата маса на покой

Парадоксалният извод, че масата на електроните не е постоянна, води до някои интересни изводи. В нормалното състояние, масата на почивка на електрона не се променя. Тя може да бъде измерена въз основа на различни експерименти. Понастоящем масата на електрона се измерва няколко пъти и възлиза на 9.10938291 (40) · 10⁻3¹ кг. Електроните с такава маса влизат химични реакции образуват движение електрически ток уловени от най-точните инструменти, които записват ядрени реакции. Забележимо увеличение на тази стойност е възможно само при скорости, близки до скоростта на светлината.

Електрони в кристали

Физиката на твърдото тяло е наука, която наблюдава поведението на заредените частици в кристалите. Резултатът от множество експерименти е създаването на специална величина, характеризираща поведението на електрона в силовите полета на кристалните вещества. Това е така наречената ефективна електронна маса. Неговата стойност се изчислява на базата на факта, че движението на електрона в кристал е обект на допълнителни сили, чийто източник е самият кристална решетка. Такова движение може да бъде описано като стандартно за един свободен електрон, но при изчисляване на инерцията и енергията на такава частица не трябва да се вземе предвид не масата на почивка на електрона, а ефективната, чиято стойност ще бъде различна.

Електронният импулс в кристала

Състоянието на всяка свободна частица може да се характеризира с величината на нейния инертен момент. Тъй като стойността на импулса вече е определена, тогава, според принципа на неопределеността, координатите на частиците изглеждат замъглени в целия кристал. Вероятността да се срещне електрона във всяка точка на кристалната решетка е почти същата. Електронният импулс характеризира състоянието му във всяка координата на енергийното поле. Изчисленията показват, че зависимостта на енергията на електрона от нейната инерция е същата като тази на свободната частица, но масата на електрона може да приеме стойност, която се различава от обичайната. Като цяло енергията на електрона, изразена чрез импулс, ще има формата E (p) = p ² / 2m *. В този случай m * е ефективната електронна маса. Практическото приложение на ефективната маса на електрона е изключително важно при разработването и изучаването на нови полупроводникови материали, използвани в електрониката и микротехнологията.

Масата на електрона, както и всяка друга квазичастица, не може да се характеризира със стандартни характеристики, подходящи за нашата Вселена. Всяка характеристика на микрочастица може да изненада и предизвика всички наши идеи за света около нас.