Ең тікелей анықтамаэлектрон заряды ұсақ бөлшектерде пайда болған өте аз зарядтар өлшенген Р.Милликанның тәжірибелерінде шығарылды. Бұл эксперименттердің идеясы келесідей болды. Электрондық теорияның негізгі түсініктеріне сәйкес дененің заряды ондағы электрондар санының өзгеруі нәтижесінде пайда болады (немесе заряды электронды зарядқа тең немесе еселенген оң иондар). Нәтижесінде кез келген дененің заряды күрт өзгеруі керек, сонымен қатар электрон зарядтарының бүтін саны бар бөліктерде. Сондықтан экспериментальды түрде өзгерістің дискретті сипатын анықтады электр заряды, осылайша сіз электрондардың бар екендігі туралы растау ала аласыз және бір электронның зарядын анықтай аласыз (қарапайым заряд).

Мұндай тәжірибелерде өлшенген зарядтар өте аз болуы керек және электронды зарядтардың аз ғана санынан тұруы керек екені түсінікті. Әйтпесе, бір электронды қосу немесе азайту жалпы зарядтың аз ғана пайыздық өзгеруіне әкеледі, сондықтан зарядты өлшеуде сөзсіз қателіктерге байланысты бақылаушыдан оңай тайып кетуі мүмкін.

Бөлшектердің заряды шынымен секіру кезінде өзгеретіні тәжірибеде анықталды, ал зарядтың өзгеруі әрқашан белгілі бір соңғы зарядтың еселігі болатын.

Милликан тәжірибесінің диаграммасы күріште көрсетілген. 249. Құрылғының негізгі бөлігі - пластиналары бірнеше мың вольт кернеу көзіне қосылған мұқият дайындалған жазық конденсатор. Пластиналар арасындағы кернеуді әр түрлі етіп өлшеуге болады. Арнайы бүріккіш пистолетпен алынған майдың кішкене тамшылары үстіңгі тақтайдағы тесік арқылы пластиналар арасындағы кеңістікке түседі. Жеке майлы тамшының қозғалысы микроскоппен байқалады. Конденсатор тұрақты температурада сақталатын қорғаныш қаптамамен қоршалған, ол тамшыларды ауаның конвекциялық ағындарынан қорғайды.

Май тамшылары шашыратылған кезде зарядталады, сондықтан әрқайсысына екі күш әсер етеді: нәтижесінде пайда болған ауырлық күші мен жүзу күші (Архимед) күші мен электр өрісінің әсерінен болатын күш.

Металл арқылы электр тогының өтуі

Электронды өткізгіштікметалдар. Металдардың (бірінші түрдегі өткізгіштер) токтың өтуі олардың химиялық өзгерісімен жүрмейді. Бұл жағдай бізді ток өткізген кезде металл атомдары өткізгіштің бір бөлігінен екіншісіне ауыспайды деп есептеуге мәжбүр етеді. Бұл болжамды неміс физигі Карл Виктор Эдуард Рикенің (1845-1915) тәжірибелері растады. Рикке шынжыр жасады, оның ішінде үш цилиндр бір -біріне тығыз қысылған, оның екі сыртқы бөлігі мыс, ал ортасы алюминий. Бұл цилиндрлерден электр тогы өте ұзақ уақыт бойы (бір жылдан астам) өтті, осылайша ағып жатқан электр энергиясының көлемі үлкен мәнге (3 000 000 С -тан жоғары) жетті. Мыс пен алюминийдің жанасу орнына мұқият талдау жасағаннан кейін Рикке бір металдың екіншісіне енуінің ізін таба алмады. Осылайша, ток металдар арқылы өткен кезде металл атомдары токпен қозғалмайды.

Металл арқылы ток өткен кезде зарядтың ауысуы қалай жүреді?

Біз бірнеше рет қолданған электронды теория тұжырымдамаларына сәйкес әр атомды құрайтын теріс және оң зарядтар бір -бірінен айтарлықтай ерекшеленеді. Оң заряд атомның өзімен байланысты және қалыпты жағдайда атомның негізгі бөлігінен (оның ядросынан) бөлінбейді. Теріс зарядтар - белгілі бір заряды мен массасы бар электрондар, ең жеңіл атом - сутегінің массасынан шамамен 2000 есе аз, атомнан салыстырмалы түрде оңай бөлінуі мүмкін; электронды жоғалтқан атом оң зарядталған ион түзеді. Металдарда әрқашан атомнан бөлінген «еркін» электрондардың едәуір саны болады, олар металды айналып өтіп, бір ионнан екіншісіне өтеді. Бұл электрондар әсер етеді электр өрісіметалға оңай ауысады. Иондар, керісінше, металдың тірегін құрайды, оның кристалдық торын құрайды (І томды қараңыз).

Металдағы оң және теріс электр зарядтарының айырмашылығын ашатын ең сенімді құбылыстардың бірі - § 9 -да көрсетілген фотоэлектрлік эффект, бұл электрондарды металдан салыстырмалы түрде оңай шығаруға болатынын көрсетеді, ал оң зарядтар берік байланысады. металл зат. Егер ток атомдар арқылы өтсе және олармен байланысты оң зарядтар өткізгіш бойымен қозғалмаса, онда бос электрондар металдағы электр тасымалдаушы ретінде қарастырылуы керек. Бұл идеялардың тікелей растауы 1912 жылы Л. И. Мандельштам мен Н.Д.Папалекси *) алғаш рет жасаған, бірақ олар жарияламаған маңызды эксперименттер болды. Төрт жылдан кейін (1916 ж.) Р.Ч.Толман мен Т.Д.Стюарт өз тәжірибелерінің нәтижелерін жариялады, бұл Мандельштам мен Папалексиге ұқсас болып шықты.

