Из чего состоит электрон? Масса и заряд электрона. Что такое масса электрона
Каким же образом можно экспериментально определить массу электрона или протона, ускоряя заряженную частицу на известном отрезке пути в известном однородном электрическом поле и измеряя ее конечную скорость? Как известно, если тело проходит путь d в направлении силы F, то работа Fd, затраченная на перемещение тела, равна приращению его кинетической энергии. Если же движение начинается от состояния покоя, то эта работа равна также конечной кинетической энергии тела: Fd=mv 2 /2
Таким образом, если известны F, d и v, то отсюда можно найти массу m.
В опытах, о которых пойдет речь, интересующие нас заряженные частицы ускоряются однородным силовым полем между двумя заряженными металлическими пластинами. Зная расстояние между пластинами и число заряжающих их батарей, можно определить электрическую силу, приложенную к каждому элементарному заряду. Опыты производятся в вакууме, чтобы исключить сопротивление воздуха, имевшее место в микро-микровесах. Кроме того, поскольку протоны и электроны более чем в 10 11 раз легче пластмассовых шариков, использованных в микро-микровесах, в данных опытах можно пренебречь силой тяготения по сравнению с электрическими силами.
Некоторое количество водорода подвергается ионизации вблизи пары заряженных пластин (рис.), после чего некоторые из ионов заходят с пренебрежимо малой скоростью через небольшое отверстие в пространство между пластинами. По мере движения ионов от одной пластины к другой электрическое поле ускоряет ионы, сообщая им конечную кинетическую энергию mv 2 /2. В правой пластине имеется небольшое отверстие, через которое некоторые из ионов могут попадать в камеру длиной 0,50 м (рис.). Эта камера изготовлена из проводящего материала, и, поскольку в ней нет электрического поля, ионы проходят всю ее длину без изменения своей скорости. На прохождение всего этого пути иону требуется всего лишь несколько микросекунд (1 мкс=10 -6 с). Хотя этот промежуток времени и очень мал, все же он доступен точному измерению посредством специального измерительного устройства. Это позволяет точно определить конечную скорость иона v.
Для измерения времени прохождения ионами длинной камеры от одного конца до другого надо заметить момент, когда данный ион покинет данную точку слева, и время, когда этот же ион достигнет дальнего конца справа. Чтобы заметить время, когда данный ион входит в длинную камеру, помещаем около входа пару небольших отклоняющих пластин (рис.). С их помощью можно управлять направлением пучка водородных ионов. Когда отклоняющие пластины заряжены, на ионы водорода действует боковая электрическая сила, которая отклоняет их в сторону от их траектории. Если же затем разрядить отклоняющие пластины, то по продольной оси камеры будут двигаться только те ионы, которые только что или позже попали в камеру; поэтому первыми ионами, прошедшими отверстие на дальнем конце, будут те, которые прошли весь путь в 0,50 м за время с момента разрядки пластин. Приход этих ионов регистрируется воспринимающим элементом, помещенным за отверстием.
Для измерения промежутка времени с момента разрядки пластин до момента прихода первых ионов на воспринимающий элемент отклоняющие пластины в камере соединяются с вертикальными отклоняющими пластинами осциллографа (рис.). Момент разряжения пластин в длинной камере отмечается пиком на кривой, вычерчиваемой на экране, осциллографа. Воспринимающий элемент у дальнего конца длинной камеры присоединяется к тем же вертикальным отклоняющим пластинам осциллографа (электрические соединения обоих концов камеры выполняются совершенно одинаково). Когда пучок ионов попадает в воспринимающий элемент, на экране осциллографа появляется второй пик (рис.). Два пика появляются в разных местах экрана, так как они возникли в разное время. В течение промежуточного времени между этими двумя моментами развертывающая цепь осциллографа вызывает горизонтальное перемещение электронного пучка на экране. Электронный пучок в осциллографе проходит расстояние между двумя пиками за то же время, за какое ионы водорода проходят 0,50 м в камере.
В современных осциллографах цепь развертки может вызвать горизонтальное перемещение электронного пучка на экране трубки от одного конца до другого за несколько сотых долей микросекунды. Для измерения скорости ионов цепь развертки настраивается так, чтобы вся кривая проходилась за 5 микросекунд. Тогда два пика на экране осциллографа будут заметно разделены. Измерением расстояния между пиками определяется время, за которое пучок пересекает длинную камеру. Находят промежуток времени от момента, когда пучок получает возможность двигаться прямо вперед, до момента, когда он попадает в воспринимающий элемент, с точностью до 0,01 микросекунды. В случае ионов водорода и 90- вольтовой батареи, создающей ускоряющую электрическую силу, время пролета равно 3,82 микросекунды. Отсюда можно вычислить скорость v ионов в длинной камере. Она равна 0,50 м/(3,82*10 -6 с) = = 1,31*10 5 м/с.
