Jaká je hmotnost elektronu?

Je známo, že elektrony mají záporný náboj. Ale jak můžeme ujistit, že elektronová hmota a její náboj jsou konstantní pro všechny tyto částice? Tuto možnost můžete zkontrolovat pouze zachycením za letu. Zastaví se, ztratí se mezi molekulami a atomy, které tvoří laboratoř. Proces znalosti mikrokosmu a jeho částic má za sebou dlouhou cestu: od prvních primitivních experimentů až po nejnovější vývoj v oblasti experimentální atomové fyziky.

První informace o elektroních

Před sto padesáti lety nebyly známy elektrony. První zvon, naznačující existenci "cihel" elektřiny, byl pokusy o elektrolýzu. Ve všech případech každá nabitá část látky nesla standardní elektrický náboj, který měl stejnou velikost. V některých případech se částka poplatku zdvojnásobila nebo ztrojnásobila, ale vždy zůstala násobkem jedné minimální hodnoty poplatku.

Experimenty J. Thompsona

V laboratoři Cavendish provedl J. Thomson experiment, který skutečně prokázal existenci částic elektřiny. Za tímto účelem vědec zkoumal záření vyzařované z katodových trubiček. V experimentu byly paprsky odpuzovány z negativně nabité destičky a přitahovány k pozitivně nabité desce. Byla potvrzena hypotéza konstantní přítomnosti některých elektrických částic v elektrickém poli. Jejich rychlost byla srovnatelná rychlost světla.Elektrická náplň pokud jde o hmotnost částic, bylo to neuvěřitelně velké. Z jeho pozorování Thompson vyvodil několik závěrů, které byly později potvrzeny dalšími studiemi.

Thompsonovy závěry

1. Atomy mohou být rozbité, když jsou bombardovány rychlejšími částicemi. V tomto případě jsou negativně nabité buňky vyhozeny ze středu atomů.
2. Všechny nabité částice mají stejnou hmotnost a náboj, bez ohledu na to, z jaké látky byly získány.
3. Hmotnost těchto částic je mnohem menší než hmotnost nejlehčího atomu.
4. Každá částicová látka nese nejmenší možný zlomek elektrického náboje, menší, než který v přírodě neexistuje. Každé nabité tělo nese celé množství elektronů.

Podrobné experimenty umožnily vypočítat parametry tajemných mikročástic. V důsledku toho bylo zjištěno, že otevřené nabité buňky jsou nedělitelnými atomy elektřiny. Následně jim bylo dáno jméno elektronů. Pocházelo z dávného Řecka a ukázalo se, že je vhodné pro popis nově objevené částice.

Přímé měření rychlosti elektronů

Vzhledem k tomu, že neexistuje příležitost vidět elektron, experimenty nezbytné k měření základních veličin této elementární částice se provádějí pomocí elektromagnetických a gravitačních polí. Pokud první ovlivňuje pouze elektronový náboj, pak pomocí tenkých experimentů s přihlédnutím k gravitačním účinkům bylo možné přibližně vypočítat hmotnost elektronů.

Elektronická zbraň

První měření hmotností a nábojů elektronů bylo prováděno za použití elektronové pistole. Hluboké vakuum v těle pistole dovoluje, aby elektrony byly neseny úzkým paprskem z jedné katody do druhé. Elektrony jsou nuceny projít úzkými otvory dvakrát při konstantní rychlosti v . Existuje proces podobný tomu, jak se do plotu dostává tryska ze zahradní hadice. Části elektronů letí podél trubice konstantní rychlostí. Bylo experimentálně prokázáno, že pokud napětí na elektronové pistoli je 100 V, rychlost elektronu se vypočte jako 6 milionů m / s.

Experimentální závěry

Přímé měření rychlosti elektronů ukazuje, že bez ohledu na to, z jakých materiálů je zbraň vyrobena a jaký je potenciální rozdíl, je poměr e / m = const splněn.

Tento závěr byl učiněn počátkem 20. století. Homogenní paprsky nabitých částic nebyly dosud schopné vytvořit, pro experimenty byly použity jiná zařízení, ale výsledek zůstal stejný. Experiment nám umožnil vyvodit několik závěrů. Poměr elektronového náboje k jeho hmotnosti je pro elektrony stejný. To umožňuje vyvodit závěr o univerzálnosti elektronu jako nedílné součásti jakékoliv záležitosti v našem světě. Při velmi vysokých rychlostech je e / m méně, než se očekávalo. Tento paradox je zcela srozumitelný tím, že při vysokých rychlostech, srovnatelných s rychlostí světla, se hmotnost částic zvyšuje. Okrajové podmínky transformací Lorentze naznačují, že když se rychlost těla rovná rychlosti světla, hmotnost tohoto těla se stává nekonečnou. Znatelné zvýšení hmotnosti elektronů nastává v úplné shodě s teorií relativity.

Elektron a jeho odpočinkovou hmotu

Paradoxní závěr, že elektronová hmota není konstantní, přináší některé zajímavé závěry. V normálním stavu se zbytková hmotnost elektronu nemění. Může být měřena na základě různých experimentů. V současné době se elektronová hmota několikrát měří a činí 9,10938291 (40) · 10-3 kg Elektrony s takovou hmotností vstupují chemické reakce tvoří pohyb elektrického proudu zachycených nejpřesnějšími nástroji, které zaznamenávají jaderné reakce. Znatelné zvýšení této hodnoty je možné pouze při rychlostech blížících se rychlosti světla.

Elektrony v krystalech

Fyzika pevných látek je věda, která sleduje chování nabitých částic v krystalech. Výsledkem četných experimentů bylo vytvoření speciálního množství charakterizujícího chování elektronu v silových polích krystalických látek. Jedná se o takzvanou účinnou elektronovou hmotu. Jeho hodnota je vypočtena na základě skutečnosti, že pohyb elektronu v krystalu podléhá dalším silám, jejichž zdroj je sám o sobě krystalová mřížka. Takový pohyb může být pro volné elektrony popsán jako standard, ale při výpočtu hybnosti a energie takové částice je třeba vzít v úvahu ne zbytek hmoty elektronu, ale účinnou, jejíž hodnota bude odlišná.

Elektronový puls v krystalu

Stav libovolných částic může být charakterizován velikostí jeho hybnosti. Vzhledem k tomu, že hodnota pulsu byla již stanovena, pak se podle principu nejistoty zdá, že souřadnice částic jsou rozmazané v celém krystalu. Pravděpodobnost setkání elektronu v libovolném bodě krystalové mřížky je téměř stejná. Elektronický impuls charakterizuje jeho stav ve všech souřadnicích energetického pole. Výpočty ukazují, že závislost energie elektronu na jeho hybnosti je stejná jako závislost volné částice, ale elektronová hmota může mít hodnotu, která se liší od obvyklé. Obecně platí, že elektronová energie, vyjádřená impulsem, bude mít formu E (p) = p ² / 2m *. V tomto případě je m * účinná hmotnost elektronů. Praktické využití účinné hmotnosti elektronu je nesmírně důležité při vývoji a studiu nových polovodičových materiálů používaných v elektronice a mikrotechnologii.

Hmotnost elektronu, jako každá jiná quasiparticle, nemůže být charakterizována standardními vlastnostmi vhodnými v našem vesmíru. Jakákoli vlastnost mikročástice může překvapit a napadnout všechny naše představy o světě kolem nás.