Бұл эксперименттерді қойғанда олар келесі идеяға сүйенді. Егер металда массасы бар еркін зарядтар болса, онда олар инерция заңына бағынуы керек (І томды қараңыз). Өткізгіш - мысалы, солдан оңға қарай - бұл бағытта қозғалатын металл атомдарының жиынтығы, олармен бірге еркін зарядтар түседі. Мұндай өткізгіш кенеттен тоқтағанда, оны құрайтын атомдар тоқтайды; инерция бойынша ақысыз зарядтар әр түрлі кедергілер (тоқтаған атомдармен соқтығысу) оларды тоқтатқанша солдан оңға қарай жылжуын жалғастыруы керек. Бұл құбылыс трамвайдың кенеттен тоқтауы кезінде байқалады, бұл кезде «бос» заттар мен вагонға инерциямен бекітілмеген адамдар біраз уақыт алға жылжи береді.

Осылайша, қысқа уақытөткізгішті тоқтатқаннан кейін ондағы бос зарядтар бір бағытта қозғалуы керек. Бірақ зарядтардың белгілі бір бағытта қозғалысы - электр тогы. Сондықтан, егер біздің ойымыз дұрыс болса, онда өткізгіш кенеттен тоқтағаннан кейін онда қысқа мерзімді ток пайда болады деп күту керек. Бұл ағымның бағыты инерциямен қозғалатын зарядтардың белгісін бағалауға мүмкіндік береді; егер оң зарядтар солдан оңға қарай жылжиды, онда солдан оңға бағытталған ток болады; егер теріс зарядтар осы бағытта қозғалса, онда оңнан солға қарай бағыты бар ток байқалуы керек. Алынған ток зарядтарға және олардың тасымалдаушыларының кедергіге қарамастан, инерция бойынша қозғалысын ұзақ немесе аз уақыт бойы ұстап тұру қабілетіне, яғни олардың массасына байланысты. Осылайша, бұл эксперимент металда бос зарядтардың бар екендігі туралы болжамды тексеруге мүмкіндік беріп қана қоймай, сонымен қатар зарядтардың өзін, олардың белгісін және тасымалдаушыларының массасын (дәлірек айтқанда, зарядтың массаға қатынасын) анықтауға мүмкіндік береді. е / м).

Экспериментті іс жүзінде жүзеге асыру кезінде аудармалық емес, қолдану ыңғайлы болып шықты айналмалы қозғалысдирижер. Мұндай тәжірибенің диаграммасы күріште көрсетілген. 141. Бiр -бiрiнен оқшауланған екi жартылай өктем енетiн катушкада 00, сым спиралы күшейтілген /. Спиральдың ұштары осьтің екі жартысына да, жылжымалы контактілерді қолданып дәнекерленген 2 («Қылқаламдар») сезімтал гальванометрге қосылған 3. Катушка тез айналады, содан кейін кенеттен тежеледі. Тәжірибе көрсеткендей, гальванометрде электр тогы пайда болды. Бұл токтың бағыты теріс зарядтардың инерциямен қозғалатынын көрсетті. Осы қысқа мерзімді ток өткізетін зарядты өлшеу арқылы бос зарядтың оны тасымалдаушы массасына қатынасын табуға болады. Бұл коэффициент e / m = l, 8 ∙ 10 11 C / kg -ге тең болып шықты, бұл электрондар үшін басқа коэффициент мәнімен жақсы келісілген. Сонымен, эксперименттер металдарда бос электрондар бар екенін көрсетеді. Бұл эксперименттер металдардың электронды теориясының маңызды растауларының бірі болып табылады. Металдардағы электр тогы - еркін электрондардың реттелген қозғалысы(өткізгіште үнемі болатын олардың тұрақсыз жылу қозғалысына қарағанда).

Металдардың құрылысы. Металды құрайтын бос электрондар да, оның иондары да үздіксіз ретсіз қозғалыста болады. Бұл қозғалыстың энергиясы - дененің ішкі энергиясы. Кристалдық торды құрайтын иондардың қозғалысы тек олардың тепе -теңдік позицияларының айналасындағы тербелістерден тұрады. Еркін электрондар металдың барлық көлемінде қозғала алады.

Егер металдың ішінде электр өрісі болмаса, онда электрондардың қозғалысы толығымен хаотикалық болады; әр сәтте әр түрлі электрондардың жылдамдығы әр түрлі және бағыттары әр түрлі (143 -сурет, бірақ).Бұл мағынада электрондар қарапайым газға ұқсайды, сондықтан оларды жиі электронды газ деп атайды. Мұндай жылулық қозғалыс ешқандай ток тудырмайтыны анық, өйткені толық кездейсоқтықтың арқасында көптеген электрондар әр бағытта қарама -қарсы бағытта қозғалады, сондықтан металдың кез келген ауданы арқылы өтетін жалпы заряд нөлге тең болады.

Егер өткізгіштің ұштарына потенциалдар айырмасын қолдансақ, яғни металдың ішінде электр өрісін құрсақ, мәселе өзгереді. Өріс кернеулігі E. болсын. Содан кейін күш электрондардың әрқайсысына әсер етеді eE (е- электрон заряды), электрондардың теріс зарядына байланысты өріске қарама -қарсы бағытталған. Осының арқасында электрондар бір бағытқа бағытталған қосымша жылдамдықтарға ие болады (143 -сурет, б). Енді электрондардың қозғалысы толық хаостық болмайды: кездейсоқ жылу қозғалысымен бірге электронды газ тұтастай қозғалады, демек электр тогы пайда болады. Бейнелеп айтқанда, металдардағы ток «электронды жел» деп айтуға болады сыртқы өріс... Электр кедергісінің себебі. Енді біз металдардың электр тогына қарсылық көрсететінін түсінеміз, яғни ұзақ токты ұстап тұру үшін металл өткізгіштің ұштарындағы потенциалдар айырмасын үнемі ұстап тұру қажет. Егер электрондар қозғалыс кезінде ешқандай кедергі жасамаған болса, онда олар реттелген қозғалысқа келтірілгенде, олар инерциямен, электр өрісінің әсерінсіз, шексіз уақытқа қозғалады. Алайда іс жүзінде электрондар иондармен соқтығысады. Бұл жағдайда соқтығысудан бұрын реттелген қозғалыстың белгілі бір жылдамдығына ие электрондар, соқтығысудан кейін кездейсоқ, кездейсоқ бағытта секіреді, ал электрондардың реттелген қозғалысы (электр тогы) кездейсоқ (жылулық) қозғалысқа айналады: кейін электр өрісінің жойылуы, ток тез арада жоғалады. Ұзақ мерзімді ток алу үшін әр соқтығысудан кейін электрондарды белгілі бір бағытта қайта-қайта қозғау қажет, бұл үшін электрондарға үнемі күш әсер етуі қажет, яғни , металдың ішінде электр өрісі бар.