С другой стороны, пластины здесь ровно втрое дальше друг от друга, чем в микро-микровесах, в которых производился опыт Милликена,; кроме того, здесь используется втрое меньше таких же батарей. Поскольку сила, приходящаяся на элементарный заряд, пропорциональна числу одинаковых батарей и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами, на каждый элементарный заряд теперь должна действовать в девять раз меньшая сила, т. е. 1/9*10 -14).
Если предположить, что один атом водорода несет один элементарный заряд, то каждый ион между пластинами испытывает только что выраженную силу. Двигаясь от одной пластины к другой, ион проходит путь 9,3 10 -3 м по направлению силы, так что произведенная работа по перемещению иона равна Fd = 1/9(1,4*10 -14 Н)*(9,3 10 -3 м)= 1,4 10 -17 Дж. Следовательно,
mv/2=m (1,3*10 5 м/с) 2 /2=1,4 *10 -17 Дж.
Отсюда для массы иона водорода т находим
m= 1,7 *10 -27 кг.
Но ведь эта величина нам хорошо известна. В пределах точности наших измерений она совпадает с массой атома водорода.
Теперь можно подвести итог. Если ион водорода заряжен однократно, то его масса почти равна массе атома водорода. Можно даже сделать дальнейший шаг и утверждать, что ион водорода действительно является носителем единичного заряда и что его масса практически равна массе атома. Это должно быть правильным, так как предположение, что ион несет больший заряд, приведет к абсурдному результату. Например, если ион несет два элементарных заряда, то действительная величина mv 2 /2 должна быть в два раза больше принятого нами значения. Поскольку мы измеряли v, это может только значить, что масса иона в два раза больше найденной нами. Такой ион водорода обладал бы массой, в два раза превосходящей массу атома, осколком которого он является. Этот вывод настолько неправдоподобен, что мы его отбрасываем.
Ранее уже имелись указания, что электроны представляют собой строительные элементы, входящие во все атомы. По-видимому, ион водорода представляет собой атом водорода, потерявший один электрон. Кроме того, мы никогда ни в этом, ни в других опытах не встречали положительно заряженного осколка водорода с двумя положительными элементарными зарядами. Это одно из многих доказательств того, что положительно заряженный ион водорода является конечным строительным элементом. Это - протон. Когда водород расщепляется на заряженные частицы, то, как только что было установлено, протону принадлежит почти вся масса атома. Поэтому электроны должны быть очень легкими. Можно использовать те же приборы для измерения массы электрона и таким образом проверить этот вывод.
В
физике твёрдого тела, эффективной
массой частицы называется динамическая
масса, которая появляется при движении
частицы в периодическом потенциале
кристалла. Можно показать, что электроны
и дырки в кристалле реагируют на
электрическое поле так, как если бы они
свободно двигались в вакууме, но с некой
эффективной массой, которую обычно
определяют в единицах массы покоя
электрона me
(9.11×10−31 кг). Она отлична от массы покоя
электрона. Эффективная масса определяется
из аналогии со вторым законом Ньютона
помощью квантовой механики можно
показать, что для электрона во внешнем
электрическом полеE:
де
a - ускорение,
-
постоянная Планка, k - волновой вектор,
который определяется из импульса как
k =,
ε(k) - закон дисперсии, который связывает
энергию с волновым вектором k. В
присутствии электрического поля на
электрон действует сила,
где заряд обозначен q. Отсюда можно
получить выражение для эффективной
массы m * :
Для
свободной частицы закон дисперсии
квадратичен, и таким образом эффективная
масса является постоянной и равной
массе покоя. В кристалле ситуация более
сложна и закон дисперсии отличается
от квадратичного. В этом случае только
в экстремумах кривой закона дисперсии,
там где можно аппроксимировать параболой
можно использовать понятие массы.
Эффективная масса зависит от направления
в кристалле и является в общем случае
тензором. Те́нзор эффекти́вной ма́ссы
- термин физики твёрдого тела,
характеризующий сложную природу
эффективной массы квазичастицы
(электрона, дырки) в твёрдом теле.