Металл өткізгіштің ұштарында потенциалдар айырмасы неғұрлым көп сақталса, оның ішіндегі электр өрісі соғұрлым күшті болса, өткізгіштегі ток соғұрлым үлкен болады. Біз көрсетпейтін есеп потенциалдар айырмасы мен ток күші бір -біріне қатаң пропорционалды болуы керек екенін көрсетеді (Ом заңы).

Электр өрісінің әсерінен қозғала отырып, электрондар кинетикалық энергияға ие болады. Соқтығысу кезінде бұл энергия ішінара тор иондарына өтеді, сондықтан олар қарқынды жылу қозғалысына түседі. Осылайша, ток болған кезде электрондардың реттелген қозғалысының энергиясы (ток) үнемі иондар мен электрондардың хаотикалық қозғалысының энергиясына айналады, бұл дененің ішкі энергиясы; бұл дегеніміз ішкі энергияметалл көбейеді. Бұл Джоуль жылуының бөлінуін түсіндіреді.

Қысқаша айтқанда, біз мұны айта аламыз Электр кедергісінің себебі - электрондар қозғалыста металл иондарымен соқтығысады.Бұл соқтығысулар электрондардың қозғалысын бәсеңдетуге бейім тұрақты үйкеліс күшінің әрекетімен бірдей нәтиже береді.

Әр түрлі металдардың өткізгіштігінің айырмашылығы металдың бірлік көлеміндегі бос электрондар санының кейбір айырмашылығына және электрондардың қозғалысы жағдайына байланысты, олар орташа бос жолдың айырмашылығына дейін қайтады. Орташа есеппен электрон ионмен екі соқтығысу арасында жүрді. Бірақ бұл айырмашылықтар аса маңызды емес, нәтижесінде кейбір металдардың өткізгіштігі басқаларының өткізгіштігінен небәрі бірнеше ондаған есе ғана ерекшеленеді; сонымен бірге ең нашар металл өткізгіштердің өткізгіштігі жақсы электролитке қарағанда жүздеген мың есе және жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінен миллиардтаған есе артық.

Өте өткізгіштік құбылысы металдарда электрондар олардың қозғалысына қарсылық көрсетпейтін жағдайлардың пайда болғанын білдіреді. Сондықтан, өткізгіштегі токты ұзақ уақыт ұстап тұру үшін потенциалдар айырымының қажеті жоқ. Электрондарды қандай да бір серпінмен қозғалысқа келтіру жеткілікті, содан кейін суперөткізгіштегі ток потенциалдар айырымы жойылғаннан кейін де болады.

Жұмыстан шығу. Еркін электрондар металдың ішінде үздіксіз жылулық қозғалыста болады. Алайда, бұған қарамастан олар металдан ұшып кетпейді. Бұл олардың қашуын болдырмайтын кейбір күштердің бар екенін көрсетеді, яғни металдың бетінен кетуге ұмтылатын электрондар металдан сыртқа бағытталған электр өрісінің әсерінен беткі қабатта әрекет етеді (электрондар теріс). Бұл электрон металдың үстіңгі қабатынан өткенде, бұл қабаттағы электронға әсер ететін күштер теріс жұмыс жасайды - БІРАҚ(мұнда A> 0), демек, металдың ішіндегі және сыртындағы нүктелер арасында кернеу пайда болады шығыс кернеуі.

Айтылғандардан электронды металдан вакуумға шығару үшін беттік қабатта әрекет ететін күштерге қарсы оң жұмыс істеу керек деген қорытынды шығады. жұмыстан шығу.Бұл көрсеткіш металдың сипатына байланысты.

Жұмыс функциясы мен шығыс потенциалы арасында айқын байланыс бар

қайда д- электрон заряды (дәлірек айтқанда, электрон зарядының абсолюттік мәні, қарапайым зарядқа тең). Сондықтан жұмыс функциясы әдетте ретінде жазылады экв>.

Жұмыс ecrбеткі қабаттағы күштерге қарсы электрон кинетикалық энергия қорына байланысты орындай алады. Егер кинетикалық энергияаз жұмыс функциясы, ол беткі қабатқа ене алмайды және металдың ішінде қалады. Осылайша, электронның металдан қашып кете алатын жағдайы формасы бар

Мұнда Т.- электрон массасы, v nоның жылдамдығының қалыпты (бетіне перпендикуляр) компоненті, еU - жұмыс функциясы.

Бөлме температурасында металдағы электрондардың жылу қозғалысының орташа энергиясы жұмыс функциясына қарағанда бірнеше ондаған есе аз; демек, іс жүзінде барлық электрондар беткі қабатта, металл ішінде болатын өріспен ұсталады.

Әдетте жұмыс функциясы джоульмен емес, өлшеммен өлшенеді электронды вольт(eV). Бір электронды ток - бұл өріс күштерінің электрон зарядына тең зарядта жасаған жұмысы(яғни қарапайым заряд бойынша f) бір вольтты кернеуден өткенде:Қыздыру денелерінің электрондар шығаруы.Металдардағы электрондардың жылулық қозғалысы кездейсоқ, сондықтан жеке электрондардың жылдамдықтары бір -бірінен айтарлықтай ерекшеленуі мүмкін, дәл газ молекулалары сияқты. Бұл металдың ішінде әрқашан бетін бұзуға қабілетті жылдам электрондардың белгілі бір саны болады дегенді білдіреді. Басқаша айтқанда, егер біз қабылдаған металл құрылымның суреті дұрыс болса, онда электрондардың «булануы» сұйықтықтардың булануына ұқсас болуы керек.

Алайда, бөлме температурасында (89.2) жағдайы металл электрондарының шамалы бөлігі үшін ғана қанағаттандырылады, ал электрондардың булануы соншалықты әлсіз, оны анықтау мүмкін емес. Егер металл өте жоғары температураға (1500-2000 ° C) дейін қыздырылса, жағдай өзгереді. Бұл жағдайда жылулық жылдамдықтар артады, шығарылатын электрондар саны артады, ал олардың булануын эксперименттік жолмен оңай байқауға болады. Шам осындай экспериментке қызмет ете алады. L(144 -сурет), құрамында жіптен басқа КІМ(мысалы, вольфрам), тағы бір қосымша электрод Л. Шамның ауасы ауа иондарының қатысуымен құбылысты қиындатпау үшін мұқият шығарылады. £ i аккумуляторы мен гальванометрге қосылған шам Gаккумулятордың теріс полюсі жіпке қосылған етіп.

Суық жіппен гальванометрде ток болмайды, өйткені катод пен анод арасында зарядты көтере алатын иондар мен электрондар жоқ. Егер жіп қосалқы батареямен қыздырылса B 2және біртіндеп жіптің ағынын арттырыңыз, содан кейін жіп ақ-ыстық болған кезде тізбекте ток пайда болады. Бұл ток жіптен буланған электрондардың әсерінен пайда болады, олар қолданылған электр өрісінің әсерінен жіптен жылжиды. КІМэлектродқа БІРАҚҚыздыру катодының бірлік бетінен шығарылатын электрондардың саны оның температурасына және ол жасалған материалға (жұмыс функциясына) байланысты. Демек, байқалған ток жіпше температурасының жоғарылауымен өте тез артады.

Егер сіз батарея тіректерін қоссаңыз B 1жіп оң полюске қосылатындай етіп, онда біз жіпті қанша қыздырсақ та, тізбекте ток болмайды. Себебі, электр өрісі электрондарды А -дан К -ге ауыстыруға бейім, сондықтан буланған электрондарды жіпке қайтарады. Бұл тәжірибе сонымен қатар металдардың кристалдық торында берік байланысқан оң иондар емес, металдардан тек теріс электрондар буланатынын дәлелдейді. Атауымен сипатталған құбылыс термиялық эмиссия,көптеген маңызды қосымшаларды тапты.

Электрон (элементар бөлшектер)

Бұл мақаланы Владимир Горунович «Уикизание» сайты үшін жазды, «өріс теориясындағы электрон» деп аталады, ақпаратты бүлдірушілерден қорғау мақсатында осы сайтқа орналастырылған, содан кейін осы сайтта толықтырылған.

ҒЫЛЫМ шеңберінде әрекет ететін элементар бөлшектердің өріс теориясы ФИЗИКА дәлелдеген негізге негізделген:

• Классикалық электродинамика,
• Кванттық механика,
• Сақталу заңдары - физиканың негізгі заңдары.

Бұл элементар бөлшектердің өріс теориясы қолданатын ғылыми тәсілдің түбегейлі айырмашылығы - шынайы теория табиғат заңдары аясында қатаң жұмыс істеуі керек: бұл ҒЫЛЫМ.

Табиғатта жоқ элементар бөлшектерді қолданыңыз, табиғатта жоқ бөлшектерді ойлап табыңыз негізгі өзара әрекеттесулернемесе табиғатта бар ертегідегі өзара әрекеттестікті алмастыру, табиғат заңдылықтарын елемеу, олардың үстінен математикалық манипуляциялармен айналысу (ғылымның көрінісін жасау) - бұл ғылым ретінде берілетін ертегілердің көп бөлігі. Нәтижесінде физика математикалық ертегілер әлеміне еніп кетті.

1 Электрон радиусы
2 Электронның электр өрісі
3 Электронның магниттік моменті
4 Электрондық тыныштық массасы
5 21 ғасыр физикасы: Электрон (элементар бөлшек) - нәтиже

Электрон(English Electron) - электр заряды бар ең жеңіл элементар бөлшек. Кванттық сан L = 1/2 (спин = 1/2) - лептон тобы, электронды топша, электр заряды -е (элементар бөлшектердің өріс теориясына сәйкес жүйелену). Электронның тұрақтылығы электрлік зарядтың болуына байланысты, ол болмаған жағдайда электрон муоникалық нейтриноға ұқсас ыдырайды.

Элементар бөлшектердің өріс теориясына сәйкес электрон тұрақты компоненті бар айналатын поляризацияланған айнымалы электромагниттік өрістен тұрады.

Электронның магниттік өрісінің құрылымы(Е - тұрақты электр өрісі, Н - тұрақты магнит өрісі, ауыспалы электромагниттік өріс сары түспен белгіленген)

Энергия балансы (барлық ішкі энергияның пайызы):

• тұрақты электр өрісі (E) - 0,75%,
• тұрақты магнит өрісі (Н) - 1,8%,
• айнымалы электромагниттік өріс - 97,45%.

Бұл электронның айқын толқындық қасиеттерін және оның ядролық әрекеттесуге қатысқысы келмейтінін түсіндіреді. Электронның құрылымы суретте көрсетілген.

1 Электрон радиусы

Электронның радиусы (бөлшектің центрінен массаның максималды тығыздығына жеткенге дейінгі қашықтық) формуламен анықталады:

1,98 ∙ 10 -11 см -ге тең.

Мына электронды формуламен анықталады:

3,96 ∙ 10 -11 см тең.Р 0 мәніне ~ электронның ауыспалы электромагниттік өрісі алып жатқан сақиналы ауданның радиусы қосылды. Есте сақтау керек, электронның тұрақты (электрлік және магниттік) өрістерінде шоғырланған қалған массаның мәнінің бір бөлігі электродинамика заңдарына сәйкес осы аймақтан тыс орналасқан.