Тензорная природа эффективной массы
иллюстрирует тот факт, что в кристаллической
решётке электрон движется не как частица
с массой покоя, а как квазичастица, у
которой масса зависит от направления
движения относительно кристаллографических
осей кристалла. Эффективная масса
вводится, когда имеется параболический
закон дисперсии, иначе масса начинает
зависеть от энергии. В связи с этим
возможна отрицательная эффективная
масса. По определению эффективную массу
находят из закона дисперсии
Где- волновой вектор,- символ Кронекера,- постоянная Планка. Электрон. Электро́н
- стабильная, отрицательно заряженная
элементарная частица, одна из основных
структурных единиц вещества. Является
фермионом (т.е. имеет полуцелый спин).
Относится к лептонам (единственная
стабильная частица среди заряженных
лептонов). Из электронов состоят
электронные оболочки атомов, где их
число и положение определяет почти все
химические свойства веществ. Движение
свободных электронов обусловливает
такие явления, как электрический ток
в проводниках и вакууме. Электрон как
квазичастица. Если электрон находится
в периодическом потенциале, его движение
рассматривается как движение квазичастицы.
Его состояния описываются квазиволновым
вектором. Основной динамической
характеристикой в случае квадратичного
закона дисперсии является эффективная
масса, которая может значительно
отличаться от массы свободного электрона
и в общем случае является тензором.
Свойства Заряд электрона неделим и
равен −1,602176487(40)×10−19 Клкг - масса электрона.Кл - заряд электрона.
Кл/кг - удельный заряд электрона.
спин электрона в единицахСогласно современным представлениям
физики элементарных частиц, электрон
неделим и бесструктурен (как минимум
до расстояний 10−17 см). Электрон участвует
в слабом, электромагнитном и гравитационном
взаимодействиях. Он принадлежит к
группе лептонов и является (вместе со
своей античастицей, позитроном) легчайшим
из заряженных лептонов. До открытия
массы нейтрино электрон считался
наиболее лёгкой из массивных частиц -
его масса примерно в 1836 раз меньше массы
протона. Спин электрона равен 1/2, и,
таким образом, электрон относится к
фермионам. Как и любая заряженная
частица со спином, электрон обладает
магнитным моментом, причем магнитный
момент делится на нормальную часть и
аномальный магнитный момент. Иногда к
электронам относят как собственно
электроны, так и позитроны (например,
рассматривая их как общее электрон-позитронное
поле, решение уравнения Дирака). В этом
случае отрицательно заряженный электрон
называют негатроном, положительно
заряженный - позитроном. Находясь в
периодическом потенциале кристалла,
электрон рассматривается как квазичастица,
эффективная масса которой может
значительно отличаться от массы
электрона. Свободный электрон не может
поглотить фотон, хотя и может рассеять
его (см. эффект Комптона). Дырка. Ды́рка
- квазичастица, носитель положительного
заряда, равного элементарному заряду
в полупроводниках. Определение по ГОСТ
22622-77: Незаполненная валентная связь,
которая проявляет себя как положительный
заряд, численно равный заряду электрона.
Понятие дырки вводится в зонной теории
для описания электронных явлений в не
полностью заполненной электронами
валентной зоне. В электронном спектре
валентной зоны часто возникает несколько
зон, различающихся величиной эффективной
массы и энергетическим положением
(зоны легких и тяжёлых дырок, зона
спин-орбитально отщепленных дырок).
Итак, электрон – это элементарная частица, заряженная отрицательно. Электроны составляют материю, из которой состоит все сущее. Отметим также, что электрон является фермионом, что говорит о его полуцелом спине, а также имеет дуальную природу, ибо может быть как частицей материи, так и волной. Если рассматривается его свойство, как масса, то подразумевается первая его сущность.
Масса электрона имеет ту же природу, что любого другого макроскопического объекта, однако все меняется, когда скорости движения материальных частиц становятся близкими к скорости света. В этом случае в силу вступает релятивистская механика, являющая надмножеством классической механики и распространяющаяся на случаи движения тел с высокими скоростями.
Итак, в классической механике понятие «масса покоя» не существует, ибо считается, что масса тела не изменятся при его движении. Данное обстоятельство подтверждается также и опытными фактами. Однако данный факт является всего лишь приближением на случай малых скоростей. Под малыми скоростями здесь подразумеваются скорости гораздо меньшие по величине, чем скорость света. В ситуации же, когда скорость тела сравнима со скоростью света, масса любого тела изменяется. Электрон – не исключение. Более того, данная закономерность имеет достаточную значимость именно для микрочастиц. Это обосновано тем, что именно в микромире возможны такие высокие скорости, при которых изменения массы становятся заметны. Причем в масштабах микромира данный эффект происходит непрерывно.