Электрон кез келген атом ядросынан үлкен, сондықтан ол онда бола алмайды атом ядролары, және нейтронның ыдырау процесінде туады, дәл позитрон протон ядросында ыдырау процесінде туады.

Электронның радиусы 10 -16 см ретті екендігі туралы мәлімдемелер негізсіз және классикалық электродинамикаға қайшы келеді. Мұндай сызықтық өлшемдермен электрон протоннан ауыр болуы керек.

2 Электронның электр өрісі

Электронның электр өрісі екі аймақтан тұрады: теріс заряды бар сыртқы аймақ және ішкі аймақ оң заряд... Ішкі аймақтың өлшемі электронның радиусымен анықталады. Сыртқы және ішкі аудандардың зарядтарының айырмашылығы электронның жалпы зарядын анықтайды. Оның кванттауы элементар бөлшектердің геометриясы мен құрылысына негізделген.

алыс аймақтағы (A) нүктесіндегі электронның электр өрісі (r >> r e) дәл, SI жүйесінде тең:

алыс аймақтағы электронның электр өрісі (r >> r e) дәл, SI жүйесінде тең:

қайда n= r / | r | (А) бақылау нүктесі бағытында электронның центрінен бірлік векторы, r - электрон центрінен бақылау нүктесіне дейінгі арақашықтық, e - қарапайым электр заряды, векторлар қалың шрифтпен бөлінген, ε 0 - электрлік тұрақты, re = Lħ / (m 0 ~ c) - өріс теориясындағы электронның радиусы, L - өріс теориясындағы электронның негізгі кванттық саны, ħ - Планк тұрақтысы, m 0 ~ - тыныштықтағы электронның ауыспалы электромагниттік өрісіндегі массаның мәні, с - жарық жылдамдығы. (GHS жүйесінде мультипликатор жоқ.)

Бұл математикалық өрнектер электронның электр өрісінің алыс аймағына сәйкес келеді: (r >> re), және «электронның электр өрісі Кулонда 10 -16см қашықтықта қалады» деген негізсіз мәлімдемелер ештеңеге сәйкес келмейді. шындықпен жасаңыз - бұл классикалық электродинамикаға қайшы келетін ертегілердің бірі.

Элементар бөлшектердің өріс теориясына сәйкес, зарядталған да, бейтарап та L> 0 кванттық саны бар элементар бөлшектердің тұрақты электр өрісі сәйкес элементар бөлшектің электромагниттік өрісінің тұрақты компонентімен құрылады. Ал электр заряд өрісі қарама -қарсы белгілердегі электр өрістерін тудыратын сыртқы және ішкі жарты шарлар арасында асимметрияның болуының нәтижесінде пайда болады. Алыс аймақтағы зарядталған элементар бөлшектер үшін элементар электр заряд өрісі пайда болады, ал электр зарядының белгісі сыртқы жарты шарда пайда болатын электр өрісінің белгісімен анықталады. күрделі құрылымжәне диполь, бірақ оның дипольдік моменті жоқ. Бұл өрісті нүктелік зарядтар жүйесі ретінде шамамен сипаттау үшін электронның ішінде кемінде 6 «кварк» қажет - егер біз 8 «кварк» алсақ жақсы. Бұл стандартты модельдің ауқымынан тыс екені түсінікті.

Электрон, кез келген басқа зарядталған элементар бөлшек сияқты, екі электр зарядына және сәйкесінше екі электрлік радиусқа ие:

• сыртқы тұрақты электр өрісінің электрлік радиусы (заряд -1.25е) - r q- = 3.66 10 -11 см.
• ішкі тұрақты электр өрісінің электрлік радиусы (заряд + 0,25е) - r q + = 3 10 -12 см.

Электронның электр өрісінің бұл сипаттамалары элементар бөлшектердің өріс теориясының 1 таралуына сәйкес келеді. Физика бұл үлестірудің дәлдігін тәжірибе жүзінде әлі анықтаған жоқ, және қай таралу жақын өрістегі электронның тұрақты электр өрісінің нақты құрылымына сәйкес келеді.

Электрлік радиус ұқсас электр өрісін құра отырып, айналасында біркелкі таралған электр зарядының орташа орналасуын көрсетеді. Екі электр заряды да бір жазықтықта (элементар бөлшектің айнымалы электромагниттік өрісінің айналу жазықтығы) жатыр және ортақ бөлшегі айнымалы электромагниттік өрістің айналу орталығымен сәйкес келетін ортақ центрге ие.

Жақын аймақтағы электронның электр өрісінің E күші(r ~ r e), SI -де векторлық қосынды ретінде шамамен тең:

қайда n -=r -/ r - q зарядының жақын (1) немесе алыс (2) нүктесінен бірлік векторы - электронды бақылау нүктесі (A) бағытында, n +=r +/ r - электронның q + зарядының жақын (1) немесе алыс (2) нүктесінен (A) бақылау нүктесі бойынша бірлік векторы, r - электронның центрінен проекцияға дейінгі қашықтық. электронды жазықтықтағы бақылау нүктесінің q, - сыртқы электр заряды -1,25 е, q + - ішкі электр заряды + 0,25е, векторлар қарамен белгіленген, ε 0 - электрлік тұрақты, z - бақылау нүктесінің биіктігі (A) (бақылау нүктесінен электронды жазықтыққа дейінгі қашықтық), r 0 - нормализация параметрі. (GHS жүйесінде мультипликатор жоқ.)

Бұл математикалық өрнек векторлардың қосындысы болып табылады және оны векторларды қосу ережелеріне сәйкес есептеу керек, себебі бұл екі таралған электр зарядының өрісі (q - = -1.25е және q + = + 0.25e). Бірінші және үшінші шарттар зарядтардың жақын нүктелеріне сәйкес келеді, екінші және төртінші - алыстағыларға. Бұл математикалық өрнек электронның ішкі (сақина) аймағында жұмыс істемейді, ол оның тұрақты өрістерін шығарады (егер бір мезгілде екі шарт орындалса: r

Жақын өрістің (А) нүктесіндегі электронның электр өрісінің потенциалы(r ~ r e), SI жүйесінде шамамен тең:

мұндағы r 0 - нормалау параметрі, оның мәні E формуласынан өзгеше болуы мүмкін. (CGS жүйесінде фактор жоқ.) Бұл математикалық өрнек оны шығаратын электронның ішкі (сақина) аймағында жұмыс істемейді. тұрақты өрістер (егер бір мезгілде екі шарт орындалса: r

Жақын өрістің екі өрнегі үшін r 0 калибрлеуі тұрақты электронды өрістерді тудыратын аймақ шекарасында орындалуы керек.

3 Электронның магниттік моменті

Қарсы салмақ кванттық теорияэлементар бөлшектердің өріс теориясы элементар бөлшектердің магнит өрісі электр зарядтарының айналуынан емес, электромагниттік өрістің тұрақты компоненті ретінде тұрақты электр өрісімен бір мезгілде болатынын айтады. Сондықтан L> 0 кванттық саны бар барлық элементар бөлшектерде магнит өрісі болады.

L негізгі кванттық сан мен лептондардың спинінің мәндері сәйкес келетіндіктен, екі теорияда зарядталған лептондардың магниттік моменттерінің мәндері де сәйкес келуі мүмкін.

Элементар бөлшектердің өріс теориясы электронның магниттік моментін аномальды деп есептемейді - оның мәні кванттық механика элементар бөлшекте жұмыс істейтін дәрежеде кванттық сандар жиынтығымен анықталады.

Сонымен, электронның негізгі магниттік моментін ток жасайды:

• ( -) магниттік моменті -0,5 eħ / m 0e c

Электронның магниттік моментін алу үшін айнымалы электромагниттік өрістің энергиясының пайызына 100 пайызға көбейту керек және спин компонентін қосу керек (элементар бөлшектер көзінің өріс теориясын қараңыз), нәтижесінде алу 0.5005786 eħ / m 0e c. Кәдімгі Бор магнитонына аудару үшін алынған санды екіге көбейту керек.

4 Электрондық тыныштық массасы

Классикалық электродинамикаға және Эйнштейн формуласына сәйкес электронды қосқанда L> 0 кванттық саны бар элементар бөлшектердің қалған массасы олардың электрмагниттік өрістер энергиясының эквиваленті ретінде анықталады:

қайда анықталған интегралэлементар бөлшектің бүкіл электромагниттік өрісін алады, Е - электр өрісінің күші, Н - магнит өрісінің күші. Мұнда электромагниттік өрістің барлық компоненттері ескеріледі: тұрақты электр өрісі, тұрақты магнит өрісі, ауыспалы электромагниттік өріс.

Жоғарыда келтірілген формулаға сәйкес, электронның тыныштық массасының мәні электронның болу шарттарына байланысты... Электронды тұрақты сыртқы электр өрісіне орналастыру арқылы біз бөлшектің массасына әсер ететін Е 2 әсер етеміз. Дәл осындай жағдай электронды тұрақты магнит өрісіне орналастырғанда пайда болады.

5 21 ғасыр физикасы: Электрон (элементар бөлшек) - нәтиже

Сіздің алдыңызда жаңа әлем ашылды - 20 ғасырдағы физика тіпті күдіктенбеген дипольдік өрістер әлемі... Сіз электронның бір емес, екі электр заряды (сыртқы және ішкі) және сәйкес екі электрлік радиусы бар екенін көрдіңіз. Сіз электронның сызықтық өлшемдері протонның сызықтық өлшемдерінен әлдеқайда үлкен екенін көрдіңіз. Сіз электронның қалған массасын құрайтынын және ойдан шығарылған Хиггс бозонының жұмыс істемейтінін көрдіңіз (Нобель комитетінің шешімдері әлі табиғат заңдары емес ...). Сонымен қатар, массаның мөлшері электрон орналасқан өрістерге байланысты. Мұның бәрі ХХ ғасырдың екінші жартысында физикада басым болған ұғымдардың шеңберінен шығып кетеді. - 21 ғасыр физикасы - Жаңа физикаматерияны танудың жаңа деңгейіне көтеріледі.

Владимир Горунович

). Негізгі СИ бірліктерінің анықтамаларындағы өзгерістерге сәйкес, бұл дәл 1.602 176 634⋅10 −19 A · с. Электромагниттік өзара әрекеттесуді сипаттайтын тұрақты құрылыммен тығыз байланысты.

Электр зарядының кванттауы

Кез келген эксперименттік бақыланатын электр заряды әрқашан бір элементарлыға көп болады- мұндай болжамды 1752 жылы Б.Франклин жасады және кейіннен бірнеше рет эксперименталды түрде сыналды. Алғашқы зарядты алғаш рет 1910 жылы Милликан эксперименталды түрде өлшеді.

Электр заряды табиғатта қарапайым зарядтардың бүтін саны түрінде болатынын атауға болады электр зарядын кванттау... Сонымен қатар, классикалық электродинамикада зарядтың кванттау себептері туралы мәселе талқыланбайды, өйткені заряд динамикалық айнымалы емес, сыртқы параметр болып табылады. Неліктен зарядты кванттау керек екендігі туралы қанағаттанарлық түсініктеме әлі табылған жоқ, бірақ қазірдің өзінде көптеген қызықты ескертулер алынды.

Бөлшек электр заряды

Әр түрлі әдістермен ұзақ уақыт бойы жүргізілген бөлшектік электр заряды бар ұзақ өмір сүретін бос объектілерді қайталап іздеу нәтиже бермеді.

Айта кету керек, квазипартикулалардың электр заряды да бүтіннің еселігі болмауы мүмкін. Атап айтқанда, бұл бөлшек кванттық Холл эффектісіне жауап беретін бөлшектік электр заряды бар квазибөлшектер.