Увеличение массы электрона
Итак, при движении частиц (электрона) с релятивистскими скоростями их масса изменяется. Причём, чем больше скорость частицы, тем больше и ее масса. При стремлении значения скорости движения частицы к скорости света масса ее стремится к бесконечности. В случае же, когда скорость частицы равна нулю, масса становится равной константе, которая и называется массой покоя, в том числе массой покоя электрона. Причина данного эффекта кроется в релятивистских свойствах частицы.
Дело в том, что масса частицы прямо пропорциональна ее энергии. Та же, в свою очередь, прямо пропорциональна сумме кинетической энергии частицы и ее энергии в покоящемся состоянии, которая и содержит в себе массу покоя. Таким образом, первый член в этой сумме приводит к тому, что масса движущейся частицы увеличивается (как следствие изменения энергии).
Численное значение массы покоя электрона
Массу покоя электрона и других элементарных частиц обычно измеряют в электронвольтах. Один электронвольт равен энергии, затрачиваемой элементарным зарядом на преодоление разности потенциалов в один вольт. В данных единицах масса покоя электрона равна 0,511 МэВ.
У этого термина существуют и другие значения, см. Электрон (значения). «Электрон 2» «Электрон» серия из четырёх советских искусственных спутников Земли, запущенных в 1964 году. Цель … Википедия
Электрон - (Новосибирск,Россия) Категория отеля: 3 звездочный отель Адрес: 2 ой Краснодонский Переулок … Каталог отелей
ЭЛЕКТРОН - (символ е, е), первая элем. ч ца, открытая в физике; матер. носитель наименьшей массы и наименьшего электрич. заряда в природе. Э. составная часть атомов; их число в нейтр. атоме равно ат. номеру, т. е. числу протонов в ядре. Заряд (е) и масса… … Физическая энциклопедия
Электрон - (Москва,Россия) Категория отеля: 2 звездочный отель Адрес: Проспект Андропова 38 строение 2 … Каталог отелей
Электрон - (e , e) (от греческого elektron янтарь; вещество, легко электризующееся при трении), стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом e=1,6´10 19 Кл и массой 9´10 28 г. Относится к классу лептонов. Открыт английским физиком… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ЭЛЕКТРОН - (е е), стабильная отрицательно заряженная элементарная частица со спином 1/2, массой ок. 9.10 28 г и магнитным моментом, равным магнетону Бора; относится к лептонам и участвует в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях.… …
ЭЛЕКТРОН - (обозначение е), устойчивая ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЧАСТИЦА с отрицательным зарядом и массой покоя 9,1310 31 кг (что составляет 1/1836 от массы ПРОТОНА). Электроны были обнаружены в 1879 г. английским физиком Джозефом Томсоном. Они движутся вокруг ЯДРА,… … Научно-технический энциклопедический словарь
электрон - сущ., кол во синонимов: 12 дельта электрон (1) лептон (7) минерал (5627) … Словарь синонимов
ЭЛЕКТРОН - искусственный спутник Земли, созданный в СССР для изучения радиационных поясов и магнитного поля Земли. Запускались парами один по траектории, лежащей ниже, а другой выше радиационных поясов. В 1964 запущено 2 пары Электронов … Большой Энциклопедический словарь
ЭЛЕКТРОН - ЭЛЕКТРОН, элктрона, муж. (греч. elektron янтарь). 1. Частица с наименьшим отрицательным электрическим зарядом, образующая в соединении с протоном атом (физ.). Движение электронов создает электрический ток. 2. только ед. Легкий магниевый сплав,… … Толковый словарь Ушакова
ЭЛЕКТРОН - ЭЛЕКТРОН, а, м. (спец.). Элементарная частица с наименьшим отрицательным электрическим зарядом. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
Книги
- Электрон. Энергия Космоса , Ландау Лев Давидович, Китайгородский Александр Исаакович. Книги лауреата Нобелевской премии Льва Ландау и Александра Китайгородского - тексты, переворачивающие обывательское представление об окружающем мире. Большинство из нас, постоянно сталкиваясь… Купить за 491 руб
- Электрон Энергия космоса , Ландау Л., Китайгородский А.. Книги лауреата Нобелевской премии Льва Ландау и Александра Китайгородского тексты, переворачивающие обывательское представление об окружающем мире. Большинствоиз нас, постоянно сталкиваясь с…