Элементтік электр зарядын эксперименттік анықтау

Авогадро саны мен Фарадей тұрақтысы

Джозефсон эффектісі мен фон Клитзинг тұрақтысы

Элементар зарядты өлшеудің тағы бір дәл әдісі - оны кванттық механиканың екі эффектісін бақылай отырып есептеу: Джозефсон эффектісі, онда белгілі бір өткізгіш құрылымда кернеудің ауытқуы пайда болады және Холлдық кванттық эффект, Холл кедергісін кванттау әсері немесе күшті екі өлшемді электронды газдың өткізгіштігі магнит өрістеріжәне төмен температурада. Джозефсон тұрақтысы

қайда с- Планк тұрақтысын тікелей Джозефсон эффектісінің көмегімен өлшеуге болады.

кванттық Холл эффектісінің көмегімен тікелей өлшеуге болады.

Осы екі тұрақтылықтан қарапайым зарядтың мәнін есептеуге болады:

Ескертулер (өңдеу)

1. Элементар заряд(Ағылшын). Тұрақты, бірлік және белгісіздік туралы NIST анықтамасы... ... Тексерілді 20 мамыр 2016 ж.
2. CGSE бірліктеріндегі мән кулонның CGSE (франклин немесе статкуломб) 2,997,924,580 бірлік электр зарядымен тең екендігін ескере отырып, кулондарда CODATA мәнін қайта есептеу нәтижесінде беріледі.

Электрон - бұл заттың құрылымындағы негізгі бірліктердің бірі болып табылатын элементар бөлшек. Электрон заряды теріс. Ең дәл өлшеуді ХХ ғасырдың басында Милликен мен Джофф жүргізді.

Электрон заряды минус 1.602176487 (40) * 10 -1 9 С -қа тең.

Осы мән арқылы басқа ең ұсақ бөлшектердің электр заряды өлшенеді.

Электрон туралы жалпы түсінік

Бөлшектер физикасында электрон бөлінбейді және құрылымы жоқ деп айтылады. Ол электромагниттік және гравитациялық процестерге қатысады, лептон тобына жатады, дәл оның антибөлшегі - позитрон сияқты. Басқа лептондардың ішінде ол ең жеңіл салмаққа ие. Егер электрондар мен позитрондар соқтығысса, бұл олардың жойылуына әкеледі. Мұндай жұп бөлшектердің гамма -квантынан пайда болуы мүмкін.

Нейтрино өлшенбестен бұрын электрон ең жеңіл бөлшек болып саналды. Кванттық механикада оны фермиондар деп атайды. Сонымен қатар электронның магниттік моменті бар. Егер оған позитрон да жатқызылса, онда позитрон оң ​​зарядталған бөлшек болып бөлінеді, ал электрон теріс зарядты бөлшек ретінде негатрон деп аталады.

Электрондардың таңдалған қасиеттері

Электрондар бөлшектер мен толқындардың қасиеттерімен лептондардың бірінші ұрпағына жатады. Олардың әрқайсысына энергияны, айналу бағытын және басқа параметрлерді өлшеу арқылы анықталатын кванттық күй беріледі. Оның фермиондарға қатыстылығы кванттың бір күйінде бір мезгілде екі электронды табу мүмкін еместігі арқылы ашылады (Паули принципі бойынша).

Ол эффективті массасы тыныштықтағы массадан айтарлықтай ерекшеленуі мүмкін болатын периодтық кристалды потенциалдағы квазиплеткамен бірдей зерттеледі.

Электр тогы, магниттік және термо ЭҚК электрондардың қозғалысы арқылы пайда болады. Қозғалыстағы электрон заряды магнит өрісін құрайды. Алайда, сыртқы магнит өрісі бөлшекті алға қарай бұрады. Электрон үдеу кезінде фотон ретінде энергияны сіңіру немесе шығару қабілетіне ие болады. Оның жиынтығы электронды атом қабықтарынан тұрады, олардың саны мен орналасуы химиялық қасиеттерді анықтайды.

Атомдық массасы негізінен ядролық протон мен нейтроннан тұрады, ал электрондардың массасы жалпы атомдық салмақтың 0,06% мөлшерінде. Кулонның электрлік күші - электронды ядроға жақын ұстауға қабілетті негізгі күштердің бірі. Бірақ молекулалар атомдардан құрылып, химиялық байланыстар пайда болған кезде электрондар жаңа пайда болған кеңістікте қайта бөлінеді.

Нуклондар мен адрондар электрондардың пайда болуына қатысады. Радиоактивті қасиеттері бар изотоптар электрондарды шығаруға қабілетті. Зертханалық жағдайда бұл бөлшектерді арнайы құрылғыларда зерттеуге болады, мысалы, телескоптар плазмалық бұлттарда олардан сәулеленуді анықтай алады.

Ашылу

Электронды неміс физиктері ХІХ ғасырда сәулелердің катодтық қасиеттерін зерттеген кезде тапқан. Содан кейін басқа ғалымдар оны бөлек бөлшек дәрежесіне жеткізе отырып, оны толығырақ зерттей бастады. Сәулелену және басқа да байланысты физикалық құбылыстар зерттелді.

Мысалы, Томсон бастаған топ электронды заряд пен катод сәулелерінің массасын бағалады, олардың қатынасы олар тапқандай материалдық көзге тәуелді емес.
Ал Беккерель минералдардың өздігінен сәуле шығаратынын, ал олардың бета сәулелерінің электр өрісінің әсерінен ауытқуға болатынын, ал массасы мен зарядтары катодты сәулелермен бірдей қатынаста болатынын білді.

Атом теориясы

Бұл теорияға сәйкес, атом бұлт түрінде орналасқан ядро ​​мен электрондардан тұрады. Олар энергияның белгілі квантталған күйлерінде, олардың өзгеруі фотондардың жұтылу немесе шығарылу процессімен жүреді.

Кванттық механика

ХХ ғасырдың басында материалдық бөлшектер дұрыс бөлшектердің де, толқындардың да қасиеттеріне ие болатын гипотеза тұжырымдалды. Сонымен қатар, жарық толқын түрінде көрінуі мүмкін (оны де -Бройль толқыны деп атайды) және бөлшектер (фотондар).

Нәтижесінде электронды толқындардың таралуын сипаттайтын әйгілі Шредингер теңдеуі тұжырымдалды. Бұл тәсіл кванттық механика деп аталады. Ол сутегі атомындағы энергияның электронды күйін есептеу үшін қолданылды.

Электронның негізгі және кванттық қасиеттері

Бөлшек негізгі және кванттық қасиеттерді көрсетеді.

Негізгілеріне массасы (9.109 * 10 -31 килограмм), қарапайым электр заряды (яғни зарядтың минималды бөлігі) жатады. Осы уақытқа дейін жүргізілген өлшеулерге сәйкес, электронда оның құрылымын ашатын элементтер табылмады. Бірақ кейбір ғалымдар бұл нүктелі зарядталған бөлшек деген пікірде. Мақаланың басында көрсетілгендей, электронды электр заряды -1,602 * 10 -19 С.

Бөлшек ретінде электрон бір мезгілде толқын бола алады. Екі ойықпен жүргізілген эксперимент оның бір мезгілде екеуінен де өту мүмкіндігін растайды. Бұл бөлшектің қасиеттеріне қайшы келеді, мұнда әр уақытта тек бір тесіктен өтуге болады.

Электрондар бірдей болады деп есептеледі физикалық қасиеттері... Сондықтан оларды қайта реттеу, тұрғысынан кванттық механика, жүйелік күйдің өзгеруіне әкелмейді. Толқын функциясыэлектрондар ассиметриялық. Сондықтан оның шешімдері бірдей электрондар бірдей кванттық күйге енгенде жоғалады (Паули принципі).

Электрон - лептондар класына жататын теріс зарядталған элементар бөлшек (қараңыз. Элементтер бөлшектері), қазіргі кездегі ең кіші массаның тасымалдаушысы және табиғаттағы ең кіші электр заряды. 1897 жылы ағылшын ғалымы Дж.Д.Томсон ашты.

Электрон - компонентатом, ондағы электрондар саны бейтарап атомтең атом нөміріЯғни ядродағы протондар саны.

Электронның электр зарядын бірінші дәл өлшеу 1909-1913 жж. Американдық фиаик Р. Милликан. Элементар зарядтың абсолюттік мәнінің қазіргі мәні CGSE бірліктері немесе шамамен С болып табылады. Бұл заряд шынымен де «элементарлы» деп есептеледі, яғни оны бөліктерге бөлуге болмайды, және кез келген объектілердің зарядтары оның интегралдық еселіктері болып табылады.

Сіз электр зарядтары бар кварктар туралы естіген боларсыз, бірақ олар адрондардың ішінде мықтап бекітілген және бос күйде жоқ сияқты. Планк тұрақтысы h және жарық жылдамдығымен бірге қарапайым заряд өлшемсіз тұрақты = 1/137 құрайды. Жіңішке құрылым константасы кванттық электродинамиканың маңызды параметрлерінің бірі болып табылады, ол электромагниттік әсерлесу қарқындылығын анықтайды (қазіргі заманғы ең дәл мән = 0.000015).

Электронның массасы g (энергия бірлігінде). Егер энергия мен электр зарядының сақталу заңдары дұрыс болса, онда электронның кез келген ыдырауына, мысалы, тыйым салынады.Сондықтан электрон тұрақты; эксперименталды түрде оның өмір сүру ұзақтығы жылдан кем емес екені анықталды.

1925 жылы американдық физиктер С.Гудсмит пен Дж.Ухленбек атом спектрлерінің ерекшеліктерін түсіндіру үшін электрон - спин (лар) ішкі бұрыштық импульсін енгізді. Электронның айналуы Планк тұрақтысының жартысына тең, бірақ физиктер әдетте электронның айналуы = 1/2 деп айтады. Электронның спині өзінің магниттік моментімен байланысты. Erg / G шамасы BBr magneton MB деп аталады (бұл атомдық және ядролық физикада қабылданған магниттік моменттің өлшем бірлігі; мұнда h - Планк тұрақтысы, ал m - заряд пен электрон массасының абсолюттік мәні , с - жарық жылдамдығы); сандық коэффициент -электронның факторы. Кванттық-механикалық релятивистік Дирак теңдеуінен (1928 ж.) Келесі мән, яғни электронның магниттік моменті дәл бір Бор магнетонына тең болуы керек еді.

Алайда, 1947 жылы жүргізілген эксперименттерде магниттік момент Бор магнетонынан шамамен 0,1% артық екендігі анықталды. Бұл фактінің түсіндірмесі кванттық электродинамикадағы вакуумның поляризациясын ескере отырып берілді. Өте еңбекқор есептеулер теориялық мән берді (0,000000000148), оны қазіргі (1981 ж.) Эксперименттік мәліметтермен салыстыруға болады: электрон мен позитрон үшін (0,000000000050).

Мәндер он екі ондық бөлшектің дәлдігімен есептеледі және өлшенеді, ал эксперименттік жұмыстың дәлдігі теориялық есептеулердің дәлдігіне қарағанда жоғары. Бұл бөлшектер физикасындағы ең дәл өлшемдер.

Атомдардағы электрондардың қозғалысының ерекшеліктері кванттық механиканың теңдеулеріне бағынып, заттардың оптикалық, электрлік, магниттік, химиялық және механикалық қасиеттерін анықтайды.

Электрондар электромагниттік, әлсіз және гравитациялық өзара әсерлесуге қатысады (қараңыз табиғат күштерінің бірлігін). Сонымен, электромагниттік процестің арқасында электрон мен позитронның жойылуы екі кванттың пайда болуымен жүреді:. Жоғары энергиялы электрондар мен позитрондар адрондардың пайда болуымен электромагниттік жоюдың басқа процестеріне де қатыса алады: адрондар. Енді мұндай реакциялар соқтығысатын сәулелердің көптеген үдеткіштерінде қарқынды түрде зерттелуде (зарядталған бөлшектердің үдеткіштерін қараңыз).